Elektrische Transformatoren

Ein Transformator ist ein elektromagnetisches Gerät, das elektrische Energie von einem Stromkreis in einen anderen umwandelt, ohne deren Frequenz oder Leistung zu verändern. Transformatoren tragen zur Verbesserung der Effizienz und Sicherheit von Stromnetzen bei, indem sie die Spannung je nach Bedarf anheben oder absenken. Der Transformator arbeitet nur mit einem Wechselstromsignal an seinem Eingang, kann aber durch Hinzufügen einiger Halbleiterbauelemente auch Gleichstromsignale erzeugen. In diesem Artikel werden die wichtigsten Typen, Verdrahtungen und Anwendungen von Transformatoren sowie die Verwendung eines Transformators zur Erzeugung von Gleichstrom beschrieben.

Inhaltsübersicht

• Funktionsprinzip eines Transformators
• Konstruktion von Transformatoren
• Typen von elektrischen Transformatoren
• Verdrahtung und Symbol des Transformators
• DC-Transformatoren
• Trenntransformator
• Anwendungen für Transformatoren

Funktionsprinzip eines Transformators

Ein Transformator funktioniert nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion, das besagt, dass ein stromdurchflossener Leiter ein Magnetfeld um sich herum erzeugt und umgekehrt. Ein Transformator besteht aus zwei Gruppen von Drähten (siehe Abbildung 2):

• Primärwicklung (A): sammelt die Leistung
• Sekundärwicklung (B): liefert Strom

Die Primär- und Sekundärwicklungen sind zusammen auf einen magnetischen Eisenkreiskern gewickelt, aber diese Spulen sind nicht miteinander in Kontakt, wie in Abbildung 2 zu sehen ist. Der Kern besteht aus einem weichmagnetischen Material, das aus miteinander verbundenen Lamellen besteht (Abbildung 2, Kennzeichnung C), um den Kernverlust zu verringern. Der Kernverlust ist der Energieverlust innerhalb des Kerns, der durch einen wechselnden magnetischen Fluss verursacht wird. Ein instabiles Magnetfeld zerstört schließlich die Funktionsfähigkeit des Kernmaterials.

Wenn die Primärwicklung (Abbildung 2, Bezeichnung A) an eine Wechselstromquelle angeschlossen wird, fließt Strom durch die Spule, und ein magnetischer Fluss wird induziert. Ein Teil dieses Magnetfelds verbindet sich durch gegenseitige Induktion mit den Sekundärwicklungen (Abbildung 2, Bezeichnung B) und erzeugt so einen Stromfluss und eine Spannung auf der Sekundärseite (Lastseite). Die an der Lastseite erzeugte Spannung ist proportional zur Anzahl der Windungen in der Sekundärwicklung im Verhältnis zur Anzahl der Windungen in der Primärwicklung. Die Spannungs- und Stromtransformation ist gegeben durch:

V1 / V2 = N1 / N2 = I2 / I1

• V1: Spannung an der Primärwicklung des Transformators
• V2: An der Sekundärwicklung (Last) des Transformators erzeugte Spannung
• N1: Anzahl der Windungen in der Primärwicklung
• N2: Anzahl der Windungen in der Sekundärwicklung
• I1:Strom in der Primärwicklung
• I2:Strom durch die Sekundärwicklung

Konstruktion von Transformatoren

Je nachdem, wie die Primär- und Sekundärwicklungen um den zentralen laminierten Stahl- oder Eisenkern gewickelt sind, gibt es zwei grundlegende Konstruktionsarten von Transformatoren:

• Kerntransformator: Bei einem Kerntransformator sind die Primär- und Sekundärspulen außen gewickelt und umgeben den Kernring, wie in Abbildung 3 dargestellt.
• Schalentransformator: Bei einem Manteltransformator verlaufen die Primär- und Sekundärwicklungen innerhalb des magnetischen Stahlkerns und bilden einen Mantel um die Wicklungen, wie in Abbildung 4 dargestellt.

In unserem Artikel über Einphasentransformatoren finden Sie eine vollständige Liste der Transformatorenteile und ihrer Funktionen.

Aufbau des Transformatorkerns

Kern-Transformatoren

Bei der Kerntransformator-Konstruktion ist eine Hälfte der Wicklung um jeden Schenkel des magnetischen Kreises des Transformators gewickelt (Abbildung 3, Kennzeichnung B). Die Hälfte der Sekundärwicklung und die Hälfte der Primärwicklung sind konzentrisch auf jedem Bein übereinander angeordnet. Dies ermöglicht eine verstärkte magnetische Kopplung zwischen den Wicklungen (Abbildung 3, Kennzeichnung A). Dadurch können praktisch alle magnetischen Kraftlinien gleichzeitig die Primär- und die Sekundärwicklung passieren. Bei dieser Art der Transformatorenkonstruktion fließt jedoch ein kleiner Prozentsatz der magnetischen Kraftlinien außerhalb des Kerns (sogenannter Streufluss).

Die zylindrischen Spulen haben verschiedene Schichten, die gegeneinander isoliert sind. Materialien wie Papier, Stoff oder Glimmer werden üblicherweise zur Isolierung verwendet. Niederspannungswicklungen werden in der Nähe des Kerns angeordnet, da sie leichter zu isolieren sind.

Mantel-Transformatoren

Bei einem Manteltransformator sind die Primär- und Sekundärspulen in Schichten gewickelt und mit einer Isolierung dazwischen montiert (Abbildung 4, Kennzeichnung A). Sowohl die Primär- als auch die Sekundärwicklungen sind auf denselben mittleren Schenkel gewickelt, der die doppelte Querschnittsfläche der beiden äußeren Schenkel aufweist. Ein geeignetes Isoliermittel trennt die beiden Wicklungen. Da Primär- und Sekundärspulen dicht beieinander gewickelt sind, hat ein Manteltransformator den Vorteil, dass er die Kernverluste verringert und den Gesamtwirkungsgrad erhöht.

Transformatorbleche

Bei den im Transformatorenbau verwendeten Blechen handelt es sich um dünne Streifen isolierten Metalls, die miteinander verbunden sind, um einen festen, aber laminierten Kern zu bilden. Ein großer massiver Eisenkern als magnetisches Kernmaterial des Transformators führt zu Kernproblemen wie Wirbelstromverlusten. Daher ist die Aufteilung des magnetischen Pfades in viele dünne gepresste Stahlformen, die so genannten Lamellen, unerlässlich.

Die Primär- und Sekundärspulen werden zunächst auf einen Spulenkörper mit rechteckigem, zylindrischem oder ovalem Querschnitt gewickelt, der dem Aufbau des Blechpaketes entspricht. Der Spulenkörper bestimmt den Arbeitsraum, die Verbindungswege und die Richtung des Wärmeflusses. Die einzelnen Lamellen werden aus größeren Stahlblechen ausgestanzt und zu dünnen Stahlstreifen geformt, die den Buchstaben "L", "E", "U" und "I" ähneln, wie in Abbildung 6 zu sehen.

Typen von Transformatorkernen

Die Lamellenstanzteile bilden, wenn sie miteinander verbunden sind, die erforderliche Kernform. So ergeben z. B. "E"-Stempel und ein am Ende schließender "E"-Stempel einen E-E-Kern, der ein Element eines Standardtransformatorenkerns in Schalenbauweise bildet (siehe Abbildung 5). Die einzelnen Bleche werden während der Bauphase fest miteinander verbunden, um den Luftspaltwiderstand an den Verbindungsstellen zu verringern und so eine hoch gesättigte magnetische Flussdichte zu erzeugen.

Typen von elektrischen Transformatoren

Kerntransformator und Manteltransformator

Aufgrund ihrer Bauweise werden Transformatoren in Kerntransformatoren und Manteltransformatoren unterteilt.

Aufwärtstransformator und Abwärtstransformator

Je nach ihrem Zweck werden Transformatoren in Aufwärtstransformatoren und Abwärtstransformatoren unterteilt.

• Ein Aufwärtstransformator erhöht die Spannung an den Sekundärwicklungen im Vergleich zu derjenigen auf der Primärseite (mit einer anschließenden Verringerung des Stroms).
• Ein Abspanntransformator senkt die Spannung an den Sekundärwicklungen gegenüber der Primärseite (und erhöht damit den Strom).

Einphasentransformator und Dreiphasentransformator

Auf der Grundlage der Stromversorgung werden Transformatoren in Einphasentransformatoren und Dreiphasentransformatoren unterteilt. Einphasentransformatoren arbeiten mit einem einphasigen Stromnetz, während ein Dreiphasentransformator mit einem dreiphasigen Stromnetz arbeitet.

Leistungstransformator, Verteilertransformator und Instrumententransformator

Auf der Grundlage ihrer Verwendung werden Transformatoren in folgende Kategorien eingeteilt:

• Leistungstransformator: Ein Leistungstransformator ist ein herkömmlicher Hochleistungstransformator, der in Übertragungsnetzen eingesetzt wird.
• Verteilertransformator: Ein Verteilungstransformator oder Betriebstransformator ist ein Transformator, der die endgültige Spannungsumwandlung im Stromverteilungssystem vornimmt. Diese Transformatoren reduzieren die in den Verteilungsleitungen verwendete Spannung auf das vom Kunden genutzte Niveau.
• Messwandler: Messwandler bieten Isolierung und Schutz für Relais und kommerzielle Messgeräte. Diese Transformatoren messen auch eine sehr hohe Spannung, die mit einem herkömmlichen Voltmeter nicht gemessen werden kann. Es gibt zwei Arten von Messwandlern, nämlich Stromwandler und Spannungswandler.

Verdrahtung und Symbol des Transformators

Schaltpläne für Transformatoren sind in der Regel auf dem Typenschild des Transformators aufgedruckt, das traditionell auf der Oberfläche des Transformatorgehäuses angebracht ist, oder im Inneren des Deckels für die Verdrahtungsfächer abgedruckt. Die Leitungsdrähte sind mit "H" (Primärleitungen) und "X" (Sekundärleitungen) gekennzeichnet. Die H-Wicklungen sind mit der Stromversorgung und die X-Wicklungen mit der Last verbunden, wie in Abbildung 6 dargestellt.

Einige Transformatoren haben zwei Wicklungen, jeweils eine in der Primär- und eine in der Sekundärwicklung. Diese Transformatoren werden als Doppelspannungstransformatoren bezeichnet, und die mehreren Wicklungen ermöglichen die flexible Erzeugung verschiedener Spannungen für unterschiedliche Anwendungen.

Nehmen wir einen Doppeltransformator mit einer Spannung von 240/480 V auf der Primärseite und 120/240 V auf der Sekundärseite. Jede der beiden Primärwicklungen ist für 240 V ausgelegt. Jede der beiden Sekundärwicklungen ist für 120 V ausgelegt. Die 240/480-V-Nennleistung auf der Primärseite bedeutet, dass jede der 240-V-Kombinationen verwendet werden kann, um eine Nettospannung auf der Primärseite von 240 V oder 480 V zu erhalten. In ähnlicher Weise bedeutet die 120/240-V-Primärspannung, dass jede der 120-V-Kombinationen verwendet werden kann, um eine Netto-Sekundärspannung von 120 V oder 240 V zu erhalten.

Bei der Konstruktion eines 480-V-240-V-Transformators (480 V auf der Primärseite und 240 V auf der Sekundärseite) werden die Primärwicklungen in Reihe geschaltet, wobei H1 und H4 an ein 480-V-Netz angeschlossen werden. Die Spannung an HI und H2 beträgt 240 V, an H3 und H4 ebenfalls 240 V. Durch die Reihenschaltung der beiden Geräte ergibt sich also eine Netto-Primärspannung von 480 V. Jede Primärwicklung erhält die richtigen 240 V, jede Sekundärwicklung erhält 120 V. Wenn man die Sekundärwicklungen in Reihe schaltet, entstehen 240 V an X1 und X4, wie in Abbildung 7 dargestellt.

Bei Bedarf kann die Primärseite auch an eine 240-V-Versorgung angeschlossen werden. Schließen Sie dazu entweder H1 und H3 oder H2 und H4 an eine 240-V-Stromversorgung an. Um einen 480-V-zu-120-V-Transformator zu konstruieren (480 V auf der Primärseite und 120 V auf der Sekundärseite), werden die Primärwicklungen in Reihe geschaltet, wobei H1 und H4 an eine 480-V-Versorgung angeschlossen werden. Die Sekundärwicklungen sind parallel geschaltet (X1 bis X3 und X2 bis X4), wie in Abbildung 8 dargestellt.

Anmerkung: Die Parallelschaltung der Wicklungen sollte mit der nötigen Vorsicht erfolgen, um einen Kurzschluss zu vermeiden, der den Transformator unter Spannung zerstört. Verwenden Sie ein Voltmeter, um sicherzustellen, dass die Verbindung korrekt ist. Verbinden Sie X1 mit X3, und schließen Sie dann ein Voltmeter zwischen X2 und X4 an. Schalten Sie die Primärseite ein und lesen Sie das Voltmeter ab. Wenn der Anschluss korrekt ist, zeigt das Voltmeter Null an. Wenn das Voltmeter etwas anderes als Null anzeigt, überprüfen Sie alle primären und sekundären Anschlüsse, um sicherzustellen, dass sie genau wie vom Hersteller angegeben angeschlossen sind.

AC-DC-Transformatoren

Ein Transformator ist ein statisches Gerät, das nach dem Prinzip der gegenseitigen Induktion arbeitet. An die Primärwicklungen des Transformators sollte eine Wechselspannung angelegt werden, um einen magnetischen Wechselstrom auf der Primärseite zu erzeugen, der sich mit den Sekundärwicklungen verbindet, um eine proportionale Lastspannung zu erzeugen. Eine Gleichspannung erzeugt kein magnetisches Wechselfeld bzw. keinen magnetischen Fluss; daher funktioniert ein Transformator nicht mit Gleichstrom-Eingangsleistung. Die Ausgangswechselspannung kann jedoch durch Hinzufügen geeigneter Halbleiterbauelemente wie Dioden und Kondensatoren am Transformatorausgang in eine entsprechende Gleichspannung umgewandelt werden.

Ein Gleichrichter ist eine Schaltung, die Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) umwandelt. Zur Umwandlung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung kann ein Einweggleichrichter oder ein Vollwellengleichrichter verwendet werden. An die Primärwicklungen des Abspanntransformators (Abbildung 9, Bezeichnung A) wird eine Wechselspannung angelegt (Abbildung 9, Bezeichnung B). An den Sekundärwicklungen wird eine entsprechende Spannung induziert. Die Diode (Abbildung 9 mit der Bezeichnung D) wird in Durchlassrichtung vorgespannt (EIN-Zustand) und leitet Strom, wodurch der Stromfluss durch den Lastwiderstand (Abbildung 9 mit der Bezeichnung R) eingeleitet wird.

Eine Diode lässt den Strom in eine Richtung fließen. Während des negativen Zyklus der Eingangsspannung wird auf der Sekundärseite eine entsprechende negative Spannung induziert, und die Diode leitet nicht. Daher fließt während des negativen Zyklus der Eingangsspannung kein Strom durch den Ausgangswiderstand, da sich die Diode wie ein offener Stromkreis verhält (siehe Abbildung 10). Daher gibt der Ausgang nur abwechselnd positive Zyklen aus.

Für praktische Anwendungen wird ein Kondensator am Ausgang parallel zum Widerstand angeschlossen (siehe Abbildung 11). Der Kondensator wirkt als Filter, um die pulsierende Ausgangsspannung auf einen angemessenen Gleichstrompegel zu glätten (siehe Abbildung 12). Lesen Sie unseren Artikel über AC-DC-Transformatoren für weitere Einzelheiten.

Die Wellenformen an verschiedenen Stellen des Gleichrichters sind in Abbildung 12 dargestellt.

• V_i: Anlegen einer alternierenden Eingangsspannung
• V_o1: Ausgang der Diode, bestehend aus abwechselnd positiven Halbzyklen
• V_o2: Kondensatorausgang, der eine glattere Version des Diodenausgangs ist und eine genaue Gleichspannung erzeugt.

Trenntransformator

Trenntransformatoren werden verwendet, um zwei Stromkreise in einem elektrischen System zu isolieren. Ein Trenntransformator ähnelt einem herkömmlichen Transformator mit einer gleichen Anzahl von Windungen in den Primär- und Sekundärwicklungen, wodurch auf der Primär- und Sekundärseite die gleiche Spannung erzeugt wird. Trenntransformatoren werden in elektrischen Geräten wie Computern, Fernsehgeräten, Halbleiterrelais und leistungselektronischen Geräten in der Industrie eingesetzt.

Um zwei Stromkreise, 'A' und 'B', physikalisch zu trennen, werden die Primärwicklungen des Trenntransformators an den Stromkreis 'A' und die Sekundärwicklungen an den Stromkreis 'B' angeschlossen Die elektrische Versorgung des ersten Stromkreises erregt die Primärwicklung des Trenntransformators, die ihrerseits durch gegenseitige Induktion eine Spannung und einen Strom in der Sekundärwicklung erzeugt. Da ein Trenntransformator den Wert von Strom und Spannung an den Sekundärwicklungen nicht verändert, erhält der Stromkreis "B" die gleiche Größe von Sekundärstrom und -spannung. Die Stromkreise A und B sind also elektrisch isoliert, dennoch wird Energie zwischen ihnen übertragen, wobei der Trenntransformator als Medium zwischen ihnen fungiert.

Anwendungen für Transformatoren

1. Abspanntransformatoren werden in Haushaltsgeräten, Wechselrichtern, Stromverteilungsnetzen und Übertragungsleitungen eingesetzt, um die Spannung auf das gewünschte Niveau abzusenken.
2. Aufwärtstransformatoren werden zur Verteilung von elektrischer Energie eingesetzt. Diese Transformatoren werden auch für den Betrieb von Elektromotoren, Röntgengeräten und Mikrowellenherden verwendet.
3. Messwandler wie Stromwandler und Spannungswandler werden zur Messung extrem hoher Spannungen in Übertragungsleitungen und auch als Trennvorrichtungen in kommerziellen Messgeräten verwendet.
4. Einphasentransformatoren werden verwendet, um die Leistung von Wechselrichtern in Privathaushalten zu erhöhen oder Fernsignale für elektronische Geräte in Privathaushalten und kleinen Gewerbebetrieben zu reduzieren.
5. Dreiphasentransformatoren werden bei der Stromerzeugung und in Verteilernetzen eingesetzt. Sie sind in industriellen Hochleistungslasten wie Motorantrieben, Gleichrichtern und anderen Geräten zu finden.