Benutzer:Emeko/Spielwiese

Auf meiner Spielwiese möchte ich zuerst eine neue STRUKTUR Erstellen für den Artikel: "Transformator". Ich sehe ein, es müssen weniger Hauptpunkte als jetzt werden. Also mehr Baumstruktur einbauen. In Unterartikeln möchte ich dazu über die Funktionsweise des Transformators verschiedene Texte erstellen, die mit Messkurven untermauert ist.

Alte Struktur des Artikels, vom Stand 12.11.07:

altes Inhaltsverzeichnis [Verbergen] 1 Geschichtliche Anfänge 2 Physikalische Grundlagen 3 Praktische Ausführung 3.1 Schutztransformatoren 3.2 Trenntransformatoren 3.3 Klingeltransformatoren 3.4 Spielzeugtransformatoren 3.5 Anordnung als Spulen 3.6 Lufttransformator bzw. eisenloser Transformator 3.7 Eisenkerntransformator 3.7.1 Ringkerntransformator 3.8 Drehstromtransformatoren 3.9 Auslegung der Spulenwicklungen 3.10 Mittenanzapfung 4 Anwendungen 4.1 Spannungsanpassung 4.2 Energietransport 4.3 Getaktete Netzteile / Schaltnetzteil 4.4 Mittelfrequenz-Transformatoren 4.5 Galvanische Trennung 4.6 Messwandler 4.7 Widerstandstransformation 5 Modellbetrachtungen 5.1 Idealer Transformator (Übertrager) 5.1.1 Definition 5.1.2 Definitionsgleichungen bei komplexer Rechnung 5.1.3 Erläuterung 5.1.4 Energiewandlung 5.1.5 Spannungs- und Stromtransformation 5.1.6 Widerstandstransformation 5.1.7 Beispiele zur Widerstandstransformation und Leistungsanpassung 5.2 Reale Transformatoren 5.2.1 Die physikalische Idee 5.2.2 Der verlustlose Transformator 5.2.3 Der verlustbehaftete Transformator 5.2.4 Der reale Transformator als Bandpass 5.2.5 Der Innenwiderstand eines realen Transformators 5.2.6 Transformatoren mit mehreren Anzapfungen 5.2.7 Verlustursachen und spezielle Effekte 5.2.7.1 Wirbelstromverluste 5.2.7.2 Hystereseverluste 5.2.7.3 Sättigung des Kerns und Clipping 5.2.7.4 Kupferverluste 5.2.7.5 Nachwirkungsverluste 5.2.7.6 Skineffekt und Proximity-Effekt (Nahe-Effekt) 5.3 Betriebszustände 5.3.1 Leerlauf bzw. „Unbelasteter Transformator“ 5.3.2 Kurzschlussbetrieb 5.3.3 Belasteter Transformator 5.3.4 Nennlast-Betrieb 5.3.5 Lastbetrieb allgemein 5.3.6 Überlast und Kurzschlussimpedanz 6 Einschalten von Transformatoren 7 Normen und geltende Richtlinien für Transformatoren 8 Siehe auch 8.1 Spezielle Transformatoren 8.2 Bestandteile und Zubehör 9 Literatur 10 Weblinks

Vorschlag für eine neue Struktur für den Artikel: Transformator.
Erläuterung: Einige, der hier im unten stehenden Artikel Transformator, stehenden Absätze werden noch ausgelagert und zu den zum Teil vorhandenen oder neu zu schaffenden Artikeln verlinkt, sodass im Artikel "Transformator" nur noch das Nötigste steht und die Details woanders stehen. Im Transformator Artikel stehen dann nur noch die Überschriften mit den Verweisen.

• Zum Beispiel für: Messwandler. Die Beschreibung des Spannungswandlers und des Stromwandlers stehen dann unter dem neuen (oder schon vorhandenen Artikel?), Messwandler.

Start des neuen Artikels- Transformator.
Einführung: Ein Transformator (kurz: Trafo) ist eine elektrotechnische Anordnung, bestehend aus mindestens einer Spule mit einer Anzapfung oder mindestens zwei Spulen mit je zwei Anschluessen, welche vor allem dazu dient, elektrische Energie von einem Spannungs-Niveau auf ein anderes elektrisches Spannungsniveau zu übertragen. Das Verhältnis der Spannungshöhen zwischen dem Eingang und Ausgang ist dabei umgekehrt zu dem Verhältnis der dort gemessenen Stromwerte (wenn man die Verluste vernachlässigt). Die Frequenz oder die Leistung wird dabei nicht verändert.

Die Höhe der Wechselspannung mit der die elektrische Energie übertragen wird, kann mit Hilfe von Transformatoren sowohl erhöht als auch verringert und damit den Erfordernissen anpasst werden. Damit wurde bisher die wirtschaftliche Übertragung elektrischer Energie über weite Strecken mit Hochspannungsleitungen möglich. (Hohe Spannung, kleiner Strom, dünnerer Draht, weniger Material, weniger Gewicht, ergibt weniger ohmsche Übertragungsverluste pro Drahtquerschnitt und kVA, als bei Niederspannung.) Neuerdings überträgt man auch Elektrische Energie in Form von hohen Gleichspannungen, weil dabei die kapazitiven Verluste geringer sind, was bei langen Leitungen wichtig ist. Siehe dort:HGÜ.

Ein Transformator besteht mindestens aus einer Spule mit mindestens einer Anzapfung, #Autotrafo oder aus zwei oder mehreren getrennten Spulen, welche eine galvanische Trennung zwischen Ein und Ausgang herbeiführen. Ein Trenntrafo benötigt ausser der galv.Trennung zusätzliche Isolations-mittel und Abstände.#Trenntrafo Die spulen sind induktiv, also (nur)magnetisch gekoppelt. Zur optimalen Führung des magnetischen Flusses im so genannten Transformatorkern und um die magnetische Kopplung der Spulen untereinander zu maximieren, haben praktische Ausführungen von Transformatoren ihre Spulen meist auf einem gemeinsamen Eisen- oder Ferritkern untergebracht.

In der Terminologie elektrotechnischer Geräte wird der Transformator auch als „ruhende elektrische Maschine“ bezeichnet, da dabei keine mechanisch bewegten Teile vorhanden sind. Transformatoren zur Leistungsübertragung nennt man Umspanner, Transformatoren in elektrischen Geräten werden Netztransformator genannt, Transformatoren für messtechnische Zwecke werden als Messwandler bezeichnet, und Transformatoren zur Signalübertragung in der Nachrichtentechnik, wo es um die galvanische Trennung von Ein- und Ausgangssignal geht, werden als Übertrager bezeichnet.

Bild von:Transformator für Mittelspannung mit Ölkühlung - Gehäuse angeschnitten Bild von:Leistungstransformator Bild von:Zum Vergleich, ein 30-VA-Kleintransformator mit 12 V an der Sekundärseite

Geschichte

Transformator von Zipernowsky, Déry und Bláthy

Patentzeichnung von William Stanley 1886

Die Erscheinung der Magnetfelderzeugung aus dem elektrischen Stromfluss und umgekehrt der Stromerzeugung aus einem veränderlichen Magnetfeld war seit Michael Faradays Entdeckungen 1831 bekannt. Aber erst in den achtziger Jahren desselben Jahrhunderts wurde das Transformator-Prinzip entwickelt.

Der russische Erfinder Pawel Nikolajewitsch Jablotschkow führte für die von ihm entwickelten Jablotschkow’sche Kerzen eine Spannungsregulierung ein, die auf einer Anordnung von Induktionsspulen basierte. Die Windungen der einen Spule waren mit einer Wechselstromquelle verbunden, die anderen mit den Kohle-Elektroden der „elektrischen Kerzen“ (vermutlich Bogenlampen). Das dafür eingereichte Patent beschrieb, dass das System „unterschiedliche Versorgungen für verschiedene Beleuchtungskörper mit unterschiedlicher Leuchtintensität von einer einzigen Quelle elektrischer Energie“ versorgen könne . Offensichtlich wirkten diese Induktionsspulen nach dem Transformator-Prinzip.

Lucien Gaulard und John Dixon Gibbs stellten in London 1882 ein Gerät mit einem offenen Eisenkern aus, das sie „Sekundär-Generator“ nannten . Sie betrieben mit ihrem System auf der Ausstellung in Turin 1884 eine 80 km lange Demonstrations-Ringleitung nach Lanzo und führten damit die verlustarme Stromversorgung über größere Entfernungen vor. Sie verkauften zudem die Idee an den Amerikaner George Westinghouse.

Die in der ungarischen Industriefirma Ganz & Cie tätigen Techniker Károly Zipernowsky und Miksa Déri entwarfen 1884 den zweiteiligen rotierenden Einankerumformer. Zusammen mit Ottó Titusz Bláthy entwickelten sie diese Apparatur zu einem feststehenden einteiligen Gerät weiter und ließen sich dies 1885 patentieren. Erstmals wurde dabei der Begriff „Transformator“ verwendet. . Dieser Transformator war mechanisch nach dem umgekehrten Prinzip der heutigen Transformatoren aufgebaut; die Leiterspulen waren um einen soliden Kern aus unmagnetischem Material gewunden, darüber wurden dicke Eisendraht-Lagen gelegt, die eine ferromagnetische Schale bildeten. Das Gerät wurde von der Firma Ganz & Cie in Budapest weltweit vertrieben.

Wesentlichen Anteil an der Verbreitung des Wechselstromsystems und mit ihm des Transformators hatte der US-Amerikaner George Westinghouse, der vor allem durch die Erfindung der Druckluftbremse berühmt wurde. Westinghouse erkannte die Schwächen der damals von Edison betriebenen und favorisierten Gleichstrom-Energieverteilung und setzte vorrangig auf Wechselstrom. 1885 importierte Westinghouse eine Anzahl Gaulard-Gibbs-Transformatoren und einen Siemens-Wechselspannungsgenerator für die elektrische Beleuchtung in Pittsburgh. Sein Techniker William Stanley entwickelte die Gaulard-Gibbs-Geräte weiter und führte vor allem einen effektiver wirkenden geschlossenen Eisenkern ein. Ab 1886 gelangten diese Apparate in den Handel .

Westinghouse installierte 1886 in Great Barrington, Massachusetts, einen Wechselspannungsgenerator, dessen 500 Volt Wechselspannung zur Verteilung auf 3.000 Volt hochtransformiert und dann zum Betrieb der elektrischen Beleuchtung an den Anschlussstellen wieder auf 100 Volt heruntertransformiert wurde.

Der dann zunehmende Einsatz von Transformatoren führte in Verbindung mit dem Wechselstrom zur weiten Verbreitung von Elektrizität als Energielieferanten, weil bisher nur Hochspannungsleitungen den Energietransport über große Entfernungen ohne allzu große Energieverluste ermöglichen.

Bilder mit Beschreibung

hier kommen verschiedene Bilder rein, die später zu den Absätzen verschoben werden.

Wirkprinzip, einfach erklärt

Das Funktions-Prinzip ist bei allen Transformatoren gleich. Bei Transformatoren, welche an der Netzspannung betrieben werden, (die übliche Anwendungsform am Stromnetz) gilt:, Der Magnetische Fluss, Dimension (Vs), im Spulenkern, (der auch aus Luft bestehen kann), wird mit jeder sich umpolenden Netzspannungshalbschwingung von einem Maximalen Fluss-Wert einer Polarität, zum maximalen Fluss-Wert der anderen Polarität gebracht. Durch diese andauernde Flussänderung wird in allen Spulen durch Induktion eine Spannung induziert. Die Spannungen pro Windung sind in allen Spulen mit gleichem Flussdurchsatz gleich. Der Magnetfluss Dimension [Vsec], ist über die Magnefeldleitfähigkeits-Charakteristik des Spulenkerns, Hysteresekurve, mit dem Magnetfeld, Dimension [A] und dem zu dessen Aufbau nötigen Magnetisierungsstrom, (Leerlaufstrom), verknüpft. Dieser für den Magnetfeldaufbau benötigte Magnetisierungsstrom, fliesst nur in die Primärwicklung hinein und wird nicht zur Sekundärwicklung übertragen und hängt von der erreichten Induktionsdichte B, der Bauform des Spulenkernes, wie Größe, Fläche, (Luftspalt oder nicht) und vom Kernmaterial ab. Der Leerlaufstrom sollte so gering wie möglich sein, um u. a. die Blindleistungsbelastung des Netzes gering zu halten und zusätzliche Leitungsverluste zu vermeiden, denn er verursacht an allen Leitungen von der Quelle bis zum Trafo, einen an sich unnötigen Spannungsabfall. Er besteht aus einer zur Spannung in Phase liegenden Wirk-Komponente, welche die Ummagnetisierungsverluste im Kern repräsentiert, und einer der Spannung um 90 Grad nacheilenden Komponente, welche sich aus der Induktivität der Primärwicklung ergibt. Dieser nacheilende Strom wird zyklisch aus dem Netz entnommen und wieder an das Netz zurückgegeben, er wird Blindstrom genannt. Auch bei Elektro-Motoren und Netz-Drosseln wird dieser Blindstrom zu deren Funktion benötigt.

Grundlagen

Ist die Spannung oder der Strom massgebend für die Trafofunktion im Leerlauffall? Die Behauptung, daß die Einprägung einer Spannung, siehe Anmerkung, an die Spule einer elektromagnetischen Anordnung, wie z. B. an die Primärwicklung eines Trafos, automatisch eine Magnetflußeinprägung im Kern zur Folge hat, diese sozusagen von dieser Spannung "verursacht" wird, ist jedenfalls insoweit erklärungsbedürftig, als es in einem scheinbaren Widerspruch zur Schulbuchpysik steht, die da, nicht zu Unrecht, sagt, Magnetfluß bedarf eines magnetischen Feldes und dieses muß von einem Strom ausgehen. Anmerkung: Einprägung bezeichnet eine Spannung die bei Belastung nicht einbricht,

Eine genaue Betrachtung des Vorgangs ohne Belastung, also im Leerlauffall, liefert dazu eine Erklärung, die zeigt, daß beide Seiten Recht haben und zwar aus folg. Grund:

Es ist in der Tat so, daß in realen Magnetkernen ein Magnetfluß nur als Ursache eines Stromes entstehen kann, weil dieser die erforderliche magn. Spannung bzw. das H-Feld dazu liefert. Dennoch gilt bei einer Speisung mit einer eingeprägten Wechsel-Spannung, wie bei einem Trafo üblich, daß die Flußänderungsgeschwindigkeit (dphi/dt) immer exakt dem Augenblickswert der treibenden Spannung entspricht (Spannungsabfälle zunächst außer acht gelassen). Den Grund dafür liefert das Induktionsgesetz mit dem Phänomen der Selbstinduktion (man muss dabei nicht zwischen Induktion -- Selbstinduktion unterscheiden, es ist physikalisch das gleiche). Eine Betrachtung des Magnetisierungsvorganges im einzelnen zeigt nämlich, daß der Strom (bzw. das damit verbundene dI/dt), der als Folge der Spannung den Kern magnetisiert, ein dphi/dt zur Folge hat, das in der Wicklung eine Spannung induziert, die der treibenden Spannung entgegenwirkt. Das Gleichgewicht dieser beiden Spannungen kontrolliert nun den Magnetisierungsstrom, (Leerlaufstrom) derart, daß bei zu kleinem Stromanstieg die Gegenspannung zu klein wird, die treibende Spannung das dI/dt vergrößert, bei zu großer Gegenspannung passiert das Gegenteil. Das ganze funktioniert wie ein Regelkreis, die treibende (Netz)-Spannung als Sollwert, die (selbst) induzierte Spannung als Istwert, der Magnetisierungstrom als Stellgröße. Diese "Quasiregelung" sorgt dafür, daß der Magnetflußanstieg (dphi/dt) immer exakt der treibenden Spannung folgt, der bis dahin aufgebaute Fluß selbst z. B. am Ende einer Halbperiode dem Spannungs/Zeit-Integral (Spannungszeitfläche) entspricht. Das Ergebnis sieht so aus, als würde die Spannung den Fluß einprägen. Das physikalische Initial ist jedoch der Strom, seine Größe und sein zeitlicher Verlauf ist zu jeder Zeit der Führungsgröße "Spannung" untergeordnet. Der zeitliche Verlauf des Stromes kann bei sinusförmigem dphi/dt bei nichtlinearer Hysterese dann nicht mehr sinusförmig sein. Die Hysterese wirkt wie eine nichtlineare Übertragungsfunktion, die mit dem Fluß zusammen den Strom bestimmt.

Der Vergleich mit einem Regelkreis soll natürlich nur dem besseren Verständnis dienen. Man kann den Vorgang auch mit den Kirchhofschen Regeln (Maschenregel) erklären: Die Summe aller Spannungen im Magnetisierungskreis muß immer 0 sein, d. h. Uprimär = -Ui = dphi/dt (jeweils bezogen auf 1 Windung, U demnach die Windungsspannung). Meiner Erfahrung nach wird es so aber von Nichtelektrikern nur schwer verstanden.

Den Vorgang kann man auch als "spannungsgeführte Magnetisierung" bezeichnen. Sie funktioniert immer dann und dann aber auch nur so, wenn die eingeprägte Spannung als Führungsgröße die Kontrolle übernimmt. Sie funktioniert nicht bei einer Speisung mit einem eingeprägten Strom, (zum Beispiel durch einen Vorwiderstand der 10 mal größer als die Primärimpedanz ist,) ein eher seltener und nur zur Demonstration gebrauchter Fall. Der sinusförmige, eingeprägte Magnetisierungsstrom, den sich manche Anwender immer wünschen, würde bei einem Trafo nur in Sonderfällen, bei einer völlig linearen Magnetisierungskennlinie (Luftkern), auch an der Sek. Seite eine Sinusspannung liefern (ganz abgesehen von der Frage, wie man diesen Strom überhaupt zustande kriegt). Der Umstand, daß bei einem Trafo die Sek. Spannung immer genau so aussieht, wie die Spannung auf der Primärseite, z. B. sinusförmig, kann kein Zufall sein. Sie ist dem Phänomen der "spannungsgeführten Magnetisierung" zuzuschreiben, weil eben Uprim = dphi/dt = Usek (bezogen auf Windungszahl 1) ist. So und nur so funktioniert eben ein Trafo und deswegen gehört dies eben auch zu den Kernaussagen bei den pysikalischen Grundlagen. Daß dann der Fluß selbst konsequenter Weise dem Spannungs/Zeitintegral, d. h. der Spannungszeitfläche entspricht, muß letztlich nur denjenigen interessieren, der sich mit Einzelheiten des Trafos befasst. Tritt der Belastungsfall ein wird die Betrachtungsweise nochmals erweitert. Siehe: Belasteter Transformator.

Spule

Prinzip eines zweischenkligen Trafos

Die Ausführung eines Transformators aus gestreckt nebeneinanderliegenden Leitern würde bewirken, dass ein großer Teil des in der Primärspule erzeugten Magnetfeldes Φ_H als wirkungsloses Streufeld in die Umgebung entweicht, ohne die Sekundärspule zu durchlaufen. Dieses Streufeld enthält einen Teil der aufgewendeten Leistung, die dann nicht für den eigentlichen Übertragungsvorgang zur Verfügung steht. Je mehr Magnetfeldlinien der Primärspule die Sekundärspule nicht durchlaufen, desto weniger gilt die Formel U_p/U_s = N_p/N_s. Das gilt besonders bei Belastung.

Das ist auch ein Grund, weshalb bei tiefen Frequenzen die Leiter in Form von Spulen mit gemeinsamen Eisenkern gebaut werden. Verluste durch Streufelder werden verringert, wenn die Primärspulen und Sekundärspulen möglichst klein und eng ineinandergeschachtelt werden. Bedingung ist hierbei, dass die Leiter und auch die Spulen als Ganzes gegeneinander elektrisch isoliert sind, wozu meistens lackierte Drähte und die nachfolgende Lack- oder Gießharztränkung im Vakuum angewendet werden. Der Spulenkörper ist ein Formteil aus nichtmagnetischem Material (meist Kunststoff), das die Wicklungen aufnimmt, ihnen mechanische Stabilität gibt und sie auch voneinander isoliert.

Eine Ausnahme ist beispielsweise der Tesla-Transformator, der keinen Eisenkern besitzt und bei dem auch die Magnetfelder der Spulen nur schwach gekoppelt sind. Hier ist das enorme Streufeld erwünscht.

Beispiel: Ein Transformator mit 1.000 Windungen auf der Primärwicklung, 100 Windungen auf der Sekundärwicklung und 230 Volt Primärspannung erzeugt in der Sekundärwicklung eine Leerlaufspannung von nur 22 Volt. Die tatsächlich nutzbare Betriebs- oder Nennspannung sinkt jedoch mit zunehmender Belastung durch Stromverbraucher, weil der Strom in den Spulen einen ohmschen Spannungsabfall bewirkt (siehe Abschnitt Überlastbetrieb!).

Wicklung

Siehe: Wicklung Eine Wicklung besteht aus mehreren Windungen eines meist isolierten Drahtes um damit eine Spule zu erzeugen.

Induktivität

Siehe:Induktivität Jede Spule am Transformator besitzt eine Induktivität, die jedoch abhängig vom Betriebszustand, beim Durchlauf einer Netzspannungsperiodendauer nicht konstant ist.

Induktion

Siehe: Induktion. Die elektromagnetische Induktion ist das Arbeitsprinzip des Transformators. Mit Induktion wird die Energie von der Primär- zur Sekundärspule übertragen. Siehe "Belasteter Transformator".

Mechanisches Analogon

Ein Zahnradgetriebe wandelt die Eingangsdrehzahl entsprechend dem Übersetzungsverhältnis, welches durch die Zähnezahl auf den Radpaaren bestimmt wird, in eine Ausgangsdrehzahl um. Die Drehmomente werden umgekehrt wie die Drehzahlen "transformiert". Beim Trafo entsprechen die Windungen der Spulen den Zähnezahlen beim Getriebe. Bis auf die Frequenz ist das Analogon stimmig.

Die Spannungsübertragung. (Leerlauffall)

Siehe: Netztransformator#Die Spannungsübertragung. (Leerlauffall)

Der Magnetisierungskreis, vom Fluss zum Magnetisierungsstrom.

Siehe: Netztransformator#Der Magnetisierungskreis, vom Fluss zum Magnetisierungsstrom.

Die Stromübertragung, der Lastfall.

Siehe: Netztransformator#Die Stromübertragung, der Lastfall.

Die Leistungsübertragung.

Siehe: Netztransformator#Die Leistungsübertragung

Anwendungen für Transformatoren

Als Transformator lassen sich viele Ausführungen bezeichnen. DIe Palette reicht von Luftspulen, HF- Anpasstrafos, Schaltnetzteiltrafos, Lokomotivtrafos bis zu Netztransformatoren.

Geöffneter Transformator einer Elektrolokomotive, erkennbar sind die Anzapfungen für verschiedene Schaltstufen

Netztransformatoren werden immer am 50- bzw. 60-Hz-Stromnetz mit sinusförmiger Spannung betrieben. Netztrafos findet man zum Beispiel in Radioweckern, wo sie aus der 230 V Netzspannung eine kleine Betriebsspannung von wenigen Volt bei wenigen Watt Leistung erzeugen, aber auch in großen Kraftwerken, bei denen sie die Generatorspannung von zum Beispiel 25.000 Volt auf bis zu 400.000 Volt für die Fernleitung heraufsetzen und dabei Leistungen von vielen Megawatt übertragen. Für jeden Einsatzfall benutzt man angepasste Transformator-Bauformen, die entweder kosten- (beim Radiowecker Trafo) oder verlustminimiert (beim Höchspannungstrafo) gebaut sind.

In kleinen Netztransformatoren treten relativ große Wirkleistungs-Verluste auf, Wirkungsgrad nur ca. 60% bei einem 50VA Trafo. Schon bei einem verlustarmen 1 kVA Trafo tifft man dagagen einen Wirkungsgrad an von ca. 97%. Die Verluste sind jedoch besonders bei großen Transformatoren sehr gering und führen zu einem Wirkungsgad von ca. 99%. Siehe auch Netztransformator#Wirkungsgrad von Transformatoren.

Spannungsanpassung

Die Höhe der Wechselspannung, mit der elektrische Energie übertragen wird, kann mit Hilfe von Transformatoren sowohl erhöht als auch verringert und damit den Erfordernissen angepasst werden. Damit wird die wirtschaftliche Übertragung elektrischer Energie über weite Strecken mit Hochspannungsleitungen möglich, weil bei vergleichbar kleinen Strömen große Leistungen ohne große Verluste übertragbar werden. (< 10% Verluste im Hoch und Höchstspannungsnetz.) Das führte vor etwa 100 Jahren nach dem sogenannten Stromkrieg zur weltweiten Einführung von Wechselstromnetzen.

Energietransport

Energie-Übertragungs-Trafo als Drehstromtrafo

Leistungstransformatoren. Diese werden in Umspannwerken aus Sicherheitsgründen oft im Freien außerhalb von Betriebsgebäuden betrieben. Im Falle von Trafobränden, die in der Praxis nur sehr schwer gelöscht werden können, sind so die Auswirkungen auf die restliche Anlage zu minimieren.

Zur verlustarmen Energieübertragung in Hochspannungsleitungen werden Spannungen auf hohe Werte transformiert. Dabei wandelt der Maschinentransformator des Kraftwerkes die Generatorspannung, bei großen Kraftwerken etwa 10 kV bis 30 kV, auf die Hochspannung von etwa 110 kV bis 400 kV um, wodurch im Verbundnetz die Transportverluste geringer ausfallen und größere Leistungen übertragen werden können. Die Transformationsverluste sind bei Hochspannungstrafos vergleichsweise gering und liegen meist bei 0,1 % der übertragenen Leistung. Der geringere Strom auf der Hochspannungsseite bei konstanter übertragener Leistung führt dazu, dass weniger Verlustwärme am ohmschen Widerstand der Leitung entsteht. Allerdings ist der Strom auf Hochspannungsleitungen im Normalbetriebsfall relativ hoch und betragsmäßig sogar höher als bei niedrigeren Spannungsebenen wie dem Mittelspannungsnetz. Der Strom auf 400-kV-Leitungen liegt im Bereich von 1 kA pro Außenleiter, im Vergleich dazu auf 110-kV-Leitungen „nur“ in der Größenordnung von 500 A, jeweils im normalen Betriebsbereich. Der Grund für den Betrieb von Hochspannungsleitungen ist eine Steigerung der zu übertragenen Gesamtleistung zu erreichen weil der Leiterstrom auch auf Hochspannungsleitungen durch die zulässige Stromdichte im Leiter begrenzt ist.

Transformatorenhaus im ländlichen Gebiet

Bei richtiger Übertragungsspannung heben sich induktive und kapazitive Blindleistung an Freileitungen auf (Wellenwiderstand Z = (240 ... 300) Ohm). Diese Aussage gilt jedoch nur beim Übertragen der so genannten natürlichen Leistung P_n. Für das Mittelspannungsnetz werden die Hochspannungen in Umspannwerken wieder auf 10 kV bis 36 kV zurücktransformiert.

Zur Abführung der Verlustwärme bei großen Leistungstransformatoren werden diese als Öltransformator in Behälter eingebaut, die mit Transformatorenöl gefüllt sind. Die Kühlung durch das Öl wird gegebenenfalls mit Kühlrippen und Umwälzpumpen forciert (siehe Bild mit Leistungstransformatoren).

Aufgrund der isolierenden Eigenschaften des Öls reicht die Lackisolierung der Kupferleiter je nach Spannung aus, um 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 1970er Jahren bis Anfang der 1980er 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.

Im Bild sind oberhalb des Transformators die drei gießharzisolierten, zylinderförmigen Rundsteuer-Einspeisetransformatoren erkennbar, die in Reihe zur unterspannungsseitigen Wicklung liegen und das nachgeschaltete Netz mit tonfrequenten Steuerimpulsfolgen der Rundsteueranlage beaufschlagen.

Netztransformator

Autotransformator

Ein Atotransformator besteht aus einer Spule mit einer Anzapfung, siehe Autotransformator, die meist auf eine Eisenkern gewickelt ist. Er bietet keine Potentialtrennung zwischen Ein-und Ausgang. Er setzt entweder die Ausgangsspannung herauf oder herunter und dient als Anpasstrafo einfacher Bauart. Beispiel: 115V zu 230V heraufsetzen. Seine Baugröße ist geringer als die eines Trenntrafos gleicher Leistung, weil ein Teil des Ausgangstromes direkt vom Eingang geliefert wird, ohne den Umweg über die Induktion nehmen zu müssen.

Trenntransformator

Galvanische Trennung mit verstärkter Isolation

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 so genannte „sichere elektrischen Trennung“ (Schutzklasse II) ist in Normen (IEC, VDE, UL) definiert und verlangt besonders hohe elektrische Isolationsfestigkeit zwischen Primär- und Sekundärseite. Dafür geeignete Sicherheitstransformatoren haben oft getrennte, gekapselte Isolierstoff-Kammern für die Primär- bzw. Netzspannungswicklung.

Aus einem geerdeten Netz kann man mit so genannten 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 solange kein zweiter Fehler auftritt.

Reparaturarbeiten an netzbetriebenen Geräten (z. B. Fernseher) müssen ebenfalls an mittels Trenntransformator isolierter Netzspannung stattfinden. Gegen die Berührung der Bildröhren-Anodenspannung 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 4 kV beträgt.

Steuertransformator

Bei Schützsteuereungen in Maschinen werden zur Potentialtrennung sogenannte Steuertrafos verwendet. Diese werden jedoch in letzter Zeit durch die Schaltnetzteile verdrängt.

Kleinspannungs-Transformator

Schutz-Transformatoren

Sie sollen eine Anlage oder Geräte zum Schutz von Personen gegen Berührung spannungsführender Teile mit einer Sekundärspannung versorgen, die galvanisch von der Spannung auf der Primärseite getrennt ist. Eine sichere galvanische Trennung von Primär- und Sekundärspannung muss gewährleistet sein. Die Schutzwirkung besteht darin, dass auf der Sekundärseite jeder der beiden Pole für sich ohne Stromschlag gegen Erde berührt werden kann. (siehe auch: Sicherheitstransformator)

Klingeltransformator

Klingeltransformatoren müssen kurzschlussfest sein (Uk = 40 %), die Leerlaufspannung auf der Sekundärseite darf 32 V nicht übersteigen. Die Ausgangsklemmen müssen zugänglich sein, ohne dass die Eingangsklemmen freigelegt werden müssen.

Spielzeugtransformator

Spielzeugtransformatoren haben meistens eine Kurzschluss-Spannung von 20  %. Sie dienen der Speisung von Kinderspielzeug, müssen kurzschlussfest sein und dürfen auf der Sekundärseite höchstens eine Leerlaufspannung von 32 V aufweisen (Nennspannung bei Belastung der Sekundärseite: 24 V). Die Spezifikation eines Spielzeugtransformators ist im Wesentlichen davon bestimmt, dass Kinderspielzeug in den Mund genommen wird.

400Hz- und größer-Mittelfrequenz- Netz-Transformator

Die Formel für den Zusammenhang zwischen Windungszahl, Eisenquerschnitt und Spannung lautet

$N={\frac {\hat {U}}{2\pi f\cdot A_{e}\cdot {\hat {B}}}}\qquad (1)\,$

mit

N – Windungszahl

${\hat {B}}$ – Spitzenwert der Induktion (Flussdichte) in Tesla

${\hat {u}}$ – Spitzenwert der Spannung in Volt

A_e – effektiver magnetischer Kernquerschnitt in m²

f – Frequenz in Hz

Auf den Eisenquerschnitt umgestellt zeigt sich, dass der Eisenquerschitt mit zunehmender Frequenz kleiner bemessen werden kann:

$A_{e}={\frac {\hat {U}}{2\pi f\cdot N\cdot {\hat {B}}}}\qquad (2)\,$

Für bestimmte Anwendungsfälle wird daher eine höhere als die übliche Netzfrequenz verwendet, um kleinere Transformatoren zu bauen.

Beispiele sind u. a.:

• in Flugzeugen konnten die in den früher üblichen Röhrengeräten (RADAR, Bordfunk usw.) erforderlichen verschiedenen Spannungen massesparend mit kleinen Transformatoren mit 400-Hz-Drehstrom erzeugt werden.
• in Punktschweiß-Zangen werden oft Mittelfrequenz-Transformatoren eingebaut, um dicke Strom-Zuführungen (erforderlich sind einige tausend Ampere) zu vermeiden und die Zangen (z. B. an Roboterarmen in der Automobilfertigung) dennoch leicht und beweglich zu halten.

Gegenüber einer Betriebsfrequenz von 50 Hz sind dabei große Gewichtseinsparungen erreichbar. Bei Frequenzen bis zu einigen kHz („Mittelfrequenz“) können Leistungs-Transformatoren noch mit geblechten (Eisen-)Kernen gefertigt werden, doch muss die Blechdicke zur Vermeidung höherer Wirbelstromverluste geringer sein (etwa 0,1 mm gegenüber etwa 0,5 mm bei 50 Hz). Die Hystereseverluste halten sich dann noch in Grenzen.

Bauarten von Transformatoren

Luftkern-Transformator ohne Eisenkern

(aus Netztrafo ohne Eisenkern) Der Eisen- oder Ferritkern im Trafo ist überflüssig, wenn

1. der induktive Widerstand Z_L = 2πf•L der Primärspule bei der Betriebsfrequenz f so hoch ist, dass ein akzeptabler, das heißt nur geringer Leerlaufstrom fließt und
2. der Ohmsche Widerstand der Spule so gering ist, dass der Draht auch bei Höchstlast des Trafos, also bei maximalem Primärstrom, nicht überhitzt wird.

Bei Frequenzen über 1 MHz genügen meist weniger als 100 Windungen, um beide Forderungen zu erfüllen. Bei tiefer Frequenz treten unüberwindbare Probleme auf, wie folgendes Beispiel für einen Netztrafo von 100 W und bescheidener Qualität zeigt: Für einen Leerlaufstrom von 100 mA muss Z_L = 2300 Ω und L = 7,3 H sein. Die erforderliche Windungszahl N der Primärspule kann man mit der Formel

$L=N^{2}\cdot {\frac {\mu _{0}\mu _{r}A}{l}}$

abschätzen und erhält ohne Eisenkern etwa 31000 Windungen mit einer Drahtlänge von 10 km und einem Maximalwiderstand von 40 Ω. Der notwendige Kupferdraht müsste einen Querschnitt von 4,3 mm² haben, der bei 31000 Windungen einen Wicklungsquerschnitt von 1300 cm² einnimmt. In diese Primärspule müsste eine etwa gleich massive Sekundärspule „eingewoben“ werden, um eine gute magnetische Kopplung zu erzielen. Insgesamt ergibt sich ein Gesamtvolumen von etwa einem Kubikmeter bei 9000 kg Masse.

Kernbauformen

Für die Leistungsübertragung im Stromnetz verwendete Transformatoren haben immer einen geschlossenen Eisenkern, auf den die Spulen aufgebracht werden. Der Querschnitt des Eisenkerns wird so gewählt, dass die Flussdichte möglichst im gesamten Eisen-Kern konstant ist und nicht zu nahe an die magnetische Sättigungsflussdichte kommt.

Eisenkern-Transformator

aus Netztrafo mit Eisenkern

(siehe auch Eisenkerntransformator)

Ein ohne Eisenkern kaum realisierbare Trafo lässt sich mit einem ausreichend großen Kern aus Elektroblech auf handliche Werte verkleinern. Wegen der sehr hohen Permeabilitätszahl µ_r von etwa 2000 genügen nun 700 Windungen für die Primärspule. An Stelle eines massiven Eisenkerns muss dünnes Trafoblech eingesetzt werden, um die Wirbelströme im Kern gering zu halten.

Wählt man für den 100 W-Trafo einen (zu) großen Eisenkern von 10 kg, gibt es kein Problem mit der Sättigung. Je kleiner und leichter aber der Eisenkern sein soll, desto stärker wird er magnetisiert. Das erzeugt eine Reihe von neuartigen Problemen: Die Sättigungsmagnetisierung des Eisens erzeugt Verzerrungen der Sinusform des Leerlaufstromes, zusätzliche Wärme und massive Stromspitzen beim Einschalten.

Datei:Hysteresekurve krumm.gif

Ausschnitt der Hysteresekurve mit unterschiedlichen Stromdifferenzen bei konstanter Φ-Änderung an einem großen Trafo

Der Reihe nach: Bei Induktion dreht sich alles um die Formel U = dΦ/dt mit dem „Magnetfluss“ Φ  = B•A. Bei jedem Trafo ist die Spulenfläche A konstant, deshalb muss das Magnetfeld B geändert werden. B wird von der Primärspule erzeugt, dafür gilt die Formel B = μ_r•μ₀•H = μ_r•μ₀•J•N/l. Vereint man diese Formeln und fasst dabei alle uninteressanten (konstanten) Faktoren in f zusammen, erhält man B = μ_r•f•J. Das sollte eine Gerade mit dem Steigungsfaktor μ_r sein, die immer weiter ansteigt. Im Experiment gilt das nur für kleine Ströme, bei großen Strömen biegt die Gerade nach rechts ab. μ_r ist leider nicht konstant, sondern wird mit steigendem Strom J immer kleiner, sinkt bis zum Wert 1. Im nebenstehenden Bild sieht man, dass man nicht immer den gleichen Stromzuwachs dJ benötigt, um den Magnetfluss Φ um den gleichen Betrag dΦ zu vergrößern. Genügt anfangs ein Stromzuwachs von 0,5 A für eine gewisse Flussänderung, benötigt man bei höherem Gesamtstrom bereits 3 A oder mehr, um die gleiche Flussänderung zu erzielen.

An dieser Stelle gibt es natürliche Grenzen: Jedes Stück Eisen besteht aus endlich vielen Atomen, die nur eine gewisse Anzahl Weiss-Bezirke bilden können. Deren Orientierung zeigt ohne externes Magnetfeld - statistisch verteilt - in alle Richtungen, das Eisen ist entmagnetisiert. Mit zunehmendem Strom durch die Primärspule werden immer noch mehr Bezirke parallel zur Spulenachse ausgerichtet und die Kurve steigt steil an. Wenn aber fast alle orientiert sind, hilft auch kein weiterer Stromanstieg, um noch mehr in diese Richtung zu zwingen, denn es sind ja keine mehr da. Der Magnetfluss kann kaum noch steigen, die Kurve wird flacher. Bei kornorientiertem Elektroblech geht man bis zu Flussdichten B = 1,6…1,75 T; Sättigung tritt ein ab 2,03 Tesla.

Für den Primärstrom hat das katastrophale Folgen: Sobald die Hysteresekurve flach wird, kann Φ kaum noch ansteigen, die Änderung dΦ wird Null. Da deshalb die Gegenspannung U_induziert auch verschwindet, steigt der Primärstrom auf extreme Werte (Einschalten des Transformators), bis die Sicherung abschaltet. Ein gesättigter Kern hat die gleiche Wirkung wie Luft, nämlich keine. Der Strom wird dann nur durch den Ohmschen Widerstand der Primärspule begrenzt.

Bild 19: Die Sättigung wird erreicht bevor die Rechteckspannung umpolt, worauf die Primär und Sekundärspannung zusammenbricht. Durch einen Vorwiderstand wird der Strom begrenzt, damit der Funktionsgenerator nicht kurzgeschlossen wird

Bild 19: Sättigung kann auch entstehen wenn ein Transformator mit Eisenkern mit einer zu geringen Frequenz betrieben wird und schon in der Mitte der Spannungshalbwelle alle weisschen Bezirke ausgerichtet sind. (Die Spannungszeitfläche ist dann zu groß gewählt für diesen Trafo. Die Spannungsform, Sinus, Dreieck, Rechteck sielt dabei keine Rolle, weil es nur auf die Größe der Fläche ankommt.)

Ringkern-Trafo, Transformator mit einem hochpermeablen Ringbandkern weil ohne Luftspalt im Kern

Ringkern-Transformator für Netzspannung.

Transformatoren mit Ringkernen erfüllen die vorgenannten Forderungen am besten; sie können mit einem besonders hohen Wirkungsgrad gebaut werden, da aufgrund der geschlossenen Ringkernform und dem geringen Streufluss nur geringe Streufeld-Verluste entstehen und der Eisenweg ein Minimum beträgt. Meist spart man jedoch am Kupferquerschnitt der Windungen und erreicht dann wieder den gleichen Wirkungsrdag wie vergleichbare Trafos mit eckigen Kernschnitten. Ringkerne bestehen aus einzelnen Blechlagen, die durch ein ringförmig aufgewickeltes Band, gebildet werden. Das dünne Band aus Weicheisenblech, meist kornorientiert (texturiert), wird wie ein Rolladengurt zu einem Ring aufgewickelt, sodass in der Mitte das Kernloch zur Aufnahme der Wicklungen freibleibt. Die einzelnen Windungen der Wicklungen werden möglichst gleichmäßig verteilt auf den Eisenring gewickelt. Dazu wird der Drahtvorrat einer Wicklung auf ein Schiffchen gewickelt, welches dann zum Aufbringen der Wicklung durch das Kernloch um den Kernring herum geführt wird.

Ringkerntransformatoren können mit höherer magnetischer Flussdichte und geringeren Hystereseverlusten arbeiten, weil der Eisenweg optimal kurz ist und überdies meist texturierte, das heißt kornorientierte Blechbänder verwendet werden. Beides trägt maßgeblich zur Verringerung der Baugröße bei. Anders als bei einem gestanzten Blechschnitt für zum Beispiel einen EI-Kern-Transformator, liegt die Kornorientierung dann für alle Teile des Kerns in der für die Magnetfeldlinien günstigen Vorzugsrichtung.

Ringkerntrafos werden auch für Stelltransformatoren verwendet, bei diesen kontaktiert ein drehbar gelagerter Schleifkontakt die einzelnen Spulenwindungen. Zur Kontaktgabe für den Schleifer sind die Windungen der Spule an den Außenseiten freigelegt, d. h. die Lack-Isolation der Lackdrähte wird abgeschliffen. Aufgrund der nötigen, niederen Windungsspannung, sind die Einschaltströme reduziert. Die niedere Windungsspannung ist nötig, weil beim notgedrungenen Überbrücken von zwei Windungen durch den Schleifer, zwar ein Windungsschluss entsteht, der aber aufgrund der geringen Spannung zwischen den zwei überbrückten Windungen, keinen zu großen Primär-Stromanstieg verursacht. Niedere Windungsspannung bedeutet auch niedere Induktion und damit beim nicht optimalen Einschalten eine Induktionsreserve bis zur Sättigung und deshalb einen geringeren Einschaltstrom als beim Ringkerntrafo der üblicherweise eine Betriebsinduktion von 1,5 Tesla hat. Wegen der hohen Remanenz, aufgrund der Lustspaltfreiheit des Kernes, sind die Einschaltströme dennoch größer als bei zum Beispiel EI Kern Transformatoren.

Trotz ihrer Vorteile kommen Ringkerntransformatoren für 50 Hz erst in den letzten Jahren mehr und mehr zum Einsatz, weil u. a. die Bewicklung eines geschlossenen Ringkerns aufwendiger ist. Inzwischen kann man jedoch Kerne bis zu 100 kW Leistung mit Automaten bewickeln.
Ein Ringkerntransformator ist gegenüber anderen Kernbauformen materialökonomisch am günstigsten, weil er die geringsten Materialmengen pro Leistung benötigt. Auch der Wirkungsgrad kann höher als derjenige anderer Transformator-Bauformen gleicher Leistung sein.
Ringkerntransformatoren verursachen jedoch aufgrund der hohen Remanenz im Kern beim Einschalten große Stromspitzen, weil ihr Kern dabei leichter als bei anderen Transformatoren in Sättigung geraten kann. Dieser lässt sich mit Einschaltstrom-Begrenzern begrenzen oder durch Transformator-Softstarter oder Trafoschaltrelais, Transformatorschaltrelais vermeiden.

Schnittbandkern-Transformator mit einem zerschnittenen Ring-Bandkern

Schnittbandkerntrafo ohne den Kern der dahinter steht

Schnittbandkerntrafo mit Kern

Eine Kompromisslösung stellen Schnittbandkerne dar: ein Blechband (Dicke 0,025–0,3 mm) wird auf einen Dorn mit rechteckigem Querschnitt aufgewickelt und verklebt. Anschließend wird der Wickel in der Mitte quer zerteilt und die Trennflächen werden plangeschliffen und poliert. Die Hälften werden dann in die bewickelten Spulenkörper gesteckt und verklebt. Für Schnittbandkerne werden teilweise auch texturierte Blechbänder eingesetzt. Schnittbandkerne haben ähnlich gute Eigenschaften wie Ringkerne, jedoch ist die Wicklungsherstellung einfacher. Der Restluftspalt ist an den Kernstoßstellen jedoch nicht wegzubekommen, weshalb der Ringkerntrafo dem Schnittbandkerntrafo aus technischer Sicht immer überlegen ist. Außerdem ist die Kernherstellung von Schnittbandkernen etwas teurer (Baureihen SM, SE, SU, SG, S3U siehe auch DIN 41309 und IEC 329), weil man sie aufsägen und anschliessend planschleifen muß.

Schnittbandkerntransformatoren haben aufgrund ihrer Restluftspalte eine kleinere Remanenz und damit kleinere Einschaltströme als Ringkerntransformatoren. Durch die beiden Rest-Luftspalte im Kern ist aber die Materialausnutzung nicht so hoch wie beim Ringkerntransformator.

EI-Kern-Transformator mit einem geschachtelten EI-Kern

Die häufigste Kernbauform sind gestanzte und gestapelte Bleche. Für einphasige Netztransformatoren kleiner Leistung werden folgende Kernbauformen verwendet:

• EI-Kerne: sie bestehen aus wechselseitig gestapelten Blechen in E- und in I-Form, sodass sich zwei rechteckige Öffnungen für die Wicklungen ergeben.

UI-Kern-Transformator mit einem geschachtelten UI-Kern

• UI-Kerne bestehen aus wechselseitig gestapelten Blechen in U- und in I-Form. Zu texturierten Blechen siehe bei LL-Kern.

M-Schnitt kerne

• M-Kerne: sie bestehen aus komplett magnetisch geschlossenen Kernblechen, die bereits die Form mit zwei rechteckigen Öffnungen für die Wicklungen besitzen. Die Kernbleche haben jedoch an einem Ende des Innenschenkels einen Schnitt, sodass sie in den fertigen Wickel eingefädelt werden können. Auch sie werden wechselseitig gestapelt, sodass sich durch den Schnitt kein durchgehender Luftspalt bildet.

M- und EI-Kerne haben Außenschenkel mit dem halben Querschnitt des Mittelschenkels.

LL-Kerne

• LL-Kerne bestehen aus L-förmigen Blechen, die, wechselseitig gestapelt, nur eine Öffnung bilden. LL-Kerne tragen zwei Wickel oder nur einen Wickel auf einer Seite. Im ersteren Fall besitzen sie ein sehr geringes Streufeld, im letzteren ein besonders großes. LL-Kerne können aus texturierten Blechen gefertigt werden, in diesem Fall ist am kurzen Ende eine Jochverstärkung erforderlich, um den dort quer zur Textur verlaufenden magnetischen Fluss aufzunehmen.

Verlustursachen

Wirbelstromverluste

Die Wirbelstromverluste entstehen durch das Induktionsgesetz: Durch die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses ( = Flussdichte mal Kernquerschnitt) werden im elektrisch leitenden Kern Wirbelspannungen induziert. Mit diesen sind Wirbelströme verbunden, deren Größe durch die elektrischen Leitfähigkeit des Kernmaterials bestimmt wird. Das Produkt aus Spannung und Strom ergibt die den Kern erwärmende Wirbelstromverlustleistung. Zur Reduktion der Wirbelstromverluste verwendet man bei metallischen Werkstoffen geblechte Kerne. Dadurch bleibt die Länge des Wirbelstrompfads (= doppelte Kernbreite) groß, während der Fluss im einzelnen Blech ( = Flussdichte mal Blechquerschnitt) nun eine Wirbelspannung induziert, die umgekehrt proportional zur Anzahl der Bleche abnimmt und auch nur einen entsprechend kleinen Wirbelstrom hervorruft. Zur Widerstandserhöhung wird bei großen Transformatoren Elektroblech, eine Eisen-Silicium-Legierung mit hohem spezifischen elektrischen Widerstand, verwendet. Die bei hohen Frequenzen verwendeten Ferritkerne haben als keramische Werkstoffe eine um mehrere Größenordnungen kleinere elektrische Leitfähigkeit.

Hystereseverluste

Ferromagnetische Stoffe weisen ein magnetisches Gedächtnis, Remanenz auf. Der Zusammenhang von B- und H-Feld hängt von der Vormagnetisierung des Stoffes und der Eisenkern-Bauform ab.

Hystereseverluste entstehen durch das Magnetisieren des Magnetmaterials. Ein Teil der Energie, die zur Verschiebung der Blochwände und für das Umklappen der Molekularmagnete erforderlich ist, geht irreversibel in Wärme über. Der Zusammenhang von B- und H-Feld kann nicht durch eine Funktion beschrieben werden, sondern durch eine geschlossene Kurve, die außer dem Material auch von der Bauform des Eisenkernes, (Luftspalte, Kornorientierung immer in Flussrichtung, keine Ecken), abhängt. Bei jeder Magnetisierung entstehen Wärmeverluste, die dem Umlaufintegral zwischen B- und H-Kurve (d. h. der Fläche zwischen beiden Kurven) proportional sind. Die Hystereseverluste nehmen linear mit der Frequenz zu und zeigen eine starke Abhängigkeit vom maximal erreichten B. Die blaue Linie im nebenstehenden Bild ist die Neukurve, die von Feldstärke und Induktion = 0 ausgeht und nur einmal bei der ersten Inbetriebnahme eine Transformators beim Einschalten durchlaufen wird.

Den Eisenkern sollte man an einem Arbeitspunkt betreiben, an dem die Steigung der Hysteresekurve groß ist, also rund um den Nullpunkt. Betrieb mit symmetrischem Wechselstrom ist ideal, wenn das Eisen nicht durch zu große Induktionshübe magnetisch gesättigt wird. Bei Betrieb mit zerhacktem Gleichstrom oder mit Vormagnetisierung bei Ausgangsübertragern kann die Aussteuerung der Magnetisierung bis in die Krümmung der Hysterese-Kurve hinein Probleme bereiten. Das wird weiter unten behandelt. Die früher häufiger eingesetzten Transduktoren nutzen die Verschiebung des Arbeitspunktes auf des Hysteresekurve aus, um einen Verstärkungseffekt zu erzielen.

Kupferverluste

Die Kupferspulenwicklung besitzt einen ohmschen Widerstand, der als Wirkwiderstand der Primärspule mit dem Blindwiderstand der Primärspule in Reihe liegt. Durch diesen Wirkwiderstand erwärmt sich der Draht auch bei Stromfluss des Leerlaufstromes. Aber auch durch den Stromfluss des Laststromes der auf der Primärseite fließt wird die Primärspule erwärmt. Die verlorene Leistung ist proportional zur Stromstärke im Quadrat. Der Laststrom verursacht auch am ohmschen Widerstand der Sekundärwicklung einen Spannungsabfall und damit eine Erwärmung. Transformatoren mit hohem Leerlaufstrom, wie zum Beispiel solche mit geschweißtem EI-Kern, werden auch im Leerlauf schon sehr warm und haben deshalb erhebliche Leerlaufverluste. Ringkerntransformatoren haben geringe Leerlaufströme und deshalb dabei auch keine Erwärmung. Wegen den Kupferverlusten kann die Stromdichte im Wickeldraht, abhängig von der Bauform nur zwischen 2-5 A/mm² liegen, damit sich die Spule nicht überhitzt und verbrennt. Beim isolierten Leiter der in der Luft verlegt ist kann die Stromdichte 10 A/mm² sein. Für Transformatoren, die eine kompakte Bauform und niedrigste Herstellkosten haben müssen, werden Wickeldrähte benutzt, deren Lackschicht 200 Grad Celsius aushält, weil sich solche Transformatoren stark erwärmen. Natürlich sind solche Transformatoren keine Energiespartransformatoren. Diese werden mit so wenig wie möglich Kupferverlusten gebaut und erwärmen sich kaum im Leerlauf und bei Last.

Arbeitsbereich, (üblicher), eines Transformators

Man kann einen Transformator so planen und bauen, dass er sich bei allen im Betrieb enstehenden Vorkommnisse, die für seinen Betrieb kritisch sein können, neutral verhält, wie zum Beispiel: Erniedrigung der Betriebsfrequenz, Erhöhung der Speisespannung, Änderung der Spannungs-Kurvenform, Erhöhung der abgenommenen Leistung, usw.. Solch ein Trafo ist jedoch viel größer und teurer als ein genau auf die Bedingungen zugeschnittener Trafo. Auch sind die Betriebsbedingungen im europäischen Stromnetz nahezu konstant und ändern sich nur in schmalen überwachten Grenzen, wofür ein Transformator ohne Aufwand ausgelegt werden kann. Dadurch kann ein Transformator kleiner und preiswerter hergestellt werden, weil er nicht so viele Reserven im Aussteuerbereich mit herum schleppen muß. Im Wesentlichen kann sein Eisenpaket damit nur gerade so groß wie nötig ausgelegt werden. Die Material bedingte Hysteresekurve und das Myr kann damit in voller Höhe ausgenutzt werden.

Aussteuerungs-Bereich des Transformators

Siehe auch: Aussteuerungsbereich. Beim Transformator bezieht sich dieser Bereich auf den erlaubten Betrieb für Spannungshöhe, Frequenz, Strom und damit Leistung. Eine Zusammenfassung von mehreren Aussteuerungsbereichen, wie Spannungshöhe und Periodendauer, stellt hier die Betrachtung der Wirkung der einwirkenden Spannungszeitflächen dar. Siehe unten bei Sättigung und Clipping.

Sättigung des Kerns und Clipping

Clipping am Ende der Überspannungshalbwellen. Sichtbar durch Ausgangs-Spannungseinbruch und Stromanstieg am Eingang

Sättigung bedeutet beim Transformatoreisenkern immer, dass die Hysteresekurve durch die treibenden Spannungszeitflächen weiter als vorgesehen ausgesteuert wird. Die Bloch-Wände sind dann alle ausgerichtet und es kann der Kern nicht mehr weiter aufmagnetisiert werden. Der aufgenommene Blindstrom steigt dann nichtlinear sehr stark an. Sättigung tritt im Dauerbetrieb am Ende der Spannungshalbwellen dann auf, wenn die Spannungszeitfläche, welche auf die Primärspule einwirken, größer sind, als sie für die Trafoauslegung zugrundegelegt wurden. Siehe untenstehendes Bild vom Clipping und Hysteresekurve. Sättigung tritt aber auch beim Einschalten auf, wenn die Magnetisierung durch zum Magnetfluß asynchrones Einschalten über den Verlauf der Hysteresekurve hinausgetrieben wird. Siehe Einschaltstrom. Sättigung tritt auch dann auf, wenn zum Beispiel die Netzfrequenz erniedrigt wird und die Spannung dann breitere und damit pro Halbwelle größere Spannungszeitflächen besitzt oder wenn die Netzspannung erhöht wird und deshalb größere Spannungszeitflächen auf die Trafoprimärseite einwirken. Sättigung kann aber auch durch Oberwellenanteile in einer nicht mehr sinusförmig verlaufenden Netzspannung im Transformator erzeugt werden. Hierbei kann man die Vergrößerung der Spannungszeitflächen durch eine Formänderung der Spannung in Richtung Rechteckform verstehen. Transformatoren geraten dadurch in Überhitzung, was bei deren Auslegung berücksichtigt werden muss. Die Überhitzung entsteht, weil der große Sättigungs-Blindstrom am Kupferwiderstand der Primärspule eine zusätzliche Verlustleistung erzeugt. Oberwellen können auch durch Filter vom Transformator ferngehalten werden.

Clipping, Begrenzung der zu übertragenden Spannung tritt beim Transformator dann auf, wenn der Eisenkern in Sättigung gerät. Das heißt, der Effektivwert der Ausgangsspannung ist dann kleiner als die Eingangsspannung und das Windungsverhältnis vorgegeben. Der Scheitelwert muss davon aber nicht beeinflusst werden, siehe das Bild vom Clipping. Das Clipping kann, wie es schon bei der Sättigung beschrieben wurde, mehrere Ursachen haben.

Nebenstehende Bilder zeigen eine Demonstration wie Clipping bei einer Sinusförmigen Überspannung am Eingang eines kleinen 230-V-Ringkerntransformators mit 100 W wirkt, der sich zum Clippen sehr gut eignet, aufgrund seiner oben fast waagerecht verlaufenden Hysteresekurve.

Clipping am Ende der Überspannungshalbwellen. Sichtbar durch Spannungseinbruch der speisenden Quelle durch den Stromanstieg am Eingang, wegen der Sättigung des Kerns.

Das Clipping wirkt hier erst am Ende der sinusförmigen Spannungshalbwellen und kann deshalb nur bedingt als Überspannungsschutz benutzt werden, indem zum Beispiel eine Sicherung vor dem Transformator durch den einhergehenden Überstrom zum Auslösen gebracht wird. Was dann eher als Überlastungsschutz vor länger einwirkender Überspannung dient und keine plötzlich auftretenden Spannungsspitzen clippen kann, wie es zum Beispiel Varistoren können.

Berechnung von Transformatoren

Auslegung der Spulenwicklungen

Die Formel

${\frac {U_{1}}{U_{2}}}={\frac {I_{2}}{I_{1}}}={\frac {n_{1}}{n_{2}}}\,$

gilt nur für den Leerlauf bzw. den unbelasteten Zustand. Sobald in der Sekundärspule ein Strom zu einem äußeren Verbraucher fließt, teilt sich die Leerlaufspannung auf die inneren elektrischen Widerstände des Transformators und des Verbrauchers auf. Die Streuinduktivität führt ebenfalls zu einer Verringerung der Spannung.

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 aufgrund der Größe und des Materials ein Leistungsverlust bei der Übertragung von 10 % gegeben. Bei der vorgesehenen Nennleistung soll die Sekundärspule genau 240 Volt abgeben. Die Windungszahl wird daher bei 10 % Verlust für eine Leerlaufspannung von

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

ausgelegt. Bei Nennleistung liefert die Sekundärspule dann eine Spannung von

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

Auslegung des Eisenkernes

Die Formel für den Zusammenhang zwischen Windungszahl, Eisenquerschnitt und Spannung lautet

$N={\frac {\hat {U}}{2\pi f\cdot A_{e}\cdot {\hat {B}}}}\qquad (1)\,$

mit

N – Windungszahl

${\hat {B}}$ – Spitzenwert der Induktion (Flussdichte) in Tesla

${\hat {u}}$ – Spitzenwert der Spannung in Volt

A_e – effektiver magnetischer Kernquerschnitt in m²

f – Frequenz in Hz

Auf den Eisenquerschnitt umgestellt zeigt sich, dass der Eisenquerschitt mit zunehmender Frequenz kleiner bemessen werden kann:

$A_{e}={\frac {\hat {U}}{2\pi f\cdot N\cdot {\hat {B}}}}\qquad (2)\,$

Messwandler-Trafo

Als Messwandler werden in der Elektrotechnik (Stromnetz, Schaltanlagen, Energieversorgung) Geräte zur Messung von Strom, Spannung, Leistung, Leistungsfaktor und Energieverbrauch benötigt, wenn die Messgröße direkt nicht verarbeitet oder übertragen werden kann.

Spannungswandler-Trafo

====Siehe:Messwandler Oft muss auch die Spannung heruntertransformiert werden, um sie messen zu können. Die dazu verwendeten Spannungswandler sind für Messungen gegen Erde/Neutralleiter oder auch zur Messung der Spannung zwischen den Außenleitern ausgeführt.

Gängige Nenn-Sekundärwerte von Stromwandlern sind 5 A, von Spannungswandlern 100 V.

Stromwandler-Trafo

====Siehe:Messwandler

Strom-Messwandler an drei Einzelleitern für Drehstrom

Für die Messung hoher Wechselströme Messwandler verwendet, mit denen der Strom auf niedrige und für das Messgerät konforme Werte heruntertransformiert werden.

Strommesswandler: Als Durchsteckwandler ausgeführte Stromwandler bestehen nur aus der Sekundärspule und dem Kern (Zangenamperemeter). Die Primärwicklung wird durch eine durchgesteckte Leitung des Leistungsstromkreises gebildet. Sie hat dann eine Windung. Die Leitung kann ggf. für kleinere zu messende Ströme auch mehrmals durch den Messwandler geführt werden, um den Messbereich gemäß den folgenden Formeln anzupassen:

${\frac {I_{1}}{I_{2}}}={\frac {n_{2}}{n_{1}}}\ \qquad oder\qquad {\frac {U_{1}}{U_{2}}}={\frac {n_{1}}{n_{2}}}\,$.

Ein Stromwandler muß aus mehreren Gründen immer an eine(n) niederohmige Bürde, (Lastwiderstand oder ein weiterer Strom-(Summen)- Wandler angeschlossen werden und dürfen nie offen betrieben werden. Erstens würden bei schnellen Stromänderungen hohe Spannungen am Ausgang entstehen, welche die Isolation seiner Wickeldrähte durchschlagen könnte und zweitens würde beim Normalbetrieb mit einem zu hochohmigen Abschluss die Ausgangsspannung den Kern schon vor dem Ende einer Stromhalbwelle am Eingang, in Sättigung bringen und die Messung verfälschen.

Betriebszustände von Trafos

Einschalten von Transformatoren

Siehe: Einschaltstrom, Einschaltstrombegrenzer, Transformatorschaltrelais

Das Einschalten eines Transformators erzeugt meistens einen Einschaltstromstoß. Dabei gerät das Tranformatoreisen mehr oder weniger in Sättigung und kann durch die anliegende Netzspannung nicht mehr weiter magnetisiert werden. Der Strom der dann zum Beispiel bei einem Einphasentransformators in die Primärspule hineinfließt wird dann nur noch durch den Kupferwiderstand derselben begrenzt und kann dann für wenige Millisekunden lang, einen Wert bis zum achtzigfachen des Nennstromes betragen.

Beim Einphasentransformator muss unterschieden werden, ob der Eisenkern einen Luftspalt hat oder nicht. Bei einem deutlichen Luftspalt im Eisenkern wie zum Beispiel bei geschweißten EI-Trafos, ist die Hysteresekurve des Transformators so ausgebildet, dass sie die senkrechte Achse bei Feldstärke Null mit der oberen und der unteren Kurve fast bei der Induktion Null schneidet. Die Remanenz, bleibende Magnetisierung, ist damit fast Null. Das Einschalten im Scheitel der Netzspannung ist nur für solche Transformatoren ein geeigneter Einschaltzeitpunkt, um Einschaltstromstöße zu vermeiden.

Bei einem geschachtelten Transformator oder erst recht bei einem Ringkerntrafo ist kaum ein Luftspalt oder gar keiner vorhanden. Die Remanenz ist folglich, je nach dem wie der Transformator ausgeschaltet wurde, sehr hoch. Beim Ausschalten zum Ende einer positiven Netzhalbwelle ist die Remanenz auf dem maximalen positiven Punkt der Achse bei Feldstärke Null. Ein Einschalten zum Beginn einer positiven Netzhalbwelle trifft dann auf die schon maximale positive Remanenz und kann den Kern nur noch bis zum positiven Wendepunkt der Hysteresekurve wenig aufmagnetisieren. Dafür ist bei einem Ringkerntranformator nur eine geringe Spannungszeitfläche von wenigen Milli-Volt-Sekunden nötig; siehe Hysteresekurve eines Ringkerntrafos. Für den Rest der positiven Spannungshalbwelle zieht der Transformator dann einen großen Sättigungsstrom aus dem Netz und löst die Absicherung aus. Wird der positiv gepolte Transformator dagegen andersherum mit dem Beginn der negativen Spannungshalbwelle eingeschaltet, so entsteht nur ein sehr geringer Einschaltstromstoß. Es gibt viele Versuche, die Remanenz des Transformators vor dem Einschalten zu kennen und entsprechend richtig einzuschalten. Am Einfachsten gelingt das beim so genannten Trafoschaltrelais, das den Transformator vor dem Voll-Einschalten zuerst in der richtigen Dosis vormagnetisieren. Es gibt umfangreiche Hinweise zu dem "Komplex Einschaltstrom vermeiden" und über die Wirkung der Spannungszeitflächen bei der Magnetisierung des Eisenkerns im Transformator nicht nur beim Einschalten, was hier den Rahmen sprengen würden. Nur soviel sei hier noch gesagt: Die Spannungszeitflächen sind es welche die Ummagnetisierung im Eisenkern bewirken, nicht der Leerlauf-Primärstrom. Der ist nur die Wirkung der Ummagnetisierung des Transformatoreisens im Leerlauf und die Antwort des Trafos darauf.

Beim Drehstromtransformator ist der Vorgang durch die Beeinflussung des Eisenkernes durch alle drei Primärspulen komplexer. Mit einem Transformatorschaltrelais für Drehstromtransformatoren kann ein leerlaufender Dy5-Trafo mit nur dem Leerlaufstrom eingeschaltet werden.

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. Dabei verhalten sich die Spannungen in guter Näherung wie die Windungszahlen.

Leerlaufstrom eines 1-kVA-Ringkerntrafos von ca. 25 mA

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

Bei Transformatoren mit einem Luftspalt im Kern ist der Leerlaufstrom höher als bei Transformatoren ohne Luftspalt. Ein Ringkerntransformator besitzt den geringsten Leerlaufstrom (siehe nebenstehendes Bild), mit geschweißtem EI-Kern ist der Leerlaufstrom ca. 50 - 100-mal größer. Dieser Magnetisierungsstrom ist unerwünscht, da er nur indirekt zur Leistungs- bzw. Signalübertragung beiträgt und zur Erwärmung des Transformators und der Zuleitungen beiträgt. Er ist umso geringer, je größer die Induktivität der Spulen auf Primärseite ist und je größer die Signalfrequenz ist.

Hysterese- und Wirbelstromverluste sind weitgehend unabhängig von dem mit dem Transformator übertragenen Strom. Im Leerlauf kann man diese Verluste direkt messen, da die sonstigen Verluste wegen der nur geringen Ströme im Leerlauf vernachlässigbar klein sind. Es ist dabei belanglos, ob eine Sekundärspule vorhanden ist oder wie sie ausgeführt ist.

Der Magnetisierungsstrom, Leerlaufstrom, wird nicht auf die Sekundärseite übertragen, er dient einerseits zum Aufbau der (Selbst)Induktionsspannung in der Primär und Sekundärspule und hängt andererseits sehr stark ab von der Bauform des Kernes, dessen Materialeigenschaften und der Auslegung des Trafos bezüglich Bmax. Er enthält einen Anteil der für die Ummagnetisierung benötigt wird und mit der Netzspannung fast in Phase liegt und einen Anteil der für die Magnetisierung des Luftspaltes, (der verteilten Luftspalte) im Kern nötig ist. Dieser Anteil eilt der Spannung um 90 Grad nach und wird nach der Umpolung der Netzspannung wieder ans Netz zurückgegeben. Das ist der sogenannte Blindstrom. Wenn der Eisenkern zu klein ist, sind alle Weiss-Bezirke parallel zur Spulenachse, zum Ende der Spannungszeitfläche orientiert, dann kann sich Φ nicht mehr ändern, die Selbstinduktion kann keine Gegenspannung mehr induzieren und der Strom durch die Primärspule steigt steil an (rote Kurve im Bild). Gleichzeitig strebt die Spannung in der Sekündärspule gegen Null - das ist unerwünscht! In diesem Moment wird besonders viel Energie aus dem Stromnetz entnommen und wenig an die Sekundärspule übertragen. Als Folge kann die Primärsicherung durchbrennen. Das passiert auch wenn ein Trafo für 115V an 230V betrieben wird.

Kurzschlussbetrieb

Kurzschlussspannung

Die Kurzschlussspannung ist die Spannung, die bei kurzgeschlossener Sekundärwicklung an der Primärwicklung liegen muss, damit die Primärwicklung den Nennstrom aufnimmt. Indem man diese bestimmt, kann man einen Transformator hinsichtlich seines Innenwiderstandes und seiner Effizienz testen und charakterisieren. Die Kurzschlussspannung ist eine wichtige Kenngröße von Leistungstransformatoren und wird in Prozent der Primär-Nennspannung angegeben. Sie soll in der Regel möglichst klein sein, damit auch bei hoher Last die Spannung an der Sekundärspule nur geringfügig abfällt.

Bei Klingel- und Streufeldtransformatoren (Leuchtreklame, Schweißtransformator) ist die Kurzschlussspannung dagegen hoch, denn diese Transformatoren sollen kurzschlussfest sein bzw. dienen der Strombegrenzung.

Auch Transformatoren in Hoch- und Höchstspannungsnetzen (ab 220 kV) besitzen relativ große Kurzschlussspannungen (8 – 15 %). Dadurch sind die Kurzschlussströme in diesen Netzen begrenzt.

Bei parallel geschalteten Transformatoren gleicher Leistung sollten die Kurzschlussspannungen möglichst gleich sein, so dass der Trafo mit der kleineren Kurzschlussspannung nicht stärker belastet wird, als es dem Verhältnis der Nennleistungen entspricht.

Überlast und Kurzschlussimpedanz

Wenn an der Sekundärwicklung des Transformators erheblich mehr als die Nennleistung entnommen wird, liegt der sog. Überlast-Betrieb vor. Dies führt zum Zusammenbruch der Sekundärspannung, diese verringert sich erheblich.

Zunehmende Stromentnahme bedeutet Abnahme des Verbraucherwiderstandes, die Sekundär- bzw. Leerlaufspannung verteilt sich nun auf den Innenwiderstand des Transformators und den Verbraucherwiderstand zugunsten Ersterem:

$U_{o}=I\cdot R_{i}+I\cdot R_{v}\,$

mit

$R_{i}$ – wirksamer Innenwiderstand des Transformators

$R_{v}$ – Verbraucherwiderstand

Daraus folgt:

$U_{o}=U_{i}+U_{v}\,$

mit

$U_{o}$ – Leerlaufspannung

$U_{v}$ – Spannung am Verbraucher

$U_{i}$ – Spannungsabfall am insgesamt wirksamen Innenwiderstand des Transformators

Wird – bei konstantem Innenwiderstand des Transformators – der Verbraucherwiderstand immer kleiner, dann verschiebt sich somit die Spannungsverteilung hin zu einem kleineren Anteil der Verbraucherspannung. Sind $U_{v}$ und $U_{i}$ gleichgroß, liegt sog. Leistungsanpassung vor, die Verlustleistung gleicht der Ausgangsleistung, die Leistungsabgabe des Transformators erreicht ihr Maximum, der Wirkungsgrad beträgt 50 %. Nur sehr kleine Transformatoren können dauernd in diesem Bereich betrieben werden, ohne thermisch überlastet zu werden.

Die Be- oder Überlastung führt im Eisenkern zu einer Verringerung der Erregerfeldstärke (nicht, wie oft fälschlicherweise angenommen, zu einer Erhöhung). Der Grund ist die durch den ohmschen Spannungsabfall in der Primärwicklung verringerte wirksame Spannung. Dadurch sinkt auch der durch die Primärinduktivität bestimmte Blindstrom. Der höhere primärseitige Wirkstrom wird dagegen durch den Sekundärstrom kompensiert und trägt nicht zur Magnetisierung bei.

Im Unterschied zu einem direkten Kurzschluss wirkt ein Transformator bei sekundärseitigem Kurzschluss primärseitig eher wie eine Drossel.

Belasteter Transformator

Wird einem Transformator sekundärseitig Strom entnommen, erzeugt dieser im Eisenkern ein zusätzliches magnetisches Wechselfeld. Dieses ist nach der lenzschen Regel dem Magnetfeld, das durch den Primärstrom verursacht wird, entgegengerichtet und schwächt es. Das effektive Magnetfeld ist bei Belastung geringer als im unbelasteten Fall – die Flussdichte Φ sinkt etwas. Das verringert die Selbstinduktionsspannung U_ind in der Primärwicklung, die Differenz U_Netz-U_ind steigt und als Folge wächst der Primärstrom.

Nennlast-Betrieb

Streufelder im zweischenkligen Trafos

Der durch die äußere Belastung fließende Strom in der Ausgangswicklung erzeugt einen entgegengesetzten magnetischen Fluss. Dadurch wird das Magnetfeld der Eingangswicklung geschwächt. In die Eingangswicklung wird dadurch weniger Spannung induziert, was wiederum zu einer erhöhten Stromaufnahme führt.

Das Magnetfeld bzw. die Flussdichte ist bei Belastung aufgrund der Kupferverluste (Spannungsabfall) etwas geringer als im unbelasteten Fall. Die Gegenspannung in der Primärwicklung wird kleiner.

Für die Scheinleistung S eines idealen (verlustfreien) Transformators gilt:

$\,U_{1}I_{1}=U_{2}I_{2}$

und da sich die Spannungen wie die Windungszahlen verhalten, verhalten sich folglich die Ströme (bzw. deren Beträge) umgekehrt wie die Windungszahlen:

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

Der entnommene Strom wird also mit dem reziproken Windungszahlverhältnis auf die Primärseite transformiert. Bei wenigen Sekundärwindungen lassen sich daher hohe Ströme erzeugen, sofern der Drahtquerschnitt ausreichend groß ist. Beispiel: Widerstandsschweißen.

Wenn an der Sekundärwicklung des Transformators die dauerhaft max. zulässige Leistung entnommen wird, heißt das, es wird Nennleistung entnommen, dies wird als Nennlastbetrieb 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 = Nennspannung; U_o = Leerlaufspannung und U_i = Spannungsabfall am Innenwiderstand des Transformators. Das ist die Summe aus dem Spannungsabfall an der Sekundärwicklung und dem mit dem Windungszahlverhältnis transformierten Spannungsabfall der Primärwicklung. Hinzu kommt ein Spannungsabfall aufgrund des Streuflusses, der bei Belastung aufgrund von Feldverdrängung ebenfalls ansteigt und die erhöhten ohmschen Spannungsabfälle an den Wicklungen.

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 6158-2-8 (VDE 0570 Teil 2-8): 1999-06, Besondere Anforderungen an Klingel- und Läutewerkstransformatoren
• 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

Spezielle Transformatoren

• Anlasstransformator
• Dreiphasenwechselstrom-Transformator
• Zeilentransformator
• Planartransformator
• Spartransformator

• Kern: Magnetostriktion

Bestandteile und Zubehör

• Buchholz-Relais
• Spannungsregelung

Literatur

• Hans-Ulrich Giersch, Hans Harthus, Norbert Vogelsang: Elektrische Maschinen. 5. Auflage. Teubner Verlag, 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. 
• Rolf Fischer: Elektrische Maschinen. 12. Auflage. Hanser, ISBN 3-446-22693-1, S. 408. 
• Adolf J. Schwab: Elektroenergiesysteme – Erzeugung, Transport, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie. Springer-Verlag, 2006, ISBN 3-540-29664-6. 

Weblinks

Wiktionary: Transformator – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Wikibooks: Vom Umgang mit Einphasentransformatoren – Lern- und Lehrmaterialien

• Versuche und Aufgaben zum Transformator
• Lernprogramm Transformator
• Informationsseite mit interaktiven Übungen zum Transformator
• Simulation eines Transformators – engl.
• Auswahl und Berechnung von Klein-Transformatoren
• Erklärung der Vorgänge im Transformator und der Transformator Physik, die mittels Messkurven anschaulich belegt wird
• Wikobook von emeko, "Vom Umgang mit EInphasentransformatoren"

Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Elektrische Maschine Kategorie:Induktanz !

Meine Spielwiese für Unterartikel zum Transformator, auf die vom Transformatorartikel aus, siehe oben, verwiesen werden soll

Bilder von verschiedenen Trafos.

Summenstromwandler von innen, 2 Spulen für Eingänge, eine Spule für Ausgang

Stromwandler für 50A zu 50 mA

Luftspulentrafo, ohne den Kern der dahinter steht

gleiche Spulen wie Luftspulentrafo aber mit Kern

Kern und Ringkerntrafo daraus hergestellt

Trafo mit geschweißtem Kern und 2-Kammerwicklung

drei große Ringkerntrafos a 3kVA und ein kleiner a 100VA

Wer magnetisiert den Trafo, der Leerlaufstrom oder die Spannungszeitfläche?

Beim Betrieb mit eingeprägten Strom, wie beispielsweise eines Stromwandlers, ist es der Eingangsstrom der den Leerlauf- oder Magnetisierungsstrom und Bürdenstrom treibt. Siehe unten, "Zur Formel mit dem Strom".

Beim Betrieb mit eingeprägter Spannung ist es die Spannungszeitfläche einer Spannungshalbwelle, welche über den sich einstellenden Strom die Magnetisierung, Den Magnetfluss in der Spule oder dem Spulenkern aufbaut. Siehe unten: "Trafo Betrieb mit eingeprägter Spannung."

Zur Formel mit dem Strom

$U_{ind}=N_{sek}\cdot {\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} t}}=N_{sek}\cdot A\cdot {\frac {\mathrm {d} B}{\mathrm {d} t}}=N_{sek}\cdot \mu _{r}\cdot \mu _{0}\cdot {\frac {A\cdot N_{p}}{l}}\cdot {\frac {\mathrm {d} I_{p}}{\mathrm {d} t}}$

Bei einem Kern mit zum Beispiel einem großen diskreten oder verteilten Luftspalt, letzteres bei Ferriten üblich, wird aber für Stromwandler nicht verwendet, wird der Magnetisierungsstrom des leerlaufenden Stromwandlers "zu 99%" zum Aufbau des Magnetfeldes im Luftspalt benötigt. Und dieser Strom ist um den Faktor des Myr also viel größer als beim Wandler mit einem hochpermeablen Ringkern. Vor allem ändert sich dieser Strom dann zum Magnetfeldaufbau für die Luftspaltvariante linear, wie es die Magnetisierungskennlinie der Luft sagt. Und dann wird der Eingangsstrom also tatsächlich differenziert, vom Dreieck zum Rechteck, was auch messtechnisch nachgewiesen werden kann.

Im folgenden Bild ist der Zusammenhang zwischen Spannungszeitfläche, Hysteresekurve und Leerlaufstrom eines Ringkerntrafos zu sehen.

Spannung über Hysteresekurve über Strom

Das Bild zeigt im unteren Teil, wie der geringe Magnetisierungs-Strom mit konstanter Höhe verläuft, solange der Fluss im senkrechten Teil der Hysteresekurve bewegt wird. Am Ende der Hysteresekurve steigt der Strom steil an, weil das Eisen schon leicht in Sättigung gerät. Der Scheitel der Stromüberhöhung liegt exakt im Spannungsnulldurchgang. Im senkrechten Teil der Hysterese-Kurve, ist bei steigendem Magnetfluss das Magnetfeld und damit der Strom konstant, obwohl die Induktion oder der Fluss Phi, von der Spannungszeitfläche getrieben, zunimmt. Der Strom kann durch die senkrechte Projektion auf die H- Achse und der Feldlinienlänge ermittelt werden.

• Im gebräuchlichen Stromwandler wird hochpermeables Eisen verwendet, ohne Luftspalt. Also ist er ein Ringkerntrafo mit seinen typischen Magnetsierungseigenschaften die im Bild rechts dargestellt sind. Man sieht deutlich, dass der Magnetisierungs-Strom im linearen, senkrechten Bereich der Hysteresekurve, und nur dort wird der Wandler betrieben, nahezu konstant verläuft.

Das entspricht auch dem Wandlerbetrieb ohne Bürde, der bis zum Beginn der Sättigung, also mit kleinen Primärströmen durchaus für Messzwecke zulässig ist. Dann ist der Eingangsstrom nur der Magnetisierungsstrom!!! Siehe die entpr. Messungen.

• Und wenn nun der Eingangs-Strom konstant ist, dann wird, wenn er differnziert wird Null Spannung rauskommen.

Das Myr ist in diesem Bereich auch konstant, trägt also nicht zur U Erhöhung bei. Die Induktionsdichte steigt jedoch proportional der einwirkenden Spannungszeitfläche, woher denn sonst? Weshalb auch siehe der erste Teil der Formel, mit dB /dt, die SPANNUNG steigt, aber um Gotteswillen nicht differenziert wird.

• Es ist beim Stromwandler ohne Bürde logischerweise zuerst der Strom der das Feld und gleichzeitig den zugehörigen Fluss aufbaut. Der Magnetfluss ist jedoch, genauso wie das Feld mit dem Magnetfluss, auch mit der Spannungszeitfläche verkettet.

Wird jedoch am Stromwandlerausgang eine BÜRDE angeschlossen, so wird ein Teil des Eingangsstromes über die Bürde fliessen, den Magnetisierungsstrom dadurch schwächen und kleinere Spannungszeitflächen am Ausgang verursachen. Da man den Magnetisierungsstrom im Nennbetrieb des Stromwandlers, immer mit Bürde, jedoch nicht direkt messen kann, ist es auch hier anschaulicher von der Wirkung der Spannungszeitflächen auf den Kern zu sprechen. Denn charakteristisch für den Eintritt der Sättigung eines Kernes ist immer die Überschreitung seiner auslegungsgemäßen Spannungszeitfläche und nicht die Überschreitung seines Eingangs-Stromes alleine, denn die Bürde spielt da eben auch noch mit. Die 3 Ströme (primär, sekundär und Mag. Strom) müssen sich geometrisch addiert immer zu 0 ergänzen. Der Primärstrom hängt nur von der "eingeprägten" Spannung und der Last im Primärkreis ab und wird durch die Magnetisierung des Kernes ohne oder mit dass dieser gesättigt wird, nicht beeinflusst. Wenn also der Sekundärstrom zunimmt durch eine ohmisch kleiner werdende Bürde, dann muß dafür der Magnetisierungsstrom abnehmen und die Spannungszeitfläche am Ausgang wird entsprechend kleiner. Die Betrachtung der Spannungszeitfläche alleine reicht also, die Magnetisierung des Kernes zu beschreiben, um zu beurteilen ob er beim Betrieb in Sättigung gehen kann oder nicht.

Messungen an einem Stromwandler Hier die Bilder meiner Stromwandler Messung im Rückwärtsbetrieb.

Bild 13, Stromwandler von hinten gespeist, noch nicht gesättigt

Bild 12, Stromwandler von hinten gespeist, gesättigt

Ob ich den Wandler mit 1k Ohm oder 200 Ohm oder 5 Ohm abschliesse spielt solange keine Rolle wie er dabei, abhängig vom Stromsignal durch das Kernloch noch nicht in Sättigung geht. Natürlich ist die Ausgangssignalspannung dann unterschiedlich, denn der Wandler wandelt 50A zu 50ma. (Umgekehrt wie das Windungsverhältnis.)

Trafo Betrieb mit eingeprägter Spannung

• Beim Betrieb des Trafos mit eingeprägter Spannung ist es so, daß die Spannung zuerst da ist und dann den Strom hervorruft usw. usw.. Es ist also ein vorwärts-rückwärts Henne-Ei-Problem, bei dem abhängig vom Standpunkt jeder Recht hat.

Differenziert jeder Trafo?

Gegenbeweis, zur Aussage jeder Trafo differenziert, denn jeder Trafo kann auch ein Ringkerntrafo sein der über einen großen Vorwiderstand betrieben wird, siehe Bild 34 und 35:

Bild 34, 100VA Ringkerntrafo über 600 Ohm mit Dreieckspannung gespeist

und

Bild 35,100VA Ringkerntrafo über 600 Ohm mit Dreieckspannung gespeist

Hier ist kein Differenzieren zu beobachten, sondern nur ein Sättigungseffekt des Eisens bei zu großen Spannungszeitflächen.

Der Sonderfall des Differenziertrafos, der einen großen Luftspalt oder gar kein Eisen und einen großen Vorwiderstand haben muß gilt auch nicht nur bei tiefen Frequenzen. Beweis Bild 13, wo A= Ufktgen. B= Usek.ist und 14, wo A= Uprim und B= Usek ist, wo zu sehen ist, daß die Dreieckspannung auch eine höhere Frequenz haben kann und dann immer noch ein Rechteck entsteht, was aber schon am Eingang des Trafos ansteht, siehe Bild 14, eben schon nach dem Vorwiderstand und nicht erst nach dem Trafo:

Bild 13, 1kVA Schnittbandkerntrafo mit 2mm Luftspalt über 33 Ohm mit Dreieckspannung gespeist, A= Ufkt.gen, B= Usek

Bild 14, 1kVA Schnittbandkerntrafo mit 2mm Luftspalt über 33 Ohm mit Dreieckspannung gespeist, A= Uprim, B= Usek.

Anschaulichkeit der Betrachtung der Spannungszeitflächen Wirkung am Trafo

Übersteuerte Ringkerne machen es anschaulich, wie die Spannungszeitflächen wirken, wenn man einen 115V Trafo an 230V legt. Das versteht jeder Laie. Denn ab der halben Spannungszeitfläche einer jeden Halbwelle, geht der Kern in Sättigung und zieht, wenn das Netz niederohmig ist, einen goßen Strom aus diesem, der nur durch die Impedanzen des Stromnetzes und des Kupferwiderstandes des Trafo Primärwickels begrenzt wird. Ist die Netzimpedanz durch vorschalten einen Widerstandes erhöht, so fällt die ganze Netzspannung an diesem Widerstand ab, solange das Eisen dabei für den Rest der Halbwelle gesättigt bleibt.

Ringkerntrafo Betrieb mit zu geringer Frequenz (oder zu hoher Spannung, sieht ähnlich aus),über 300 Ohm Vorwiderstand gespeist, als Strombegrenzung.

Ringkerntrafo Betrieb mit Dreieckspannung, über 300 Ohm Vorwiderstand gespeist, als Strombegrenzung.

Weil der normale Magnetisierungsstrom des ungesättigten Trafos mit ca. 1mA nur wenig Spannungsabfall am Widerstand erzeugt, entsprechen die Messkurven dem echten Nenn-Magnetisierungs-Betrieb.

Luftspulen-Transformator

hier den Luftspulentrafo-text in .rtf form anstelle eingeben.

Spulen von Schnittbandkerntrafo, dahinter der herausgenommene Kern

Spulen von Schnittbandkerntrafo, dahinter der herausgenommene Kern

Demonstration der Wirkungsweise der Induktion.

Messschema von Luftspulentrafo ohne Eisenkern

Der Luftspulentrafo wird durch den Strom aus dem Rechteckgenerator mit + - 20V / 300 Ohm mit 66 mA hin und her "aufmagnetisiert" Solange sich die Feldstärke und damit die Induktionsdichte ändert, wird eine Spannung induziert, die Schon an der Primärspule als Gegeninduktionsspannung messbar ist und am Ausgang entsprechend der Übersetzung erscheint ohne einen Phasenversatz zu haben.

Bild 44, Lufttrafo gespeist über 300 Ohm, A= Ufktgen, B= Usek. ist Differenziersignal

Bild 44a, Lufttrafo gespeist über 300 Ohm, A= Ufktgen, B= Usek. ist Differenziersignal gedehnt dargestellt

Hier ist er, die Anordnung eines Pseudo-Differenziertrafos an dem man auch etwas über den Trafo lernen kann. Klar wenn man einen großen 300 Ohm Vorwiderstand vor die niederohmige Primärspule, (2 Ohm) schaltet, fällt nach kurzer Zeit von hier ca.50 Microsekunden, eben die Dauer des Differenzierten Signales, die ganze Spannung am Vorwiderstand ab und nichts ändert sich dann mehr an Feldstärke H Induktionsdichte B. Der dann fliessende Strom von hier 66mA erzeugt die Feldstärke und das B in Luft von .....

Reicht es immer nur den Formeln zu vertrauen, insbesondere wenn man Annahmen treffen muß?

• Fazit: Es reicht also nicht aus nur auf die Formeln zu vertrauen, es muß immer nachgeprüft werden was wie in diesem Beispiel, im Trafo passiert und das geht für mich eben am besten durch die Messtechnik. Der Strom sagt genau was im Eisen passiert. So habe ich ja auch die Widersprüche in den Lehrbüchern entdeckt, die sagen: Ein Trafo gehört am besten im Scheitel der Netzspannungshalbwelle eingeschaltet, seine Remanenz ist gering, usw..Siehe Trafoschaltrelais.

Diesen Fehler, nur den Formeln zu vertrauen, machen viele Fachleute, auch Wissenschaftler nach meiner Erfahrung.