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Transformator - was ist das?
Ein Transformator ist ein elektrisches Gerät, das dazu dient, elektrische Wechselstromenergie durch Induktion von einem Stromkreis auf einen anderen zu übertragen, wobei die gleiche Frequenz beibehalten wird. Normalerweise wird dabei auch die elektrische Spannung geändert (die Ausnahme ist der Trenntransformator, bei dem sich die Spannung nicht ändert).
In diesem Artikel möchte der Autor grundlegende Informationen über Transformatoren vorstellen, da sie ein wesentliches Element bei der Übertragung und Verteilung von Strom sind und ihr korrekter Betrieb von größter Bedeutung für die Sicherheit und Effizienz der Stromnetze ist.
In dieser Lektüre werden wir uns auf Überlegungen zu Einphasentransformatoren konzentrieren. Wenn man versteht, wie Transformatoren funktionieren, kann man den Energiefluss in Stromnetzen besser kontrollieren und optimieren. Aufgrund des sehr großen Leistungsspektrums der derzeit hergestellten Transformatoren gibt es ein breites Spektrum von Anwendungen – von Stromversorgungssystemen bis hin zu Haushaltsgeräten und überall dort, wo Spannungs- oder Stromwerte umgewandelt werden müssen.
Einteilung der Transformatoren
Transformatoren können aufgrund ihrer Bauweise in verschiedene Kategorien unterteilt werden:
- Energiesysteme – wird in der Elektrizitätswirtschaft bei der Umwandlung und Verteilung von Strom verwendet,
- geringe Leistung – wird in Stromversorgungssystemen für Elektrogeräte verwendet,
- Spezial – für besondere Anwendungen, wie z.B. Messwandler.
Typ
Symbol
Einphasen-Transformator
Autotransformator
Spannungswandler
Stromwandler
Aufbau eines Transformators
Wie bereits erwähnt, gibt es eine Reihe von verschiedenen Transformatoren, aber unabhängig von der Leistung des Transformators ändert sich das Funktionsprinzip nicht. Jeder Transformator besteht aus:
- Primärwicklung – stellt einen der beiden Stromkreise des Transformators dar,
- Sekundärwicklung – stellt einen der beiden Stromkreise des Transformators dar,
- ferromagnetischer Kern – auf dem sich die Wicklungen befinden und der den magnetischen Kreis des Transformators zur Leitung des magnetischen Flusses bildet.
Die Primär- und die Sekundärwicklung sind galvanisch getrennte Wicklungen, d.h. es besteht keine elektrische Verbindung zwischen ihnen und die Energie wird durch ein Magnetfeld übertragen. Eine Ausnahme bildet der Autotransformator, bei dem die beiden Wicklungen einen gemeinsamen Teil haben. Der Transformator funktioniert, indem er sich das Phänomen der elektromagnetischen Induktion zunutze macht. Die Primärwicklung ist an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen, wodurch in ihr ein Wechselstrom fließt, der ein magnetisches Wechselfeld induziert.
Der wechselnde magnetische Fluss schließt sich durch den Kern und koppelt an die Sekundärwicklung, die eine elektromotorische Kraft im Kern induziert, die sich mit der Veränderung des magnetischen Flusses ändert. Da die Energie von der Primär- auf die Sekundärwicklung übertragen wird, geht ein Teil der Leistung verloren.
Die Primärseite eines Transformators ist die Wicklung, die an die Wechselstromquelle angeschlossen ist.
Die Sekundärseite des Transformators ist die Wicklung, an die die Verbraucher angeschlossen sind.
Die Größen, die sich auf die Primärseite des Transformators beziehen, werden in der Regel als Primärgrößen bezeichnet (Primärspannung U1, Primärstrom I1, Anzahl der Windungen der Primärwicklung N1), während die Größen, die sich auf die Sekundärwicklung beziehen, als Sekundärgrößen bezeichnet werden (Sekundärspannung U2, Sekundärstrom I2, Anzahl der Windungen der Sekundärwicklung N2).
Transformatoren können je nach dem Wert der an einer Seite angelegten Spannung als Aufwärtstransformator für Spannung (die Sekundärspannung ist höher als die Primärspannung) oder als Abwärtstransformator für Spannung (die Sekundärspannung ist niedriger als die Primärspannung) bezeichnet werden. Daher wird bei Transformatoren die Wicklung mit der höheren Spannung als obere Wicklung und die Wicklung mit der niedrigeren Spannung als untere Wicklung bezeichnet. Folglich ist es auch möglich, alle Größen, die sich auf die obere Wicklung beziehen, mit dem Index G (obere Spannung UG, oberer Strom IG, Anzahl der Windungen der oberen Wicklung NG) und alle Größen, die sich auf die untere Wicklung beziehen, mit dem Index D (untere Spannung UD, unterer Strom ID, Anzahl der Windungen der unteren Wicklung ND) zu bezeichnen.
Jeder Transformator hat auch wichtige Parameter, die auf dem Typenschild angegeben sind. Das Typenschild gibt die Parameterwerte an, für die der Transformator entwickelt und hergestellt wurde. Je nach Typ (einphasig oder dreiphasig) und Hersteller des Transformators können die Typenschilder ein unterschiedliches Aussehen haben und unterschiedliche Parameter enthalten.
Die wichtigsten Daten, die Sie auf dem Typenschild des Transformators ablesen können, sind:
- Nennleistung,
- Nennspannungen der Primärseite und der Sekundärseite,
- Nennströme der Primärseite und der Sekundärseite,
- Nennkern- und Wicklungsverluste,
- Prozentuale Nenn-Kurzschlussspannung,
- Nennfrequenz,
- Isolationsklasse,
- Hersteller, Serie und Jahr der Herstellung,
- die Anzahl der Windungen in beiden Wicklungen ist auf den Typenschildern von Transformatoren mit geringer Leistung angegeben.
Betriebszustände in Transformatoren
Der wichtigste Parameter eines Transformators ist das Transformatorverhältnis, das durch die Formel definiert wird:
Das Übersetzungsverhältnis eines Transformators bestimmt seine Fähigkeit, seinen Spannungswert zu ändern (Spannungsverhältnis). Er hat immer einen Wert, der größer oder gleich 1 ist.
In Transformatoren können verschiedene Betriebszustände festgelegt werden:
- Der Ruhezustand eines Transformators ist gegeben, wenn die Versorgungsspannung an die Primärwicklung angelegt wird und der Stromkreis der Sekundärwicklung offen bleibt.
- Der Lastzustand eines Transformators ist der Zustand, in dem eine Versorgungsspannung an die Primärwicklung angelegt wurde und eine Last an den Sekundärwicklungskreis angeschlossen ist.
- Ein Kurzschluss in einem Transformator ist ein Zustand, in dem die Versorgungsspannung an der Primärwicklung anliegt und der Stromkreis der Sekundärwicklung kurzgeschlossen ist. Ein Kurzschluss in einem Transformator ist ein Notfall, wenn er während des normalen Betriebs bei voller Versorgungsspannung auftritt.
Funktionen des Transformators
Neben der Änderung von Spannungs- und Stromwerten kann der Transformator auch andere Funktionen erfüllen:
- ermöglicht es, Stromkreise voneinander zu isolieren – die an die Stromversorgung angeschlossene Primärwicklung ist nicht mit der an den Verbraucher angeschlossenen Sekundärwicklung verbunden,
- kann als Gleichstrom- und Spannungsfilter fungieren (er überträgt keine Gleichspannung und keinen Gleichstrom auf die Sekundärseite),
- zwischen der Quelle und der Last eingebaut, kann er den Wert des Kurzschlussstroms begrenzen.
Andere Spezialtransformatoren
- Der Autotransformator ist ein spezieller Transformator mit nur einer Wicklung, die sowohl als Primär- als auch als Sekundärwicklung fungiert. Beide Seiten des Transformators (primär und sekundär) sind galvanisch verbunden.
- Messwandler sind Spezialtransformatoren, die zur Reduzierung von Strom oder Spannung zu Messzwecken oder zur galvanischen Trennung eines Messkreises von einem Hochspannungsnetz verwendet werden. Messwandler werden bei der Messung von Strömen, Spannungen, Leistung und Elektrizität sowie in Leistungsschutz-, Steuer-, Regel- und Signalanlagen in elektrischen Netzen eingesetzt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Einphasentransformatoren elektrische Geräte sind, die zur Änderung der Spannung in einphasigen Stromkreisen verwendet werden. Sie sind unverzichtbar für die Stromversorgung verschiedener elektrischer Geräte in Haushalt und Industrie. Sie erleichtern die Anpassung der Spannung an die Anforderungen eines Geräts, einer Maschine oder eines bestimmten Prozesses. Transformatoren werden in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt und haben eine breite Palette von Anwendungen, so dass es wichtig ist, ein Grundwissen über sie zu haben.
