Transformator: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 1. November 2009, 22:56 Uhr

Verschiedene Schaltzeichen eines Transformators, mit und ohne Anzapfung, mit und ohne Eisenkern

Ein Transformator (lat. transformare‚ umwandeln), umgangsprachlich Trafo, ist ein zusammengesetztes Bauelement. Er besteht meist aus einem Ferrit- oder Eisenkern, um den die Leiter zweier verschiedener Stromkreise gewickelt sind. Speist man eine dieser Wicklungen mit einer Wechselspannung, stellt sich an der anderen Wicklung ebenfalls eine Wechselspannung ein. Das Verhältnis dieser beiden Spannungen verhält sich wie das Verhältnis der Windungszahlen der beiden Wicklungen.

Grundlagen

Idealer Transformator

Bei einem idealen (d.h. ohne jegliche Verluste) Transformator verhalten sich auf Grund der elektromagnetischen Induktion die Spannungen an den Wicklungen proportional zur Windungszahl der Wicklungen. Sind N₁ und N₂ die Windungszahlen sowie U_E und U_A die Effektivwerte der primär- und sekundärseitigen Spannungen, so gilt:

U_A = ( N₂ / N₁ ) * U_E

Durch geeignete Wahl der Windungszahlen können mit einem Transformator somit Wechselspannungen sowohl hoch- als auch heruntertransformiert werden.

Wird sekundärseitig ein Verbraucher angeschlossen, so entnimmt dieser Leistung. Im Gegensatz zu den Spannungen an den Wicklungen sind die Ströme in den Wicklungen jedoch entgegengesetzt gerichtet. Physikalisch lässt sich dies mit dem Durchflutungssatz erklären. Daraus ergibt sich:

I_A = N₁ / N₂ * I_E

Die Kombination dieser beiden Gleichungen zeigt, daß bei einem idealen Transformator die primärseitig zugeführte Leistung gleich der sekundärseitig entnommenen Leistung ist. Der Transformator führt keine Zwischenspeicherung von Energie durch, noch erzeugt er Verluste:

U_E * I_E = U_A * I_A

Realer Transformator

Ideale Transformatoren sind nicht realisierbar. Folgende Verluste sind in einem realen Transformator zu erwarten:

• die Wicklungen besitzen einen Widerstand sowie eine Kapazität
• im Eisenkern treten Wirbelströme auf
• die Ummagnetisierung des Kerns benötigt Energie (Hysterese)
• nicht der gesamte magnetische Fluß Φ in der Primärwicklung fließt auch durch die Sekundärwicklung (Streufluß)
• die Permeabilität des Kerns hängt von der Frequenz und der Stärke des Magnetflusses ab, ggf. tritt Sättigung auf.
• Magnetostriktion (Deformation magnetischer Materialien durch ein Magnetfeld) sorgt für eine geringe Änderung der Kerngröße

Die Verluste aufgrund der Widerstände der Wicklungen nennt man Kupferverluste, die anderen Verluste werden unter dem Begriff Eisenverluste zusammengefasst:

• Die Kupferverluste hängen von der Belastung des Transformators ab. Sie sind proportional zum Quadrat der Ströme in den Wicklungen
• Die Eisenverluste sind unabhängig von der Belastung, aber etwa proportional zum Quadrat der magnetischen Flußdichte im Kern
  • Die Hystereseverluste sind zudem proportional zur Frequenz
  • die Wirbelstromverluste sind zudem proportional zum Quadrat der Frequenz
• Streuflüsse bewirken, dass die Sekundärspannung etwas geringer als erwartet ist
• Die Sättigung begrenzt die mögliche Betriebsfrequenz nach unten oder, bei gegebener Frequenz und Windungszahl, die mögliche Primärspannung nach oben. Wird Sättigung erreicht, fließen primärseitig hohe Ströme, während sekundärseitig nur eine geringe Spannung anliegt. Beim Einschalten des Transformators verursacht die Sättigungsmagnetisierung zudem einen Einschaltstrom, der kurzfristig ein Vielfaches des Nennstromes betragen kann.
• Die Magnetostriktion führt bei Netzfrequenz-Transformatoren zum typischen Netzbrummen

Kennwerte

• Der Kurzschlußstrom fließt bei primärseitiger Nennspannung und sekundärseitigem Kurzschluß. Er ist um so höher, je kleiner die Kurzschlußspannung ist. Er ist viel höher als der Nennstrom und kann einen Transformator in kurzer Zeit zerstören. Für Transformatoren mit kleiner Kurschlußspannung sind Kurzschlüsse gefährlich. Als kurzschlußfest werden Transformatoren bezeichnet, die im Kurzschlußfall nicht zerstört werden.

• Bei einem Kurzschluß auf der Sekundärseite wird primärseitig auf den Strom bei Nennlast geregelt. Dazu muß die Primärspannung reduziert werden; die so eingestellte Primärspannung heißt Kurzschlußspannung. Sie hängt hauptsächlich von der Konstruktion des Kerns ab. Sie wird nicht absolut, sondern als prozentuales Verhältnis zur Nennspannung angegeben. Bei Transformatoren mit hoher Nennleistung liegt sie bei <10 %, bei Kleintransformatoren etwa bei 15...40 % und bei Schweißtransformatoren bei fast 100 %.

• Der Wirkungsgrad ist das tatsächliche Verhältnis der primär- und sekundärseitigen elektrischen Leistung eines realen Transformators. Wegen der Verluste liegt er unter 1 (100 %). Transformatoren mit einer hohen Nennleistung (z.B. 1000 kVA) haben oft Wirkungsgrade von über 99 %, während er bei Kleintransformatoren oft unter 80 % liegt. Prinzipbedingt sind dabei kleinere Transformatoren schlechter.

• Die Leerlaufspannung liegt um einen gewissen Faktor (z.B. 1.1) höher als die Nennspannung. Erst bei Nennlast sinkt die Spannung auf den nominellen Wert. Entsprechend dem schlechten Wirkungsgrad ist der Unterschied bei kleineren Transformatoren größer.

• Die Nennleistung wird in VA angegeben um zu zeigen, dass nicht die Wirkleistung, sondern die Scheinleistung entscheidend ist. Begrenzend wirken die Verluste im Kupfer, die vom Effektivwert des Stromes abhängen. Kurzzeitig kann auch wesentlich mehr als der Nennstrom entnommen werden.

Aufbau und Bauformen

Material

Als Leitermaterial für die Wicklungen wird meist massiver Kupferdraht verwendet, aber auch Litze kommt zum Einsatz. Bei Groß- sowie billigen Schweiss-Transformatoren wird häufig auch Aluminium als Wicklungsmaterial eingesetzt. Zur Isolierung hat der Draht eine Lackierung (Kupferlackdraht).

Um die Spannung zwischen den einzelnen Windungen zu begrenzen, werden entweder einzelne Lagen der Wicklung gegeneinander isoliert, der Draht beim Wickeln in mehrere Kammern verlegt oder spezielle, einseitig isolierte Leitfolien verwendet.

Ziel dieser Konstruktionen ist es, den Trafo so klein wie möglich zu bauen; also möglichst viel Kupfer im durch den Kern vorgegebenen Wickelquerschnitt unterzubringen.

Der Kern eines Transformators besteht üblicherweise aus Eisen oder aus Ferriten. Der Querschnitt des Kerns wird dabei so gewählt, daß die Flußdichte nahe an die magnetische Sättigung herankommt. Wird die Feldstärke sehr hoch gewählt, steigt der Leerlaufstrom, das Brummen durch Magnetstricktion nimmt zu, und der Einschaltstrom wird höher.

Für Netzfrequenz-Transformatoren verwendet man überwiegend sogenanntes Dynamoblech aus einer Eisen-Silizium-Legierung, bei Signalübertragern werden auch Eisen-Nickel-Legierungen eingesetz.

Der Kern wird aus einzelnen Blechen aufgebaut. Je höher die Frequenz, desto dünner müssen die Bleche sein. Diese Bleche liegen senkrecht zur Richtung des magnetischen Flusses, dadurch werden Wirbelstromverluste reduziert. Zwischen den Blechschichten liegen isolierende Zwischenschichten, eine Beschädigung dieser Isolierung kann bei großen Transformatoren zu einer erheblichen lokalen Erwärmung führen.

Ab Frequenzen im Kilohertzbereich werden die Wirbelstromverluste auch bei sehr dünnen Blechen aus Eisen zu groß. Dann verwendet man isolierende Ferritkerne mit hohe Permeabilität, aber nur geringer Sättigungsfeldstärke. Für Transformatoren werden weichmagnetische Ferrite verwendet.

Zur Herstellung von Ferritkernen wird das pulverförmige Ausgangsmaterial in eine Form gegeben und gesintert (unter Wärmezufuhr gepreßt). Dabei ergeben sich auch andere Gestaltungsmöglichkeiten für den Spulenkörper.

Transformatoren ohne magnetischen Kern bezeichnet man als Lufttransformatoren.

Luftspalt

Manche Transformatoren müssen eine besonders lineare Strom-Spannungs-Kennlinie besitzen oder magnetische Energie zwischenspeichern können. Dies kann man durch einen Luftspalt im Trafokern erreichen, in dem ein wesentlicher Teil der magnetischen Feldenergie gespeichert wird.

Luftspalte werden bei Gleichstrom-Anteilen im Primärstrom (Ausgangsübertrager) und bei Sperrwandlern benötigt. In einfachen Schweißgeräten erfüllen sie auch diese Funktion, dort wirkt der Schweißlichtbogen als Gleichrichter.

Anzapfungen

Die Primärwicklung kann mehrere Anzapfungen aufweisen. Ein solcher Transformator ist dann für unterschiedliche Primärspannungen ausgelegt, wobei aber immer die gleiche Ausgangsspannungen erreicht werden soll.

Ein Transformator z.B., der für den amerikanischen als auch den europäischen Markt gedacht ist, kann mit einer Anzapfung der Primärwicklung sowie einem Umschalter versehen sein. Oft werden hierzu jedoch zwei Wicklungen aufgebracht, die entweder parallel oder in Reihe geschaltet werden.

Die Sekundärwicklung besitzt Anzapfungen, um den Transformator an unterschiedliche Belastungen anzupassen oder aus einer Eingangs- mehrere Ausgangsspannungen zu erzeugen. Die Anzapfungen können unter Last mit speziellen Lastschaltern frei gewählt werden, beispielsweise bei elektrischen Lichtbogenöfen oder Bahnfahrzeugen.

Wird die Sekundärseite nach der Hälfte der Windungen angezapft, so wird dies als Mitten- oder Mittelanzapfung bezeichnet. So stehen drei Spannungen im Verhältnis 1:1:2 zur Verfügung.

Ringkerne

Mit einem Ringkern sind Transformatoren mit vergleichsweise hohem Wirkungsgrad und kleiner Baugröße möglich. Dafür ist die Herstellung (insbesondere das Wickeln der Spule) aufwändiger. Die Kernverluste sind wesentlich geringer als die von Transformatoren mit gestapelten Kernen.

Gestapelte Blechkerne

Es sind folgende Bauformen üblich:

• EI-Kern: Für einen Luftspalt gleichsinnig, ansonsten wechselsinnig geschichtete Stapel aus Blechen in E- und I-Form; die Außenschenkel der E-Bleche sind halb so breit wie der Mittelschenkel. Bei gleichsinniger Montage ist der Luftspalt durch Zwischenlagen variierbar.
• M-Kern: Blechform in der Form eines unten geschlossenen M, der Mittelteil ist am Ende unterbrochen, um die Bleche stapeln zu können. Der Mittelschenkel ist doppelt so breit wie die Außenschenkel. M-Kerne und -Bleche können einen Luftspalt aufweisen.
• UI-Kern: wechselseitig gestapelte Bleche in der Form eines U und eines I.
• LL-Kern: zwei L-förmige Bleche werden umgekehrt gegeneinander gelegt und wechselseitig gestapelt. LL-Kerne können eine Jochverstärkung aus rechteckigen Blechen besitzen.

Lufttransformatoren

Lufttransformatoren verfälschen die Signalform beim Übergang von der Primär- auf die Sekundärseite nicht, andererseits sind sie nur bei hohen Frequenzen sinnvoll einsetzbar und können nicht so viel Leistung übertragen wie Transformatoren mit Kern. Sie werden daher hauptsächlich bei Signalübertragern eingesetzt

Stelltransformatoren

Stelltransformatoren besitzen einen beweglicher Gleitkontakt, über den jede einzelne Windung der Ausgangswicklung kontaktiert werden kann. Dadurch ist eine fast stufenlose Einstellung der Ausgangsspannung möglich.

Sonderformen

• Bei Drehstromtransformatoren sind für die drei Spulensätze die Kernbleche entweder rechteckig, auf spezielle Maße zugeschnitten und ineinander geschachtelt; oder sie bestehen aus E-förmigen Blechen gleicher Schenkelbreiten sowie zugehörigen, die E-Enden überbrückenden I-Blechen.
• Streufeldtrafo: Durch ein Joch mit Luftspalt (s.o.) erreicht man bei Schweiß- und Streutransformatoren (für Leuchtstoffröhren) eine Strombegrenzung. Solche Transformatoren sind kurzschlußfest und besitzen oft eine mechanische Verstellmöglichkeit des Luftspalts, um den Strom einstellen zu können. Luftspalte vergrößern in der Nähe des Spaltes den Streufluß, der zu Verlusten und Störungen führt. Auch in der Umgebung besitzen solche Transformatoren einen erhöhten Streufluß, da ein größerer Anteil des magnetischen Feldes außerhalb des Kernes liegt.
• Entmagnetisierung bei Durchflußwandler-Trafos
• Speichertrafo im Sperrwandler
• t.b.c...

Verwendung

Das Hauptanwendungsgebiet von Transformatoren ist die Anpassung von Wechselspannungen an die geforderten Bedingungen: Für die Stromversorgung sind sie unverzichtbar, da elektrische Energie wirtschaftlich sinnvoll nur mittels Hochspannung über weite Entfernungen transportiert werden kann; der Betrieb von Elektrogeräten ist aber nur mit Niederspannung praktikabel. Transformatoren befinden sich daher in nahezu allen Elektrogeräten, bei denen die Betriebsspannung von der Netzspannung verschieden ist.

In der Signalverarbeitung und der Tontechnik kommen spezielle Transformatoren zum Einsatz, die nicht auf verlustarme Übertragung, sondern auf möglichst ungestörte Signalweitergabe optimiert werden.

t.b.c...

Anmerkungen

Der Autor möchte hier weder die an anderen Stellen zu findenden Formelsammlungen wiedergeben, noch mit diesem Artikel ein Fachbuch ersetzten. Einzig die Grundlagen, die (aus eigener Erfahrung) für einen Hobby-Bastler von Interesse sind, sollen hier dargestellt werden.

Weblinks

Autor

--Williwilli 08:00, 27. Okt 2009 (CET)