Transformator

Ein Transformator (kurz: Trafo) ist eine elektrische Maschine ohne bewegte Teile, die gewöhnlich aus einer oder mehreren Drahtspulen auf einem ggf. gemeinsamen Eisenkern besteht. Mit Hilfe von Transformatoren lassen sich elektrische Wechselspannungen herauf- oder herunter transformieren, das heißt erhöhen oder verringern, und damit den technischen Erfordernissen des Gebrauchs anpassen.

Erst der Einsatz von Transformatoren machte in Verbindung mit dem Wechselstrom die weite Verbreitung der Anwendung von Elektrizität möglich, weil nur Hochspannungsleitungen den Transport des elektrischen Stroms über große Entfernungen ohne allzu große Energieverluste ermöglichen, Hochspannung aber für den Einsatz im Haushalt ungeeignet ist und dazu verringert werden muss.

Während der Begriff Transformator eher aus dem Bereich Energietechnik kommt, heißt das funktionsgleiche Bauteil in der Nachrichtentechnik Übertrager.

Physikalische Grundbedingungen

Für die Wirkweise eines Transformators sind zwei physikalische Erscheinungen wesentlich:

Eine von elektrischem Strom durchflossene Spule erzeugt ein Magnetfeld (Elektromagnetismus)
Wenn sich (von außen bewirkt) das Magnetfeld in einer Spule ändert, wird in ihr eine Spannung induziert.

Daraus folgert, daß eine von einem veränderlichen Strom durchflossene Spule in einer anderen Spule eine elektrische Spannung entstehen lassen kann. Zum Betrieb eines Transformators ist daher eine in stetem Wechsel veränderliche Spannung nötig. Meist wird Wechselspannung, vielfach auch getakteter bzw. "zerhackter" Gleichstrom (bei Schaltnetzteilen) verwendet.

Die maximale Höhe der induzierten Spannung hängt neben der Eingangspannung von der Windungszahl der Spulen ab, die maximale Höhe des Stromes von der baulichen Konfigurierung (Größe) und von Materialeigenschaften vor allem des Eisenkerns (Ferromagnetismus).

Praktische Ausführung

Anordnung als Spulen

Die simple Ausführung eines Transformators aus ausgestreckt nebeneinanderliegenden Leitern beinhaltet, dass ein großer Teil des Magnetfeldes als wirkungsloses Streufeld in der Umgebung entsteht. Dieses Streufeld enthält einen großen Teil der aufgewendeten Leistung, die dann nicht für den eigentlichen Übertragungsvorgang zur Verfügung steht.

Daher werden die Leiter in Form von Spulen angelegt. Um den Verlust durch Streufelder möglichst klein zu halten, werden auch die Primärspulen und Sekundärspulen möglichst klein und eng ineinandergeschachtelt. Eine Nebenbedingung ist hierbei, dass die Leiter und auch die Spulen als Ganzes gegeneinander elektrisch isoliert sind, wozu meist lackierte Drähte und die nachfolgende Lack- oder Gießharztränkung im Vakuum angewendet werden. Der Spulenkörper ist ein aus nichtmagnetischem Material, meist aus Kunststoff bestehendes Formteil, welches die Wicklungen aufnimmt, ihnen mechanische Stabilität gibt und nötigenfalls auch voneinander isoliert.

Die Spule, die vom Eingangsstrom gespeist wird, wird „Primärspule“ genannt, die Spule, in der die Spannung induziert wird, wird „Sekundärspule“ genannt. Die Höhe der Spannungen an den beiden Spulen entspricht in der Theorie exakt dem Verhältnis ihrer Windungszahlen (in der Praxis ist die Spannung an der Sekundärspule wegen Verlusten kleiner als in der Theorie).
Beispiel: Ein Transformator mit 1000 Windungen auf der Primärwicklung, 100 Windungen auf der Sekundärwicklung und 220 Volt Primärspannung erzeugt in der Sekundärwicklung eine Leerlaufspannung von 22 Volt. Diese Spannungen entstehen im Leerlauf-Betrieb des Transformators. Die tatsächlich nutzbare Betriebs- oder Nennspannung ist jedoch um die internen Verluste des Transformators gemindert.

Lufttransformator bzw. eisenloser Transformator

Die kernlose Ausführung wird „Lufttransformator“ genannt und ist nicht besonders effizient. Sie hat aber den Vorteil, in der Sekundärspule eine Spannung mit exakter Nachbildung der zeitlichen Veränderung des Primärstroms zu liefern, auch wenn der Primärwechselstrom relativ hohe Frequenzen enthält. Diese Erscheinung kommt besonders dann zum Tragen, wenn die die Frequenzanteile) des Stromes sich über eine große Bandbreite erstrecken. Daher wird für manche Zwecke der Lufttransformator als Übertrager verwendet.

Eisenkerntransformator

Öltransformator ohne Gehäuse

Das von einem stromdurchflossen Leiter in Luft oder im Vakuum erzeugte Magnetfeld hat eine relativ geringe Stärke. Es ist jedoch möglich, die Magnetfeldstärke erheblich zu steigern, indem die Spulen mit einem Kern aus ferromagnetischem Material, z.B. Eisen ausgestattet werden. Der Begriff Eisen steht in der Praxis überwiegend für Eisenlegierungen wie z.B. Silizium-Eisen. Die Steigerung der Magnetfeldstärke beruht darauf, daß im ferromagnetischen Material bei einem von außen angelegten Magnetfeld die ansonsten regellos angeordneten magnetischen Kristallbereiche (Weißsche Bezirke) in eine gemeinsame Richtung ausgerichtet werden und so die Magnetfeldstärke um ein Vielfaches potenzieren.

Für die Energieversorgung und Energieübertragung verwendete Transformatoren haben daher immer einen Eisenkern. Der Eisen-Kern befindet sich nicht nur im Innenraum der Transformatorspulen sondern wird in gleicher Stärke auch in einem geschlossenen Ring außen um die Spulen herumgeführt. Dies dient dazu, das energieaufwendig erzeugte Magnetfeld möglichst eng und verlustfrei an die Spulen zu binden, um eine möglichst hohe Induktionswirkung zu erzeugen.

Leistungstransformatoren haben durchweg Kerne, die aus elektrisch isolierten, aufeinandergelegten und fixierten Eisenblechen bestehen, sogenanntem Elektroblechen. Diese aufwendige Konstruktionsweise ist erforderlich, weil unter dem Einfluß des Magnetfeldes im Eisen als leitendem Material genauso wie in der Sekundärspule Spannungen induziert werden, die im Vollmaterial zu ungeordneten Wirbelströmen führen. Diese Wirbelströme wirken mit ihrer Induktion ihrerseits wieder gegen die Primärspannung und erzeugen damit Verluste. Diese werden klein gehalten, indem sie durch die Ausrichtung der isolierten Bleche in eine weitgehend unschädliche Richtung, der dünnen Seite der Bleche gedrängt werden. Eine Beschädigung der Isolierung der einzelnen Blechpakete kann zu einer erheblichen lokalen Erwärmung des Paketes führen. Der Eisenkern führt auch zu "Ummagnetisierungsverlusten", die durch die fortwährende Umpolung der magnetischen Domänen (Weißsche Bezirke) entstehen und auch bei Leerlauf auftreten. Silizium-Eisen-Legierungen mit spezieller Textur haben bei Blechdicken von ca. 0,2-0,3 mm bei 50 Hz Verluste von ca. 0,5 - 1 W/kg je nach der Stärke des Magnetfelds, das durch die Spulen induziert wird.

Das Magnetisierungsverhalten des Eisens ist zunächst weitgehend linear, was von besonderer Bedeutung für die betriebstechnische Brauchbarkeit des transformierten Stromes ist. Durch das lineare Verhalten kann nämlich der sinusförmige Wechselstrom, dessen Form für viele Antriebe und Steuerungen die Basisvoraussetzung ist, bei der Transformation weitgehend exakt nachgebildet werden. Eisen hat allerdings auch eine Grenze für diese Linearität, die dann erreicht wird, wenn alle Weißsche Bezirke seiner Struktur einheitlich ausgerichtet sind. In diesem "Sättigungszustand" kann das Eisen keine weitere Verstärkung des Magnetismus bewirken. Bei der Konstruktion des Transformators muss daher der Kern möglichst exakt so bemessen werden, daß das Eisen sich auch bei größter Transfomatorleistung noch im linearen Bereich seiner Hysterese-Kennlinie befindet. Die Hysterese-Kennlinie bildet ab, in welchem Maß die Magnetfeldstärke durch ein von Außen wirkendes Erregermagnetfeld gesteigert wird und in welcherm Maß das bei Abnahme des Erregerfeldes wieder zurückgeht.

Für kleinere Transformatoren und für höhere Frequenzen werden für die Kerne statt Eisen auch andere weichmagnetische Werkstoffe wie z.B. Ferrite verwendet.

kleine Ringkern-Transformatoren

HF-Kleintrafo in einer Energiesparlampe

Transformatoren mit Ringkernen haben einen besonders hohen Wirkungsgrad, da wegen der geschlossenen Ringkernform nur geringe Streufeld-Verluste entstehen. Ringkerne werden auch für Transformatoren zur Spannungsregelung verwendet, wobei ein mittig angeordneter Schleifer jede einzelne Spulenwindung kontaktieren kann (Stelltransformator). An den Windungen der Spule ist für den Schleifer an einer Außenseite die Lack-Isolation der Lackdrähte abgeschliffen.
Trotz ihrer Vorteile kommen Ringkerntransformatoren eher selten zum Einsatz, weil u.a. die Bewicklung eines geschlossenen Ringkerns aufwändiger ist und dies mit steigender Größe des Ringkerns überproportional zunimmt. Auch der Ringkern kann aus einzelnen Blechlagen bestehen, die ringförmig aufgewickelt sind.

Bei der Auslegung des Eisenkerns und der Windungszahl n sind folgende Zusammenhänge unter bestimmten Randbedingungen (sinusförmige Spannungsform, homogener luftspaltloser magnetischer Kreis) gültig:

(1)

n={\frac {50*45*U}{f*AFe*\Delta B}}

mit

n: Windungszahl
$\Delta B$ als Induktionsamplitude (Flußdichteänderung) in Tesla
U: Effektivwert der Spannung in Volt
AFe: magnetischer Kernquerschnitt in cm²
f: Frequenz in Hz.

Die maximale Flußdichte liegt bei Eisen unter 2 T. Für Ringkern-Materialien geht man von einer Sättigung bei ca. 0,6 T aus. Mit Zunahme der Frequenz sinkt die Zahl der erforderlichen Trafowicklungen und die Baugröße, weshalb sich HF-Trafos trotz hoher übertragbarer Leistung sehr kompakt bauen lassen. Das Foto der Starterelektronik einer Energiesparlampe oben rechts zeigt einen Ferritkern mit nur 3 bzw. 5 Transformatorwicklungen. Dieser Umstand wird allgemein bei Schaltnetzteilen ausgenutzt.

Drehstromtransformatoren

Dreiphasenwechselspannung lässt sich mit drei gleichen Einphasentransformatoren übertragen. Diese Zusammenschaltung von Einphasentransformatoren nennt man Drehstrombank und ist angebracht, wenn die Transportkosten für einen Großtransport unwirtschaftlicher ist als drei Einzeltransporte. Allerdings müssen bei einer Drehstrombank die Stufenschalter und viele Meldeeinrichtungen dabei drei mal vorhanden sein, so dass diese Anordnung doch recht selten treffen wird. Unabhängig davon ist es notwendig, dass die Ein- und Ausgänge der Primär und Sekundärwicklungen in Dreieck- oder Sternschaltung miteinander verbunden werden. Drehstromtransformatoren werden mit Nennleistungen von 10 kVA bis 1000 MVA gebaut.

Die drei Eisenkerne einer Transformatorengruppe für Drehstrom kann man sich sternförmig aufgebaut vorstellen. In diesen sind 3 magnetische Flüsse wirksam, die sich gemäß der jeweils zugeordneten Wechselstromphase verändern. Der Phasenwinkel zwischen den drei einzelnen Wechselströmen beträgt jeweils ±120°.

Die Kurzschlussspannung von Drehstromtransformatoren soll möglichst klein sei. Die Kurzschlussspannung ist diejenige Spannung an der Primärspule, die man für Testzwecke anlegt, damit in der kurzgeschlossenen Sekundärpule genau der spezifizierte maximale Nennstrom fließt; sie ist ein Maß für die Veluste des Transformators. Deshalb liegen die Ober- und Unterspannungswicklung auf jedem Schenkel des Dreischenkelkerns übereinander. Die Gefahr eines Durchschlags bei Hochspannungstransformatoren wird dadurch vermindert, dass sich die Unterspannungswicklung am geerdeten Kern befindet und darüber die Oberspannungswicklung.

Die Übersetzungsformel ü = N1 / N2 gilt für Drehstromtransformatoren nur bei gleicher Schaltung von Ober- und Unterspannungsseite.

Die drei Phasenleiter der elektrischen Spannung werden üblicherweise in Europa mit den Buchstaben "L1", "L2" und "L3" bezeichnet (früher als "R", "S" und "T"), die drei Wicklungsstränge von Drehstrommotoren und -transformatoren mit "U", "V" und "W". Die Wicklungsbezeichnungen an einem Transformator mit je drei Primär- und Sekundärspulen sind dann:

Eingangswicklungen: 1U1:1U2 ; 1V1:1V2 ; 1W1:1W2
Ausgangswicklungen: 2U2:2U1 ; 2V2:2V1 ; 2W2:2W1

Auslegung der Spulenwicklungen

Wie schon oben gesagt, ist die Ausgangsspannung der Transformator-Sekundärspule theoretisch exakt so groß, wie es das Wicklungsverhältnis und die Primärspannung vorgeben nach der Formel

{\frac {U_{1}}{U_{2}}}={\frac {n_{1}}{n_{2}}}

mit

$U_{1}$ und $U_{2}$ als Primär- und Sekundärspannung sowie
n₁ und n₂ als Primär- und Sekundärwindungszahl.

Dies gilt jedoch nur für den Leerlauf bzw. den unbelasteten Zustand. Sobald in der Sekundärspule ein Strom zu einem äußeren Verbraucher fließt, teilt sich die vorhandenen Leerlaufspannung auf die inneren elektrischen Widerstände des Transformators und des Verbrauchers auf. Wenn also eine bestimmte Spannung bei einer bestimmten Leistung entnommen werden soll, muss die Windungszahl der Sekundärspule für eine entsprechend höhere Leerlaufspannung ausgelegt werden. Die Spannung, die der Spule bei Nennleistung entnommen werden kann, wird „Nennspannung“ genannt. Die Nennleistung ist die für den regulären Dauerbetrieb vorgesehene Abgabeleistung auf der Sekundärseite. Rechnerisch kann stattdessen auch mit dem Nennstrom gearbeitet werden.

Beispiel: Für einen Transformatortyp ist von der Größe und vom Material her ein Leistungsverlust bei der Übertragung von 10 % bekannt. Bei der vorgesehenen Nennleistung soll die Sekundärspule genau 240 Volt abgeben. Die Windungszahl wird daher für eine Leerlaufspannung von

${\frac {240\ \mathrm {V} }{1-0{,}1}}=266{,}7\ \mathrm {V}$ ausgelegt.

Bei Nennleistung liefert die Sekundärspule dann

266{,}7\ \mathrm {V} -26{,}67\ \mathrm {V} =240{,}03\ \mathrm {V}

Spannung.

Ein Transformator kann statt einer einzelnen auch mehrere getrennte Sekundärwicklungen für unterschiedliche Spannungen oder für getrennte Stromkreise haben. Die Sekundärwicklungen können statt einer auch mehrere Ausgangsanzapfungen haben: so kann man auch mit einem Trafo, der nur eine Sekundärwicklung besitzt, mehrere unterschiedlich hohe Sekundärspannungen erhalten. Die Primärwicklungen können ebenfalls mehrere Anzapfungen haben; dann ist ein solcher Trafo für unterschiedlich hohe Primärspannungen geeignet, bei denen trotzdem auf identische Ausgangsspannungen transformiert wird - Beispiel ist ein Gerät, das sowohl für den amerikanischen Markt (110 Volt) als auch den europäischen Markt (230 Volt) vorgesehen ist.

Werden Primär- und Sekundärwicklung zusammengelegt, um Wickelmaterial und damit auch Gewicht einzusparen, so spricht man von einem Spartransformator. Dessen Wicklung hat immer eine Anzapfung, um eine Spannungsumsetzung zu ermöglichen. Zum Hochtransformieren wird die kleinere Wechselspannung an der Teilwicklung angelegt, die höhere Aussgangsspannung an der Gesamtwicklung abgenommen, zur Heruntertransformation wird umgekehrt verfahren. Bei einem Spartransformator besteht keine Potenzialtrennung zwischen Ein- und Ausgang.

Allerdings reichen die hier aufgeführten Formeln nicht zum Bau eines Transformators aus, da der Eisenkern nur eine begrenzte magnetische Flussdichte leiten kann und daher nur ein bestimmtes Verhältnis der Windungszahlen zulässig ist.

Idealer Transformator

Ein idealer Transformator hätte keine Übertragungsverluste. Der ideale Transformator ist eine theoretische Sonderform des realen Transformators und zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:

die Permeabilität des Magnetwerkstoffes (die Fähigkeit, das durch eine Spule indizierte Magnetfeld zu führen) geht gegen Unendlich $\rightarrow$ kein Streufeld
die elektrische Leitfähigkeit des Magnetwerkstoffes geht gegen Null $\rightarrow$ keine Wirbelströme
der Magnetwerkstoff hat keine Ummagnetisierungsverluste (Fläche der Hystereseschleife des Magnetwerkstoffes geht gegen Null)
die Permeabilität der Luft geht gegen Null $\rightarrow$ kein Streufeld
die elektrische Leitfähigkeit der Wicklungen geht gegen Unendlich $\rightarrow$ keine Wicklungsverluste

Daraus ergibt sich das Durchflutungsgleichgewicht des idealen Transformators:

I_{1}n_{1}+I_{2}n_{2}=0

Realer Transformator

Ein realer Transformator hat demgegenüber Übertragungsverluste durch den ohmschen Widerstand der Wicklung, durch Wirbelstrombildung im Kern, Ummagnetisierungsverluste und durch andere Effekte. Bei großen Transformatoren muss die Verlustleistung gegebenenfalls durch geeignete Kühlung abgeführt werden. Bei starker Überlastung kann sich ein Transformator überhitzen und "durchbrennen".

Ersatzschaltbild eines realen Transformators (T-Ersatzschaltung)

L_H berücksichtigt den Magnetisierungsstrom im Leerlauf
R_Fe berücksichtigt die Hysterese- und Wirbelstromverluste (R_Fe → ∞)
R₁ und R₂ repräsentieren die Stromwärmeverluste (niederohmig)
L_σ1,2 ... Streuinduktivitäten

Hystereseverluste und Wirbelstromverluste sind im Eisen begründet und werden deshalb als Eisenverluste bezeichnet. Die Stromwärmeverluste sind den Kupferverlusten zuzuordnen, und die Streuverluste ergeben sich aus den Streuflüssen.

Die gestrichenen Größen im Ersatzschaltbild müssen entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Transformators (also dem Wicklungsverhältnis der beiden Spulen) umgerechnet werden:

L'_{\sigma 2}=L_{\sigma 2}\left({\frac {N_{1}}{N_{2}}}\right)^{2}

,

R'_{2}=R_{2}\left({\frac {N_{1}}{N_{2}}}\right)^{2}

,

Z'=Z\left({\frac {N_{1}}{N_{2}}}\right)^{2}

U'_{2}=U_{2}\left({\frac {N_{1}}{N_{2}}}\right)

,

I'_{2}=I_{2}\left({\frac {N_{1}}{N_{2}}}\right)

mit N_1,2 ... Wicklungszahlen der Primär- / Sekundärwicklung

Betriebszustände

Leerlauf bzw. „Unbelasteter Transformator“

Wenn bei angelegter elektrischer Spannung an der Primärspule kein Strom aus der Sekundärspule des Transformators entnommen wird, wird dies als „Leerlauf“ oder „unbelasteter Betrieb“ bezeichnet. In diesem Zustand verhalten sich die eingegebene Primärspannung und die an der Sekundärspule messbare Sekundärspannung näherungsweise wie die Windungszahlen, weil die sekundären Kupferverluste Null sind:

{\frac {U_{1}}{U_{2}}}={\frac {n_{1}}{n_{2}}}

Dabei sind $U_{1}$ und $U_{2}$ die Primär- und Sekundärspannung sowie n₁ und n₂ die Primär- und Sekundärwindungszahl.

Ansonsten verhält sich der Transformator im Leerlauf exakt wie eine Induktivität, es ist dabei belanglos, ob eine Sekundärspule vorhanden ist oder wie sie ausgeführt ist.

Belasteter Transformator

Ist der Transformator sekundärseitig belastet, so bewirkt der Sekundärstrom im Eisen ein zusätzliches magnetisches Wechselfeld. Nach dem Gesetz von Lenz muss die durch den Sekundärstrom verursachte Magnetfeldänderung derjenigen die durch den Primärstrom verursacht wird, entgegengerichtet sein. Die effektive Magnetfeldänderung ist bei Belastung somit in der Primärspule geringer als im unbelasteten Fall. Dadurch ist auch U ip kleiner und somit die effektive Spannung im Primärkreis größer. Als Folge davon wächst der Primärstrom.

Für einen idealen (verlustfreien) Transformator gilt dann:

S_{1}=S_{2}

Da die elektrische Scheinleistung S das Produkt aus Spannung U und Stromstärke I ist,

S=U\cdot I

folgt:

U_{1}I_{1}=U_{2}I_{2}

Da nun die Spannungen sich wie die Windungszahlen verhalten, verhalten sich dann die Ströme umgekehrt wie die Windungszahlen:

{\frac {I_{1}}{I_{2}}}=-{\frac {n_{2}}{n_{1}}}

Nennlast-Betrieb

Wenn an der Sekundärwicklung des Transformators die maximal zugelassene bzw. als „Nennleistung“ bezeichnete Leistung entnommen wird, wird dies als „Nennlast-Betrieb“ bezeichnet. In diesem Fall liegt an der Sekundärspule die „Nennspannung“ an. Die Nennspannung ergibt sich aus der „Leerlaufspannung“ abzüglich der Spannung, die an den inneren Widerständen des Transformators „abfällt“, bzw. aufgebracht werden muss, um den Strom durch die Innenwiderstände zu treiben. Es ist_:

U_{n}=U_{o}-U_{i}

mit

U_{n}

als Nennspannung,

U_{o}

als Leerlaufspannung

U_{i}

Spannung am Innenwiderstand der Sekundärwicklung

Lastbetrieb allgemein

Bei Lastbetrieb wird das Übersetzungsverhältnis vom Leerlauf nicht mehr exakt eingehalten. Gründe sind :

die magnetische Streuung ist verschieden, Kopplungsfaktur < 1
die Spannungsverteilung über die Wicklung und den Verbraucher verschiebt sich.

Der durch die äußere Belastung fließende Strom in der Ausgangswicklung erzeugt einen entgegengesetzten magnetischen Fluss, dadurch wird das Magnetfeld der Eingangswicklung geschwächt. Die Eingangswicklung bekommt dadurch einen geringeren induktiven Widerstand, was wiederum zu einer erhöhten Stromaufnahme führt. Der entgegengesetzt gerichtete magnetischen Flusses bewirkt auch, dass der magnetische Fluss der Eingangswicklung als nicht nutzbarer "Streufluss" teilweise das Eisen verlässt.

Die Höhe der Ausgangsspannung eines Trafos hängt also von Belastung ab, bei hoher Belastung wird sie niedriger ("sie geht in die Knie"). Mathematisch-physikalisch ausgedrückt verteilt sie sich jedoch einfach enstprechend dem Verhältnis der Widerstandswerte von Transformator-Ausgangsspule und des Verbrauchers gemäß dem Ohmschen Gesetz.

U_{G}=U_{S}+U_{A}

wobei $U_{G}$ die Sekundär-Gesamtspannung,
$U_{S}$ die an der Sekundär-Spule anliegende Teilspannung und
$U_{A}$ die am Verbraucher anliegende Ausgangs- oder Arbeitsspannung ist.

Überlast-Betrieb

Wenn an der Sekundärwicklung des Transformators erheblich mehr als die Nennleistung zu entnehmen versucht wird, wird dies als „Überlast-Betrieb“ bezeichnet. Dies führt zum „Zusammenbruch“ der Sekundärspannung, anders ausgedrückt verringert sich diese erheblich. Dafür gibt es zwei Gründe:

Bei zunehmender Stromentnahme nimmt der Außen- bzw. Verbraucherwiderstand erheblich ab, die Sekundär- bzw. Leerlaufspannung verteilt sich auf den Innenwiderstand des Transformators und den Verbraucherwiderstand gemäß dem ohmschen Gesetz :

U=I{\dot {R}}

ohmsches Gesetz

bei Teilwiderständen setzt sich die Spannung zusammen aus

U=I{\dot {R}}_{1}+I{\dot {R}}_{2}......

Wenn R der Gesamtwiderstand, R_i der Transformator-Innenwiderstand und R_v der Verbraucherwiderstand ist, dann ist

U_{o}=I{\dot {R}}_{i}+I{\dot {R}}_{v}

U_{o}=U_{i}+U_{v}

mit

U_{o}

als Leerlaufspannung

U_{v}

als Spannung am Verbraucher

U_{i}

Spannung am Innenwiderstand der Sekundärwicklung

Wird bei unveränderlichem Innenwiderstand der Verbraucherwiderstand immer kleiner, dann verschiebt sich gemäß der Formel die Spannungsverteilung zu einem kleineren Anteil der Verbraucherspannung.

Bei höherer Stromentnahme auf der Sekundärseite wird auch der Strom auf der Primärseite zwangsläufig höher, da wie schon oben gezeigt

P_{1}=P_{2}

und

U_{1}I_{1}=U_{2}I_{2}

ist.

Die Zunahme des Primärstroms führt im Eisenkern zu einer Erhöhung der Erregerfeldstärke, die dann die Magnetisierung des Eisens in den Sättigungsbereich treibt. Dies wiederum führt dazu, dass für eine zusätzliche Belastung keine lineare Steigerung der Magnetfeldstärke vorhanden ist. Bei sinusförmiger Primärspannung wird dann auf der Sekundärseite eine Spannung mit abgeflachter Kurvencharakteristik induziert, der Effektivwert ist geringer.

Aufgrund der erheblichen Wärmeentwicklung bei Überlast-Betrieb droht eine Explosion durch die sich aus der Isolation entwickelnden Gase und Brandentwicklung durch Entzündung.

Anwendungen

Mittelspannung-Trockentransformator

Spannungsanpassung

Die Spannungstransformation wird angewendet, um Spannungen auf den gewünschten Wert umzuformen (zu transformieren). Beispiel: 230 Volt aus dem öffentlichen Stromnetz in 12 Volt für eine Halogenlampe. Bei kleinen und mittleren Leistungen sind häufig die Wicklungen zusammen mit dem Kern in Gießharz zu einem Trockentransformator vergossen.

Energietransport

Zur verlustarmen Energieübertragung in Hochspannungsleitungen werden Spannungen auf hohe Werte transformiert. Dabei wandelt der Maschinentrafo des Kraftwerkes die Generatorspannung (bei großen Kraftwerken etwa 10 kV bis 30 kV) auf die Netzspannung (etwa 110 kV bis 400 kV) um, wodurch der im Fernleitungsnetz fließende Strom geringer wird, da bei der Transformation die übertragene elektrische Leistung näherungsweise konstant bleibt, da in der Regel nur geringe Transformationsverluste vorliegen. Der geringere Strom auf der Hochspannungsseite führt dazu, dass weniger Verlustwärme am ohmschen Widerstand der Leitung entsteht. Auch heben sich bei richtiger Übertragungsspannung induktive und kapazitive Blindleistung auf (Wellenwiderstand Z = (240 ... 300) Ohm). Diese Aussage gilt jedoch nur beim Übertragen der Natürlichen Leistung Pn. Für das Verteilnetz werden die Spannungen wieder auf 10 kV bis 36 kV zurücktransformiert.

400 kVA Leistungstransformator

Zur Abführung der Verlustwärme bei großen Leistungstransformatoren werden diese als Öltransformator in ölgefüllte Behälter eingebaut, die Kühlung durch das Öl gegebenenfalls mit Kühlrippen und Umwälzpumpen forciert siehe auch Bild. Aufgrund der isolierenden Eigenschaften des Öls reicht die Lackisolierung der Kupferleiter je nach Spannung aus, um das das Tränken bzw. den Verguß der Wicklungen mit isolierenden Stoffen entfallen zu lassen. Große Transformatoren hingegen enthalten immer Feststoffisolationskomponenten auf Zellulosebasis. Durch die Alterung des Öls und Wasseraufnahme der Zellulose werden die Isolationseigenschaften mit steigender Betriebszeit allerdings schlechter. In den 70er Jahren bis Anfang der 80er Jahre wurden daher oft die giftigen, jedoch stabileren polychlorierte Biphenyle (PCB) verwendet.

Die Spannungsanpassung bei Netz-Belastungssschwankungen und die Abstimmung beim Parallelschalten großer Leistungstransformatoren geschieht über mit in den Kessel eingebaute Stufenschalter. Zu diesem Zwecke sind die entsprechenden Wicklungen mit Anzapfungen versehen.

Getaktete Netzteile / Schaltnetzteil

An Netzfrequenz mit 50 bzw. 60 Hz arbeitende Netztransformatoren sind relativ groß und schwer. Da die Änderungsgeschwindigkeit der Magnetfeldstärke die in den Wicklungen induzierte Spannung bestimmt, kann ein bei höherer Frequenz betriebener Trafo auch mehr Leistung übertragen:
Mit steigender Frequenz kann die Windungszahl und/oder der Kernquerschnitt (Kernvolumen) abnehmen, ohne dass sich die Spannung verändert (siehe Formel[1]).

Da in Flugzeugen die früher eingesetzten Röhrengeräte (z.B. Bordfunk, Wetter-RADAR, Funk-Höhenmesser) eine Vielzahl verschiedener Spannungen (Heizspannung, Anodenspannungen) erforderten, wurden zur Gewichts-Reduzierung deren Bord-Transformatoren mit einer Frequenz von 400 Hz betrieben.
In ähnlicher Weise werden in neueren Schaltnetzteilen mit Halbleiterschaltern für den Transformator Eingangsspannungn mit Frequenzen bis zu 100 kHz) erzeugt. Damit können erheblich kleinere Netzteil-Versorgungen gebaut werden.

Die Transformatorkerne müssen hierbei aufgrund der Hysterese- und Wirbelstromverluste aus Ferrit (ferromagnetische Keramik) gefertigt werden. Die schnellen Strom- und Spannungsänderungen der Schaltnetzteile führen jedoch zu Hochfrequenz-Störungen, die mit Netzfiltern verringert werden müssen.

Galvanische Trennung

Aus sicherheitstechnischen Gründen (u.a. Blitzschlag) wird ein Anschluss der öffentlichen Stromversorgung auf Erdpotenzial bezogen. Um nun unter allen Umständen (z.B. zwischengeschaltete Kabel) zu verhindern, dass eine frei zugängliche, leitende Stelle des Gerätes Netzpotenzial führt und damit für den Benutzer die maximale Schutzkleinspannung überschritten wird, muss eine galvanische Trennung mit verstärkter Isolation oder eine Schutzerdung leitfähiger berührbarer Teile vorgenommen werden. Transformatoren mit getrennten, voneinander isolierten Wicklungen bieten diese galvanische Trennung. Die sog. "sichere elektrischen Trennung" (Schutzklasse II) ist in Normen (IEC, VDE, UL) definiert und verlangt besonders hohe elektrische Isolationsfestigkeit zwischen Primär- und Sekundärseite. Dafür geeignete Transformatoren haben oft getrennte gekapselte Isolierstoff-Kammern für die Primär- bzw. Netzspannungswicklung.
Aus einem geerdeten Netz kann man mit sog. Trenntransformatoren (Übersetzungsverhältnis 1:1) ein gegen Erde isoliertes Netz schaffen. In Krankenhäusern ist eine solche Netztrennung für viele Geräte gefordert. Bei einem Körperschluß an einem Gerät, das mit Menschen in Kontakt kommt, kann so kein Erdstrom fließen. Vielmehr wird das Netz überwacht und der Fehler kann behoben werden, eine Abschaltung ist nicht nötig.
Reparaturarbeiten an netzbetriebenen Geräten (z.B. Fernseher) müssen ebenfalls an mittels Trenntransformator isolierter Netzspannung stattfinden. Gegen die Berührung der Bildröhren-Anodenpannung von 17...27 kV bieten übliche Trenntransformatoren jedoch keinen Schutz: selbst ohne Berührung kann man bei Annäherung innerhalb der Schlagweite einen Stromschlag erleiden, da die Isolationsfestigkeit eines üblichen Trenntransformators nur etwa 4kV beträgt.

Messwandler

Meßwandler an einer Drehstromleitung

Für die Messung hoher Wechselströme und -spannungen werden Messwandler verwendet, mit denen die Spannung bzw. der Strom auf niedrige und für das Meßgerät konforme Werte heruntertransformiert werden.

Durchsteckwandler bestehen dabei konstruktiv nur aus der Sekundärspule. Die Primärwicklung bildet im Betrieb die durchgesteckte Leitung für die zu messende elektrische Größe. Die durchgesteckte Leitung kann auch mehrmals um den Messwandler geschlungen werden, um den Meßbereich anzupassen gemäß den Formeln

{\frac {I_{1}}{I_{2}}}={\frac {n_{2}}{n_{1}}}

oder ::

{\frac {U_{1}}{U_{2}}}={\frac {n_{1}}{n_{2}}}

Eine spezielle Art eines Meßwandlers stellt der Stromwandler für Energiezähler dar. Dieser Transformator auf Basis von Ringkernen transformiert den zu messenden Primärstrom (N=1) auf die mit einem Last-Widerstand abgeschlossenen Sekundärwicklung und stellt damit eine kleine Meßspannung für die Auswerteelektronik zur Verfügung. Durch die Verwendung spezieller Legierungen für den Kern sind extrem hohe Anfordungen an die Linearität und einen geringen Phasenfehler möglich. Durch die zunehmende weltweite Verdrängung der mechanischen Stromzähler durch elektronischen Varianten werden derartige Ringkern-Stromwandler bereits millionenfach eingesetzt.

Widerstandstransformation

Eine Widerstandstransformation wird angewendet, um Verbraucher und Quellen hinsichtlich ihres Widerstandes oder Wellenwiderstandes anzupassen, zum Beispiel eine Ferritantenne an die Eingangsstufe des Radios oder einen Lautsprecher mit einer Impedanz von 4 Ohm an den Ausgang eines Röhrenverstärkers mit einer Impedanz von 1000 Ohm. Durch die gegenseitige Anpassung an einen etwa gleich großen Wert wird die maximal mögliche Energie übertragen und damit der Wirkungsgrad der gesamten Anlage verbessert.

Für den elektrischen Widerstand R einer Baugruppe gilt das Ohmsche Gesetz

R = U / I .

Wendet man dies auf die Primär- und Sekundärwicklung eines Transformators an, so folgt

R₁ = U₁ / I₁ ,

R₂ = U₂ / I₂ ,

Für das Verhältnis von Primär- und Sekundärwiderstand errechnet sich daher das quadratische Verhältnis der Windungszahlen:

R₁ / R₂ = n₁² / n₂² .

Durch die Umrechnung des Widerstandes kann man beide Widerstände im Längszweig des Ersatzschaltbildes nun von nur einer Seite betrachten (Die Impedanz auf der nicht interessierenden Seite ist nun auf die Bezugsspannunsebene umgerechnet). Durch die Summe erhält man nun die Kurzschlussimpedanz. Alle Leistungs und Kurzschlussberechnungen sind nun auf eine Spannung bezogen.

Oberwellen- und Störunterdrückung

Stromrichtertransformatoren unterdrücken bei spezieller Schaltung (Reihenschaltung von im Stern und in Dreieck geschalteten Sekundärwindungen) alle Oberwellen mit Ausnahme der Ordnung (12 · n + 1) und (12 · n - 1) n = 1, 2, 3, 4... und ermöglichen somit erhebliche Einsparungen beim Aufbau von Oberwellenfiltern. Ihre Anwendung erfolgt hauptsächlich bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung oder in der Galvanik.

Konventionelle Transformatoren mit Gleichrichter sind aufgrund der nicht sinusförmigen Ströme (geringer Stromflusswinkel) bei gleicher Leistung thermisch stärker belastet, was bei der Auslegung berücksichtigt werden muss.

Netztransformatoren haben jedoch aufgrund ihrer Streuinduktivität eine Filterwirkung, die die Ausbreitung von höherfrequenten Störungen aus oder in das Netz verringert.
Bei besonderen Anforderungen (z.B. Netztransformatoren in NF-Verstärkern) wickelt man zwischen Primär- und Sekundärwicklung eine Schirmwicklung: diese ist nur einseitig an Masse angeschlossen und verringert kapazitiv übertragene Störungen aus dem Stromnetz.

Normen und geltende Richtlinien für Transformatoren

Ein Transformator, der mit Spannungen bis 1000 Volt betrieben wird, darf innerhalb der Europäischen Union nur dann in den Handel und in den Betrieb gebracht werden, wenn er entsprechend der europäischen Niederspannungsrichtlinie beschaffen ist. In Deutschland wird dies mit der Anwendung der Ersten Verordnung zum Geräte- und Produktsicherheitsgesetz umgesetzt.

Neben der allgemein für alle elektrische Geräte geltenden Niederspannungsrichtlinie muß ein Transformator in Europa noch mit weiteren spezielleren Regelungen übereinstimmen, speziell der jeweiligen nationalen Fassung der Norm EN 61558 IEC 61558.

Die Übereinstimmung des Transformators mit den europäischen Richtlinien wird mit der CE-Kennzeichnung dokumentiert. Der Transformator kann dann ohne weitere Kontrollen und Prüfungen innerhalb der EU in den Verkehr gebracht werden.

In Teil 1 der EN 61558 IEC 61558 werden allgemeine Anforderungen und Prüfungen beschrieben. Im Teil 2 sind die speziellen Transformatortypen wie z.B. Sicherheitstransformatoren (Teil 2-6) oder Schaltnetzteiltransformatoren (Teil 2-17) jeweils als eigene Norm aufgeführt, die sich jedoch auf Teil 1 für die grundlegenden Anforderungen beziehen.

Deutsche DIN-Fassung der Europäischen Norm EN 61558 IEC 61558 (bzw. die entsprechenden VDE-Richtlinien-Dokumente) für Transformatoren sind:

DIN EN 61558-2-1 (VDE 0570 Teil 2-1) : 1998-07, Sicherheit von Transformatoren, Netzgeräten, Besondere Anforderungen an Netztransformatoren für allgemeine Anwendungen
DIN EN 61558-2-2 (VDE 0570 Teil 2-2) : 1998-10, Besondere Anforderungen an Steuertransformatoren
DIN EN 61558-2-3 (VDE 0570 Teil 2-3) : 2000-09, Besondere Anforderungen an Zündtransformatoren für Gas- und Ölbrenner
DIN EN 61558-2-4 (VDE 0570 Teil 2-4) : 1998-07, Besondere Anforderungen an Trenntransformatoren für allg. Anwendungen
DIN EN 61558-2-6 (VDE 0570 Teil 2-6) : 1998-07, Besondere Anforderungen an Sicherheitstransformatoren für allgemeine Anwendungen
DIN EN 61558-2-13 (VDE 0570 Teil 2-13) : 2000-08, Besondere Anforderungen an Spartransformatoren für allg. Anwendungen
DIN EN 61558-2-15 (VDE 0570 Teil 2-15) : 2001-11, Anforderungen für Trenntransformatoren zur Versorgung medizinischer Räume
DIN EN 61558-2-17 (VDE 0570 Teil 2-17) : 1998-07, Besondere Anforderungen an Transformatoren für Schaltnetzteile
DIN EN 61558-2-19 (VDE 0570 Teil 2-19) : 2001-09, Besondere Anforderungen an Störminderungstransformatoren
DIN EN 61558-2-20 (VDE 0570 Teil 2-20) : 2001-04, Besondere Anforderungen an Kleindrosseln

Siehe auch

Grundlagen

Spezielle Transformatoren

Bestandteile und Zubehör

Literatur

Elektrische Maschinen, B.G. Teubner Verlag 5., korr. Aufl. 2003, ISBN: 3-519-46821-2
Rudolf Janus, Transformatoren, VDE-VERLAG; ISBN 3-8007-1963-0
Helmut Vosen, Kühlung und Belastbarkeit von Transformatoren, VDE-VERLAG; ISBN 3-8007-2225-9
Christ, Motoren, Generatoren, Transformatoren - Arbeitsheft STAM; ISBN 3-8237-3414-8
Rolf Fischer, Elektrische Maschinen, 408 Seiten, Paperback, 12. Auflage, Hanser ISBN 3-446-22693-1

Weblinks

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