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Kleiner Transformator

Hochleistungstransformator

EIN Transformator, kurz Transformator (NL) oder Transformator (BE), ist ein elektrisch Vorrichtung zum Heben oder Senken von a Wechselstrom Spannung und/oder für die galvanische Isolierung von Stromkreisen. Ein Transformator ist im Grunde ein Gerät ohne bewegliche Teile, das nur besteht aus: magnetisch gekoppeltspülen, die primäre und die sekundäre. Die Spulen sind meist um einen geschlossenen Eisenkern gewickelt, der das Magnetfeld bündelt und für die magnetische Kopplung der beiden Spulen sorgt, ohne diese zu treffen.

Läuft einer? Wechselstrom durch die Primärspule, a Induktionsspannung in der Sekundärspule, wo die Windungszahl wichtig ist: Wenn die Sekundärspule beispielsweise dreimal so viele Windungen hat wie die Primärspule, dann ist die Ausgangsspannung dreimal so hoch wie die Eingangsspannung, während die Stromstärke sinkt um den Faktor drei. Das sind theoretische Zahlen, die in der Praxis unerreichbar sind, siehe Überschrift Verlieren später im Text.

Bedienung und Anwendung

Eine wichtige Anwendung ist die Umwandlung einer Hochspannung, wie z Netzspannung, zu einem niedrigeren.

Die Wechselspannung an der Primärspule verursacht ein in dieser Primärspule Wechselstrom, die nach Gesetz von Lenz erzeugt eine fast gleiche und entgegengesetzte induzierte Spannung. Das nennt man Induktivität. Die Primärspule wirkt als a ersticken wenn die Sekundärspule keine Last in ihrem Stromkreis hat. Durch die magnetische Kopplung über den Eisenkern ist die unterschiedliche magnetischer Fluss der Primärspule ist die Sekundärspule, die in vielen Fällen weniger Windungen hat. In dieser Sekundärspule wird – wiederum nach dem Lenz'schen Gesetz – eine niedrigere Wechselspannung erzeugt: In diesem Beispiel wurde die Spannung nach unten transformiert; hätte die Sekundärspule mehr Windungen als die Primärspule, würde die Spannung nach oben transformiert.

Die Sekundärspule hat in vielen Fällen eine geringere Windungszahl und ist aus dickerem Draht gewickelt, so dass bei dieser niedrigeren Spannung ein größerer Strom gezogen werden kann.

Ein Beispiel ist der Transformator mit einer Netzspannung von 230 Volt Umstellung auf 12 Volt für Halogenbeleuchtung. Wenn dieser Transformator 100 ist Watt Strom fließt ein Strom von 0,44 . durch die Primärspule Ampere gehen. 8,33 Ampere bei 12 Volt laufen durch die Sekundärspule, Verluste nicht eingerechnet. Für diese Umwandlung muss die Primärspule für jede Sekundärwindung 19,2 Windungen haben.

Das Verhältnis zwischen der Windungszahl der Primärspule und der Sekundärspule gibt den Faktor an, um den die Spannung nach oben oder unten transformiert wird. Das nennt man Übersetzungsverhältnis.

Schema eines Transformators

Ein Transformator ist kein A Verstärker, es Leistung auf der Primärseite gleich der Leistung auf der Sekundärseite ist, verlustfrei. Dadurch kann die Stromstärke bei hoher Spannung relativ klein gehalten werden. Die Verlustleistung in der Leitung ist gleich Spannung mal Strom, ${Anzeigestil P=UI=I^{2}R}$, also stark vom Strom durch das Rohr abhängig. Bei einem gegebenen Leitungswiderstand führt ein niedriger Strom bei hoher Spannung zu viel geringeren Transportverlusten als ein großer Strom bei niedriger Spannung. Somit wird Strom über längere Distanzen transportiert über Hochspannungsnetze von zum Beispiel 380 Kilovolt. Obwohl die Energie im Kraftwerk auf eine höhere Spannung transformiert werden und im Transformatorenhäuser wieder auf eine sicherere Spannung heruntergefahren wird, wird dies durch die bessere Transporteffizienz bei hohen Spannungen mehr als wettgemacht.

Geschichte

Prototypen der ersten Transformatoren (Déri-Bláthy-Zipernowsky, Budapest. 1885)

Das Prinzip des Transformators wurde schon 1831 vorgezeigt durch Michael Faraday, obwohl er es nur dazu benutzte Elektromagnetische Induktion und er sah keine praktische Anwendung voraus. Es wäre bis zu 1880 bevor ein passender Transformator auf den Markt kam. In weniger als 10 Jahren würde der Transformator den Kampf zwischen Gleich- und Wechselstrom endgültig bestimmen und dafür sorgen, dass bis heute Wechselstrom als unsere elektrische Energie genutzt wird.

Der russische Ingenieur Pavel Jablochkoff erfand 1876 ein Beleuchtungssystem mit Bogenlampen und Induktionsspulen. Die Primärwicklungen wurden an eine Wechselstromquelle und einen Elektroraum angeschlossen Jablochkoff-Kerzen an den Sekundärwicklungen. Seine Induktionsspule fungierte somit als Transformator. Im 1882 zeigte der Franzose Lucien Gaulard und der Engländer John Dixon Gibbs im London das erste war ein Gerät mit einem offenen Eisenkern, das sie „Sekundärgenerator“ nannten. Sie verkauften ihre Idee an die amerikanische Firma van George Westinghouse und lass rein 1884 Sehen Sie ihre Erfindung in Turin wo es für elektrische Beleuchtung verwendet wurde.

In den USA gebaut William Stanley jr., ein bei Westinghouse angestellter Techniker, in 1885 das erste kommerzielle Gerät nach Westinghouse de Patentrechte von Gibbs und Gaulard für die USA. Sein Design bestand aus dünnen, sich überlappenden Metallplatten und wurde erstmals kommerziell verwendet 1886. Im selben Jahr, 1885, bauten ungarische Ingenieure in Europa Karoly Zipernowsky, Otto Blathy und Miksa Deric, alle arbeiten bei der ganz Fabriken, der hocheffiziente ZBD-Transformator. Ihr geschlossenes ringförmiges Eisenkernmodell basierte ebenfalls auf dem gleichen Modell von Gaulard und Gibbs. In ihrem Patent wurde zum ersten Mal das Wort „Transformator“ verwendet.

Der russische Ingenieur Mikhail Doliwo-Dobrowolskic entwickelt in 1889 Der Erste Drehstromtransformator und in 1891 gefunden Nikola Tesla die Tesla-Spule, ein Transformator zur Erzeugung sehr hoher Spannungen. In den ersten Experimenten zur Entwicklung von wurden Hochfrequenztransformatoren verwendet Telefonie und Radio.

Konstruktion

Skizze eines Transformators

Ein Transformator besteht aus zwei oder mehr Spulen, die sich im Magnetfeld des anderen befinden. Manchmal werden die Spulen als eine Wicklung mit Anzapfungen ausgeführt. Je nach Anwendung des Transformators können die Spulen um einen magnetisierbaren Kern gewickelt sein oder nicht. Der Wickeldraht besteht in der Regel aus Kupfer, das mit einer Isolierschicht aus Schellack um Kurzschlüsse zwischen den Wicklungen zu vermeiden.

Für niederfrequente Typen, niederfrequente Transformatoren (bis ca. 1000 Hertz) ist normalerweise der Kern von Transformator kann: laminierter weicher Silikonstahl, der ziemlich weich ist und als . bezeichnet wird weiches Eisen. Der Kern besteht aus gegeneinander isolierten Lamellen, um den Leistungsverlust im Kern zu verhindern Wirbelströme begrenzen. Je nach Form der Eisenlamellen kann die Ausführung ein E-I, U-I, U-U oder ein Rundkern (Ringkern) sein. Die Spulen werden auf einen kunststoff- oder harzgetränkten Karton gelegt Spulenform gewickelt.

Alte Hochleistungstransformatoren wurden meist auf einen „Dual-C“- oder „Quad-C“-Kern (C-Core) gewickelt. Diese waren also als untere Hälfte u oder uu und als obere Hälfte n oder nn, wobei die Spulen auf die gemeinsamen Teile gewickelt wurden. Die Kernteile wurden mit einem schweren Stahlband zusammengehalten, um Brumm- und Eisenverluste zu minimieren. Jedes U-Profil bestand aus mehreren Lagen Transformatorzinn, die zu immer größeren U's gebogen wurden, wobei jedes genau über das vorherige U passte. Durch die geschwungene Form dieser U's und ihre "Querlage" gab es noch relativ wenig Streufeld (Magnetfeld, das die Spulen umgeht und zu Energieverlust führt), im Gegensatz zum heutigen E-I- oder E-E-Kern.

Für hochfrequente Typen (ab 1 kHz) ist die magnetisierbar Kern aus Ferrit: winzige Eisenpartikel mit a KeramikLegierung gemischt und in die Form des Kerns gepresst.

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Formeln

Bei einem Transformator ist der Transformator Energieerhaltungssatz. Der gesamte auf der Primärseite verbrauchte Strom muss irgendwo hin. Der größte Teil kann entweder sekundärseitig zurückgenommen werden

${displaystyle P_{p}=P_{s} P_{diss}}$

Ein kleiner Teil der Energie wird jedoch im Transformator in Wärme umgewandelt (Verlustleistung). Für ein idealer Transformator, bei denen keine Verluste auftreten, also (mit ${Anzeigestil P=UI}$)

${displaystyle U_{p}cdot I_{p}=U_{s}cdot I_{s}}$

Die Stärke der Magnetfeld in der Spule hängt von der Anzahl der Windungen dieser Spule und der Stärke des elektrischen Stroms durch diese Windungen ab. Hat die Primärspule nein_p Wendungen und die sekundäre nein_so dreht, dann die Stromspannung du und fließen I zum Eingang und Ausgang des Transformators beziehen sich wie folgt:

${displaystyle {frac {U_{s}}{U_{p}}}={frac {n_{s}}{n_{p}}}}$

und

${displaystyle {frac {I_{s}}{I_{p}}}={frac {n_{p}}{n_{s}}}}$

Der Bruch ${displaystyle n_{s}/n_{p}}$ heißt auch die Übersetzungsverhältnis erwähnt.

Impedanzwandler

Bei Verwendung als Impedanzwandler (für Audioverstärker und HiFi-Anlage) gilt für die Impedanz die Formel

${displaystyle {frac {Z_{s}}{Z_{p}}}=left({frac {n_{s}}{n_{p}}}ight)^{2}}$

Verlieren

In der Praxis treten immer Verluste auf, die in den obigen Formeln nicht berücksichtigt wurden. Ursachen für Verluste sind: hitzeproduktion in den Spulen (Kupferverluste), Tonproduktion und magnetische Verluste (Eisenverluste). Insbesondere Wärmeverluste sind quantitativ von Bedeutung. Trotzdem ist bei Transformatoren in der Regel ein hoher Nutzwert Effizienz erreichbar, in der Größenordnung von 90%. Billige Adapter (Netzteile mit kleinen Transformatoren in einem Gehäuse, das komplett in die Steckdose gesteckt wird) kürzen manchmal an den Metallrippen des Kerns. Dies hat zur Folge, dass die anderen Lamellen schneller eine magnetische Sättigung erreichen können, so dass mehr Primärstrom zu fließen beginnt, was zu einer stärkeren Wärmeentwicklung führt.

Wärmefreisetzung

Die Wärmeleistung von Transformatoren berechnet sich wie folgt:

${displaystyle P_{v}=P_{0} 1{,}1cdot P_{ ext{K120}}cdot left({S_{ ext{AF}} over S_{ ext{AN}}}ight)^{2}}$

Dazu gehören die folgenden Variablen:

${displaystyle P_{v}}$, die Wärmeleistung des Transformators in W

${displaystyle P_{0}}$, die Wärmeleistung des Transformators im Leerlauf in W

${displaystyle P_{ ext{K120}}}$, die Wärmeleistung des Transformators bei Volllast und einer Kerntemperatur von 120 °C in W

${displaystyle S_{ ext{AF}}}$, die Leistung des Transformators bei abgeschalteter mechanischer Belüftung

${displaystyle S_{ ext{AN}}}$, die Leistung des Transformators bei eingeschalteter mechanischer Belüftung

E-Kern vs Ringkern

Kleiner Ringkerntransformator

Die einfachste Version des Transformators heißt E-E- oder E-I-Kerntransformator, entsprechend der Form des Teils des Lamellenpakets, über den die Spulen geschoben werden. Die Spulen gleiten über den mittleren Schenkel des E. Danach wird ein zweites E- oder I-förmiges Paket gegen das E-förmige Paket geschoben. In besseren Versionen werden die Lamellen abwechselnd gestapelt. Ein Problem beim E-Kern-Transformator besteht darin, dass die Bleche des Kerns kein durchgehendes Ganzes bilden, sondern der Kern aus zwei Teilen besteht, die bestmöglich zusammengepresst werden.

Der Kern eines Ringkerntransformators besteht aus einem durchgehenden Weicheisenband, das zu einem Ring gewickelt ist. Über diesen Ring werden die Wicklungen gelegt. Ein Ringkerntransformator hat weniger Verluste, ist aber wegen der technischen Schwierigkeiten beim Wickeln der Spulen teurer in der Herstellung. Der Ringkern hat zudem einen günstigeren Magnetkreis, so dass das Streufeld kleiner ist.

Ein doppelt isolierter Transformator hat die Primär- und Sekundärwicklungen auf separaten Kunststoffformen. Für gewöhnliche Verbrauchertransformatoren ist dies der sicherste Weg. In der Vergangenheit wurden die Primär- und Sekundärwicklungen manchmal übereinander gewickelt. Wenn die Isolierung der Wicklungen aufgrund von Hitze oder mechanischer Beschädigung gebrochen ist, kann die Sekundärwicklung unter Netzspannung geraten.

Bei Ringkerntransformatoren werden die Wicklungen meist direkt übereinander gewickelt, was die Konstruktion energieeffizienter macht. Gleichzeitig macht es den Ringkerntransformator relativ anfällig und daher für Verbraucheranwendungen weniger geeignet. Ringkerntransformatoren finden sich oft in schwereren Zwaarder (Leistungs-) Verstärker.

Ein einfacher Transformator kann kurzschlussfest gemacht werden, indem er weniger effektiv gemacht wird. Bei einem sekundärseitigen Kurzschluss eines Ringkerntransformators (z. B. weil das angeschlossene Gerät defekt ist), fließt vor allem ein großer Strom. Auf diese Weise wird in kurzer Zeit viel Wärme erzeugt. Aufgrund seines hohen Wirkungsgrades kann der Ringkerntransformator nicht kurzschlussfest ausgeführt werden. Deshalb wird es in Konsumgütern fast nicht mehr verwendet.

Das Europäische EMV-Richtlinie befürwortet den Einsatz des Ringkerns, insbesondere wegen des begrenzten Streufeldes.

Sonderausführungen

Transformator an einem Mast und Schaltkästen

Es gibt auch spezielle Arten von Transformatoren:

• Spartransformator. Es besteht aus nur einer Wicklung, die an einer oder mehreren Stellen „angezapft“ wird. Der Nachteil dieses Transformatortyps besteht darin, dass Primär- und Sekundärseite nicht galvanisch getrennt sind. Ein Vorteil ist, dass ein Teil der Wicklung aus viel dünnerem Draht gewickelt werden kann und der Transformator dadurch leichter und billiger werden kann. Der Grund dafür ist, dass ein Teil der Wicklung nur zur Aufrechterhaltung des Magnetfeldes benötigt wird.
• Variac oder Stelltransformator. Dies ist ein Spartransformator mit variablem Abgriffspunkt und daher mit variabler Ausgangsspannung. Diese Verzweigungsstelle wird oft als Schleifkontakt an einer runden Wicklung ausgeführt. Variacs werden unter anderem verwendet, um Netzspannungsschwankungen in Testaufbauten zu simulieren. Manchmal wird die variable Ausgangsspannung einer Sekundärwicklung entnommen, sodass das angeschlossene Gerät nicht direkt mit der Netzspannung verbunden ist. Dies ist besonders wichtig für die Sicherheit bei Untersuchungs- und Reparaturarbeiten.
• Zündspule. Eine Zündspule ist ein spezieller Transformator, der Zündanlage von Wagenist mit Gemischmotor wird verwendet, um die Hochspannung zu erzeugen, die mittels einer Zündkerze verwendet wird Funke das Kraftstoffgemisch wird gezündet.
• Drehstromtransformator. Speziell zum Verwandeln Drehspannungen beabsichtigt.
• Schweißtransformator. Dieser Transformator enthält einen beweglichen Kern, mit dem die maximale Stromstärke eingestellt werden kann. Die Ausgangsspannung ist niedrig und der Ausgangsstrom ist hoch.
• Sicherheitstransformator. Primär- und Sekundärspulen der Sicherheitstransformatoren sind mit einem doppelten Isolationsschicht getrennt zu Stromschlaggefahr zu vertreiben. Sicherheitstransformatoren werden in Feuchträumen und beengten Räumen als Stromversorgung für Handlampen, elektrische Geräte in medizinischen Anwendungen und dergleichen
• Isolationstransformator. Wie beim Schutztransformator sind hier Primär- und Sekundärspule doppelt isoliert, jedoch ist die Primärspannung gleich der Sekundärspannung (meist 230 V). Trenntransformatoren werden verwendet, um Stromschlaggefahr reduziert werden, wenn die Wahl für einen Sicherheitstransformator nicht getroffen werden kann. Die meisten Laborgeräte, wie z Oszilloskop, haben aus Sicherheitsgründen einen eingebauten Trenntransformator. EIN Rasierer-Steckdose enthält einen Trenntransformator, damit er gefahrlos in einem Badezimmer vorhanden sein kann.
• Ausgangstransformator. Dieser Transformator wird verwendet in Röhrenverstärker um den von der Anode von a . fließenden Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln Elektronenröhre ist überlagert, zu einer Lautsprecher zustellen. Der Transformator verhält sich wie a Isolationstransformator und als der oben beschriebene Impedanzwandler.
• Beweglicher Transformator. In der Regel ausgestattet mit 230 oder 240V (früher 220V) und 100, 110 oder 115V Anschlüssen. Zum Verbinden von Geräten, die für einen bestimmten Netzwerktyp geeignet sind, mit einem anderen Netzwerk (z. B. nach einem Umzug in ein anderes Land oder einen anderen Kontinent). Dazu wird in der Regel ein Spartransformator verwendet. Je nach „Umsatzrichtung“ sind länderspezifische Verbindungen (Netzstecker und Wandsteckdose) benutzt. Der bewegliche Transformator kann in 'beide' Richtungen (von Hoch- auf Niederspannung und umgekehrt) verwendet werden. Bewegliche Transformatoren sind nicht zu verwechseln mit bewegliche Adapter. Dies sind elektronische Schaltungen (normalerweise mit a triac die eine Hochspannung in eine Pseudo-Niederspannung umwandelt. Und das lässt sich nicht rückgängig machen!)
• Tokamak. Der Plasmastrom in einem Tokamak wird nach dem Transformatorprinzip gestartet und aufrechterhalten, wobei der Plasmaring als Sekundärspule fungiert. sehen Kernfusion.
• Schiebetransformator. Schiebetransformatoren können Strom oder Signale von einem festen Punkt zu einem beweglichen Teil leiten. Siehe auch die Linearer variabler Differenztransformator.
• Messwandler inkl. Spannungswandler und Stromtransformatoren. Der Zweck dieser Wandler besteht nicht darin, eine Last zu versorgen, sondern ein Messsignal in einen messbaren Wert umzuwandeln. Sie werden hauptsächlich für die Energiemessung und die Sicherheit von Anlagen verwendet.
• Erdungstransformator die ein Drehstromnetz ohne Nullpunkt erden kann, um schwebenden Potentialen entgegenzuwirken.
• Zugtransformator ist der Transformator, der die Spannung des Oberleitung von dem Eisenbahnnetzwerk bis auf das Niveau der Fahrmotoren.
• Leistungstransformator. Leistungstransformatoren werden verwendet in Umspannwerke zur Verteilung der elektrischen Energie untergebracht. Sie haben einen sehr hohen Wirkungsgrad; besser als 99% und eine sehr hohe Impedanz, um Kurzschlussströme auf etwa einen Faktor von 5×I . zu begrenzen_nom. Sie verfügen meist auch über einen Regelkreis, der es ermöglicht, die Netzspannung bei wechselnden Lasten konstant zu halten. Die Rede ist von einem Leistungstransformator ab ca. 10 MVA.
• AC-Spannungsstabilisierungstransformator (1). Dies ist ein Transformator, normalerweise ein Spartransformator, mit mehreren Anzapfungen. Über Steuerelektronik und Relais wählt automatisch den Abgriff aus, der der gewünschten Ausgangsspannung am nächsten liegt.
• Wechselspannungsstabilisierungstransformator (2) auch CVT genannt. Außerdem kann automatisch eine konstante Ausgangsspannung erreicht werden, indem der magnetische Sättigungsgrad des Kerns gesteuert wird (indem ein Hochfrequenzsignal durch eine separate Wicklung induziert wird).
• Spule. Besteht eine Spule aus mehreren gekoppelten Wicklungen, handelt es sich um einen Transformator. Diese Spulen werden oft verwendet in Hochfrequenz Geräte wie Radar und Funk.

Tonproduktion

Transformator im Mast

Die Geräuschentwicklung von Transformatoren wird verursacht durch Magnetostriktion, das Phänomen, dass der Magnetkern mit der Größe des Magnetfelds schrumpft und sich ausdehnt. Die darstellende Vibration verursacht es Klang die um einen Transformator herum als Ton mit der doppelten Frequenz der Wechselspannung zu hören ist. Transformatoren im Netz erzeugen daher ein Rauschen von 100 Hz (summen). Bei größeren Transformatoren im Freien kann dies zu Lärmbelästigung. Denn der auftretende Ton hat einen tiefen Frequenz und ist auch gut vorhersehbar, das Rauschen von Transformatoren kann Anti-Lärm bekämpft werden. Dies machte es zu einer der wenigen praktischen Anwendungen von Anti-Lärm im Jahr 2003.

Eine weitere Geräuschquelle ist die mögliche Koronaentladungen. Dabei wird die Durchschlagsfeldstärke von Luft in der Nähe eines Leiters überschritten, so dass die Luft dort ionisiert wird und sich unter dem Einfluss der vorhandenen Felder bewegt.

Zukunft

Obwohl der große Blechtransformator immer noch in einigen elektronischen Geräten verwendet wird, haben neue Technologien seinen Einsatz stark reduziert. Heute wird der traditionelle Zweispulentransformator durch den sog Schaltnetzteile, die nach einem anderen Verfahren arbeiten: Zuerst Gleichrichtung und Glättung (mit einem Glättungskondensator) der Netzspannung und der Gleichspannung mit einem (MOSFET)SchalterTransistor in eine hochfrequente Wechselspannung. Sekundär wird die Wechselspannung wieder gleichgerichtet. Bei vergleichbarer Leistung kann nun ein wesentlich kleinerer Ferritkerntransformator verwendet werden, um noch die erforderliche Sekundärspannung zu erhalten. Diese Schaltnetzteile sind kleiner und haben einen höheren Wirkungsgrad, sind aber aufgrund der größeren Anzahl an Komponenten in der Regel weniger zuverlässig. Schaltnetzteile für Laptops, Kameras etc. haben in der Regel eine konstante Ausgangsspannung bei einer Eingangsspannung, die zwischen 110 und 240 Volt variieren kann. Dies ist möglich aufgrund der Auslastungsgrad des Schalttransistors. Heutzutage wird für größere Kapazitäten ein sogenanntes Leistungsfaktorkorrektor (PFC) zwischen Netzgleichrichter und Glättungskondensator umschaltbar. sehen EN 61000-2-3.

Siehe auch

• Konverter
• Stromwandler
• Spule
• Variac
• synchron

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