Spis treści:
- 1 Transformatoren um uns herum
- 2 Transformatoren - unterschiedliche Ausführungen, unterschiedliche Zwecke, gemeinsames Funktionsprinzip
- 3 Was ist ein Transformator?
- 4 Aufbau eines klassischen Transformators
- 5 Wie funktioniert ein Transformator?
- 6 Warum " Brummen " Transformatoren?
- 7 Transformatoren für die Stromversorgung verschiedener mobiler und stationärer Geräte
- 8 Leistungstransformatoren: von Kraftwerken bis zu Fabriken, Büros und Wohnungen
- 9 Wenn die Skala nicht ausreicht: Messwerttransformatoren
- 10 Prüftransformatoren: Kommt es zum Durchschlag?
- 11 Unter dem gelben Band: Impulstransformatoren
- 12 Sicherheit geht vor: Trenntransformatoren
- 13 Auf einer Wicklung: Autotransformatoren
- 14 Zur Anpassung der Impedanz: Lautsprechertransformatoren
- 15 Ohne Zündfunke kann man nicht Autofahren oder gar den Rasen mähen: Zündspulen
Wir finden sie sowohl in elektrischen Haushaltsgeräten als auch in riesigen Kraftwerken – Lerne die Transformatoren kennen!
Transformatoren um uns herum
In diesem Artikel werden der Aufbau und die Funktionsweise von Transformatoren vorgestellt, die zu den am häufigsten verwendeten Bauteilen der Elektrotechnik und Elektronik gehören. Außerdem wird ein allgemeiner Überblick über Transformatoren mit einem besonders speziellen Verwendungszweck gegeben.
Transformatoren - unterschiedliche Ausführungen, unterschiedliche Zwecke, gemeinsames Funktionsprinzip
Betrachtet man die Welt um uns herum, die von elektrischen und elektronischen Geräten mit unglaublich unterschiedlichen Verwendungszwecken gesättigt ist, so lohnt es sich, auf ihre Betriebsparameter hinsichtlich ihrer Stromversorgung zu achten – dies gilt sowohl für Verbraucher als auch für Geräte, die Strom erzeugen und ihn auch in Strom mit unterschiedlichen Parametern umwandeln. Ein solches Gerät, das besonders weit verbreitet ist, ist der Transformator – je nach Bauart und Verwendungszweck haben Transformatoren stark variierende Betriebsparameter – wir verwenden einen anderen Transformator, um die Spannung am Ausgang eines Kraftwerks zu erhöhen, einen anderen für einen Audioverstärker und wieder einen anderen, um ein Schaltnetzteil für elektromedizinische Geräte zu bauen.
Trotz dieser Unterschiede bleibt der Nenner derselbe – das Funktionsprinzip, das auf solide entwickelte und experimentell bestätigte mathematische und physikalische Grundlagen gestützt ist.
Was ist ein Transformator?
Lassen Sie uns zunächst die Frage stellen und beantworten: Was ist ein Transformator? Allgemein ausgedrückt, handelt es sich um eine sich nicht drehende elektrische Maschine, die dazu dient, die Parameter der elektrischen Energie, d. h. Wechselstrom und Spannung im Zeitbereich, durch magnetische Kopplung umzuwandeln. Vereinfacht ausgedrückt, besteht ein Transformator aus zwei Induktionsspulen. Am häufigsten werden Transformatoren eingesetzt, um die Betriebsspannungen einzelner Stromkreise an bestimmte Anforderungen anzupassen – wir brauchen eine andere Spannung, um Energie von einem Kraftwerk zu einer Fabrik zu schicken, und eine andere Spannung, um elektrische Haushaltsgeräte zu versorgen. Bei der Übertragung von Energie über längere oder kürzere Entfernungen ist dies wirtschaftlich besonders wichtig – nach dem Prinzip der Erhaltung der Scheinleistungsbilanz ist der Strom in der Wicklung, die mit doppelter Spannung betrieben wird, doppelt so niedrig, wenn wir die Spannung mit einem Transformator z. B. doppelt erhöhen. Je geringer der Strom ist, desto geringer sind die Verluste durch Widerstand und Reaktanz der Leiter. Die Leistung von Transformatoren wird in der Regel in Volt-Ampere (VA), d. h. in Einheiten der Scheinleistung, angegeben. Je nach Verwendungszweck kann die Leistung von Transformatoren variieren – für elektrische Haushalts- und Werkstattgeräte kann sie von Bruchteilen eines Voltampere bis zu einigen Kilovoltampere (kVA) reichen, während die Leistung von Leistungstransformatoren in die Hunderte von Megavoltampere (MVA) geht und manchmal sogar 1 GVA übersteigt.
Aufbau eines klassischen Transformators
Ein Standardtransformator, eine der einfachsten Bauformen, verwendet einen Eisenkern, der aus Blechpaketen aus Elektrostahl besteht. Dieses Blechbündel bildet den Magnetdraht oder den magnetischen Kreis des Transformators. Es gibt eine Vielzahl von Kernformen – die gebräuchlichsten sind EI, EE, UI und auch Ringkerne. Die Verwendung von Blechen anstelle eines massiven Kerns verringert die Leistungsverluste durch Hysterese und Wirbelströme. Der einfachste Transformator hat zwei elektrisch voneinander getrennte Wicklungen – die Primärwicklung und die Sekundärwicklung. Jede Wicklung ist mit Kupferdraht (oder seltener mit Aluminiumdraht) gewickelt, der mit einer isolierenden Lackschicht überzogen ist. In der Regel sind die Wicklungen auf einen Kunststoffkörper gewickelt, der Klemmen für die Anfänge und Enden der einzelnen Wicklungen hat.
Wie funktioniert ein Transformator?
Im Folgenden wird das Funktionsprinzip eines Einphasen-Zweiwicklungstransformators beschrieben. Die Primärwicklung ist an eine sinusförmige Wechselspannungsquelle angeschlossen, die Sekundärwicklung ist mit dem Verbraucher verbunden. Wenn der Primärkreis geschlossen ist, fließt ein sinusförmiger Wechselstrom durch ihn. Der Stromfluss in der Primärwicklung erzeugt einen magnetischen Fluss, der einen geschlossenen Pfad haben muss – die Bildung eines magnetischen Flusses wäre unmöglich, wenn wir eine Gleichspannung an die Primärwicklung anlegen würden. Der Magnetfluss im Kern erzeugt gemäß dem Faradayschen Induktionsgesetz eine elektromotorische Kraft in der Sekundärwicklung. Da der Sekundärkreis durch die Impedanz des Empfängers geschlossen ist, fließt in dieser Wicklung ein Strom. Die in der Sekundärwicklung induzierte elektromotorische Kraft hat einen Wert, der proportional von der Anzahl der Windungen dieser Wicklung und der zeitlichen Änderungsrate (Ableitung) des magnetischen Flusses im Kern abhängt.
Warum " Brummen " Transformatoren?
Bei Transformatoren, die mit Netzfrequenz, d.h. 50Hz oder 60Hz, betrieben werden, ist ein mehr oder weniger hörbares “Brummen” charakteristisch. Die Frequenz dieses Brummens entspricht dem Doppelten der Netzfrequenz. Das bedeutet, dass z.B. bei der polnischen Spannungsfrequenz ein 100Hz-Ton und bei der amerikanischen Spannungsfrequenz ein 120Hz-Ton zu hören ist. Dieses charakteristische Brummen wird durch das Phänomen der Magnetostriktion verursacht – wenn wir das Geschehen in den Metallblechen, die den Kern eines Transformators bilden, unter die Lupe nehmen, beobachten wir die geordnete Bewegung von magnetischen Dipolen, die je nach Zeitverlauf und Frequenz des magnetischen Flusses im Kern ihre Polarität ändern. Als Folge dieses Phänomens kommt es zu einer mikroskopisch kleinen Stauchung und Dehnung der Bleche, die als Nebeneffekt das charakteristische “Brummen” hervorruft, das umso stärker wird, je höher die Belastung des Transformators ist.
Transformatoren für die Stromversorgung verschiedener mobiler und stationärer Geräte
Transformatoren sind ein fester Bestandteil des Ausbaus von Stromversorgungen für elektrische Haushaltsgeräte – dies gilt sowohl für im Gerätegehäuse eingebaute als auch für externe Stromversorgungen. Mit einem Transformator-Netzteil, das mit Netzfrequenz arbeitet, können wir die 230V-Spannung auf die sichere Spannungsebene (z.B. 24V, 12V, 9V und andere) reduzieren, für die unser Gerät ausgelegt ist. Man unterscheidet zwischen Wechselspannungs-Netzteilen, die nur aus einem Transformator bestehen, und Gleichspannungs-Netzteilen, die zusätzlich eine Gleichrichterbrücke und Kondensatoren auf der Seite der unteren Spannungswicklung sowie bei stabilisierten Netzteilen auch einen Spannungsregler enthalten.
Leistungstransformatoren: von Kraftwerken bis zu Fabriken, Büros und Wohnungen
Die größten Transformatoren, sowohl was die Größe als auch was die Leistung betrifft, sind die Leistungstransformatoren. Sie sind die Kupplungen zwischen den verschiedenen Knotenpunkten des Stromnetzes, die auf unterschiedlichen Spannungsebenen arbeiten. In Polen verbinden die Transformatoren im nationalen Stromnetz die 400kV- und 220kV-Höchstspannungsnetze, die 110kV-Hochspannungsnetze, die 20kV-, 15kV-, 10kV- und 6kV-Mittelspannungsnetze sowie die 0,4kV/0,23kV-Niederspannungsnetze. Es handelt sich um Dreiphasentransformatoren, d. h. solche mit je drei Wicklungen auf dem Kern für den oberen und unteren Spannungskreis.
Je nach Spannungsebene sind die Wicklungen in einem Dreieck, isolierten Stern oder geerdeten Stern miteinander verbunden. Durch die Verschiebung der Phase um einen Winkel von 120° zwischen den einzelnen Wicklungen wird eine Grenzflächenspannung erreicht. Die Spannungstransformation im Stromnetz wird durchgeführt, um die Übertragungsverluste auf den Stromleitungen zu verringern. Darüber hinaus werden in der Elektrizitätswirtschaft auch Phasenschieber eingesetzt, d. h. Transformatoren, die es ermöglichen, die Phasenverschiebung zwischen den Strömen und Spannungen auf den einzelnen Phasen einzustellen, um eine Änderung der Wirk- und Blindleistungsverteilung zu bewirken.
Wenn die Skala nicht ausreicht: Messwerttransformatoren
Mit Werkzeugen wie einem Voltmeter oder einem Amperemeter, die einzeln oder vereint als Multimeter vorkommen, können wir Ströme und Spannungen messen. Das Problem beginnt, wenn die gemessenen Größen über den Messbereich unseres Instruments hinausgehen. Zu diesem Zweck werden Strom- und Spannungswandler verwendet – spezielle Messwandler, die wir vor allem in Forschungs- und Entwicklungslabors sowie in der Elektrizitätswirtschaft finden können. Stromtransformatoren werden zur Strommessung eingesetzt und arbeiten in einem kurzschlussnahen Zustand – die Primärwicklung des Transformators ist direkt mit dem Stromkreis, in dem der Strom gemessen wird, in Reihe geschaltet, und die Sekundärwicklung ist von der Öffnung des Messgeräts umschlossen. Ein Spannungswandler hingegen arbeitet in einem Zustand, nahe der Unterbrechung des Stromkreises und ermöglicht die Messung der Spannung. Einer der Pole auf der Seite des Sekundärkreises ist geerdet. In der Elektrizitätswirtschaft werden Transformatoren in Schutzautomatisierungssystemen und für die Stromabrechnung verwendet.
Prüftransformatoren: Kommt es zum Durchschlag?
Bevor ein weiterer Teil der Strominfrastruktur gebaut wird, durch den der Strom zu den Verbrauchern fließt, müssen alle Komponenten, aus denen diese Infrastruktur besteht, gründlich geprüft werden – ganz gleich, ob der Strom aus einem Wärmekraftwerk, einem Windkraftwerk oder einer Fotovoltaikanlage stammt. Richtig funktionierende Generatoren, Transformatoren und Übertragungsleitungen sollten auch mit den richtigen Isolatoren ausgestattet sein. Aus diesem Grund werden elektrische Isoliersysteme vor Verlassen des Werks sowohl auf ihre mechanische als auch auf ihre elektrische Festigkeit geprüft. Bei der Prüfung der elektrischen Isolation werden Prüftransformatoren, d. h. Einphasentransformatoren, verwendet, um die elektrischen Isolierstoffe und die daraus hergestellten Bauteile gegen die Auswirkungen von Betriebs- und Fehlerspannungen bei Netzfrequenz zu testen. Zur Erhöhung der Prüfspannung werden kaskadierte Kondensatoren, die für entsprechend hohe Spannungen geeignet sind, an die obere Spannungswicklung angeschlossen.
Unter dem gelben Band: Impulstransformatoren
Wenn Sie schon einmal das Innere eines Computernetzteils gesehen haben, ist es sehr wahrscheinlich, dass Sie einen Transformator gesehen haben, dessen Erkennungsmerkmal das gelbe Isolierband auf der Wicklung ist. Sie haben höchstwahrscheinlich einen Impulstransformator gesehen! Solche Transformatoren werden in Schaltnetzteilen und anderen leistungselektronischen Wandlern verwendet, in denen Schaltströme und Spannungen mit Frequenzen von mehreren tausend Hertz auftreten.
Ein Impulstransformator wandelt die Spannung um und passt sie je nach Anwendung an – je nachdem, ob wir die Spannung senken oder erhöhen wollen. Aufgrund der hohen Schaltfrequenzen erfordern Impulstransformatoren den Einsatz von nanokristallinen Kernen, um Hystereseverluste und Wirbelströme zu minimieren.
Sicherheit geht vor: Trenntransformatoren
Trenntransformatoren unterscheiden sich in ihrem grundsätzlichen Aufbau und Funktionsprinzip nicht von gewöhnlichen Transformatoren, wie sie z. B. in linearen Stromversorgungen zu finden sind, haben aber eine Besonderheit: Ihr Übersetzungsverhältnis ist 1 – das bedeutet, dass die Spannung am Sekundär- und am Primärkreis gleich ist. Solche Transformatoren werden überall dort eingesetzt, wo eine erhöhte Stromschlaggefahr besteht, z.B. durch zu hohe Luftfeuchtigkeit. Wird ein Verbraucher über einen Trenntransformator versorgt, hat der Strom bei einem Fehler in der Primärisolierung keinen geschlossenen Rückweg – um dieses Kriterium zu erfüllen, darf ein Trenntransformator nicht geerdet werden, denn bei einem Erdschluss wird der fehlerhafte Stromkreis über den Körper zur Erde geschlossen und es kann zu einem Stromschlag kommen. Bei der Durchführung von Werkstattarbeiten an elektronischen Geräten, insbesondere bei Spannungen auf Niederspannungsebene und darüber, ist es wichtig, eine erhöhte Sicherheit zu gewährleisten. Zu diesem Zweck werden auch Trenntransformatoren verwendet, um z. B. das Messgerät vom zu prüfenden System elektrisch zu trennen. Dies gilt insbesondere für den Schutz von Oszilloskopen, bei denen die Masse physisch mit der Erdung des Oszilloskops verbunden ist.
Auf einer Wicklung: Autotransformatoren
Ein besonders interessanter Fall von Transformatoren sind Autotransformatoren. Der Unterschied zum klassischen Zweiwickler-Transformator besteht darin, dass ein Autotransformator eine Wicklung mit Anzapfungen und einen Stufenschalter hat. Der Nachteil einer solchen Lösung ist das Fehlen einer galvanischen Isolierung. Allerdings hat ein solcher Transformator auch einen sehr wichtigen Vorteil – er ermöglicht eine recht genaue Spannungsregelung mit einem kleinen Übersetzungsverhältnis. Spartransformatoren werden in der Elektrizitätswirtschaft für die Umwandlung von Höchstspannung (NS) in Hochspannung (HS) verwendet. Bei solchen Konstruktionen wird ein automatisch gesteuerter Stufenschalter in Jansen-Anordnung verwendet, bei dem die Sprungzeit zwischen den einzelnen Stufen nur einer einzigen Periode der Grundschwingung der Netzspannung entspricht (0,02 s bei 50 Hz). Es gibt auch Spartransformatoren im Labor, bei denen die Regelung über einen Drehknopf erfolgt, der die Position der Kohlebürste steuert. Interessanterweise wurde ein Spartransformator von dem amerikanischen Gitarristen Edward Van Halen verwendet – indem er die Versorgungsspannung seines Röhrengitarrenverstärkers veränderte, beeinflusste er den endgültigen Klang!
Zur Anpassung der Impedanz: Lautsprechertransformatoren
Es gibt eine Gruppe von elektroakustischen Verstärkern, die neben dem Leistungstransformator einen zweiten Transformator haben – das sind Röhrenverstärker, d.h. solche, bei denen zumindest die Leistungsstufe auf Elektronenröhren aufgebaut ist. In solchen Verstärkern ist ein Lautsprechertransformator erforderlich. Er hat die Aufgabe, die hohe Ausgangsimpedanz der Endstufe an die niedrige Impedanz des Lautsprechers anzupassen. Bei einem solchen Überträger für einen Verstärker in Push-Pull-Topologie hat die Wicklung auf der Elektronenröhrenseite einen Mittelabgriff, an den die Versorgungsspannung der Röhrenanoden, an die die äußeren Enden der Überträgerwicklung angeschlossen sind. Die zweite Wicklung, die mit dickerem Draht gewickelt ist, hat dagegen im Verhältnis zur röhrenseitigen Wicklung weniger Windungen – an dieser Wicklung liegen die Lautsprecheranschlüsse an. Für Stereoverstärker werden zwei Lautsprechertransformatoren benötigt. Lautsprechertransformatoren werden auch in Rundfunkanstalten eingesetzt, um die Übertragungsverluste auf den Verbindungsleitungen zwischen Verstärker und Lautsprechern zu verringern.
Ohne Zündfunke kann man nicht Autofahren oder gar den Rasen mähen: Zündspulen
Benzinmotoren sind das Herzstück vieler Autos, Motorräder oder Rasenmäher. In solchen Motoren wird die bei der Verbrennung des Benzin-Luft-Gemischs freigesetzte Wärmeenergie in mechanische Energie der Hin- und Herbewegung der Baugruppe Kolben-Kurbelgehäuse-Kurbelwelle umgewandelt, wobei das Endergebnis die Drehbewegung der Kurbelwelle ist. Beim Betrieb eines Viertakt-Kolbenmotors wird das Benzin-Luft-Gemisch alle zwei Umdrehungen der Kurbelwelle gezündet. Damit dies geschieht, wird kurz vor dem Erreichen des OT-Punkts (oberer Totpunkt) des Kolbens eine Hochspannung zwischen den Elektroden der Zündkerze angelegt, wodurch ein Funke zwischen der mittleren und der seitlichen Elektrode überspringt. Zur Erzeugung der Hochspannung in der Zündanlage wird ein Transformator, die so genannte Zündspule, verwendet. An seiner Niederspannungswicklung wird die Spannung gepulst angelegt – früher über einen elektromechanischen Unterbrecher, heute über einen elektronisch gesteuerten Transistor. Der einen schnellen Abfall des magnetischen Flusses im Kern eines solchen Transformators bewirkt, dass in seiner oberen Spannungswicklung eine ausreichend hohe Spannung entsteht, die zum Durchstoßen des Elektrodenspalts führt… und so bleibt der Motor nicht stehen und wir können weiterfahren!
