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VEW Transformatorstation Recklinghausen
Ölgefüllter Transformator für Mittelspannung (ohne Öl,
angeschnittenes Gehäuse
Ein 30 VA-Netztransformator für eine
Spannung von
12 V an der Sekundärseite (Breite etwa 60 mm)
Ein Transformator, kurz Trafo, ist ein Bauteil in der Elektrotechnik, das elektrische Energie
oder Information zwischen induktiv
gekoppelten Stromkreisen
verlustarm überträgt. Transformatoren arbeiten mit Wechselspannung. Eine Gleichspannung kann nicht
transformiert werden. In der Energiewirtschaft wird
er auch als ruhende elektrische
Maschine bezeichnet, da er im Gegensatz zu motorisch betriebenen Spannungsumformern keine
mechanisch bewegten Teile besitzt.
Grundlagen
Die Spulen, oder
Wicklungen, eines Transformators sind in der Regel galvanisch
voneinander getrennt und nur magnetisch miteinander
gekoppelt. Um diese Kopplung zu erhöhen, sind die Spulen meist auf einem
gemeinsamen Eisen- oder Ferritkern angeordnet, dem Transformatorkern.
Die an der Primärwicklung angelegte Wechselspannung kann in der
Sekundärwicklung erhöht oder verringert werden. Die Spannungsübersetzung richtet
sich dabei nach dem Verhältnis der Windungszahlen
der Wicklungen. Eingangs- und Ausgangsleistung sind aufgrund des in der Regel
hohen Wirkungsgrades
nahezu gleich.
Transformatoren zur Energieübertragung mit der Frequenz des Stromnetzes nennt man
Umspanner (Bestandteil des Stromnetzes) oder Netztransformatoren
(Bestandteil von Geräten und Anlagen, die am Stromnetz arbeiten).
Transformatoren für messtechnische Zwecke sind Messwandler oder Stromwandler und jene für
die Signalübertragung in der Nachrichtentechnik
sowie auch in Schaltnetzteilen nennt
man oft Übertrager.
Mit Transformatoren lässt sich elektrische Energie so umwandeln
(hochtransformieren), dass sie über Hochspannungsleitungen
über weite Strecken wirtschaftlich übertragen werden kann. In Netzteilen stellen sie Betriebsspannungen für
elektronische Geräte zur
Verfügung und sorgen für eine sichere Trennung vom Stromnetz. Bei der Übertragung
von Signalen werden mit ihnen Impedanzen angepasst.
Die grundsätzliche Struktur dieses Artikels bedarf einer
Überarbeitung. Näheres ist auf der Diskussionsseite:
Die grundsätzliche Struktur angegeben. Hilf mit, ihn zu verbessern,
und entferne anschließend diese Markierung.
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 des selben
Jahrhunderts wurde das Transformator-Prinzip entwickelt.
Die Ungarn Károly
Zipernowsky und Miksa
Déri ließen 1882 die selbsterregende Wechselstrommaschine
eintragen und beide entwickelten 1884 den aus zwei Maschinen (Generator und
Motor) kombinierten Einankerumformer (siehe Umformer), aus dem nach der
Einbeziehung von Ottó Titusz
Bláthy die gemeinsame Erfindung, der Transformator wurde.
1885 ließen sich die Ungarn
Károly
Zipernowsky, Miksa
Déri und Ottó Titusz
Bláthy ein Patent auf den Transformator erteilen. Dieser 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. Dieser
Transformator 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 ansonsten 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. William
Stanley führte im gleichen Jahr als Chefingenieur von Westinghouse in
Pittsburgh wesentliche Verbesserungen an Lucien Gaulards und John
Gibbs’ Gerät durch.
Westinghouse installierte 1886 in Great Barrington, Massachusetts, einen
Wechselspannungsgenerator, dessen 500 Volt Wechselspannung zur Verteilung auf
3000 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 der
Schaffung von Wechselstrom-Stromnetzen zur weiten
Verbreitung der Elektroenergie, weil nur
Hochspannungsleitungen den Transport von den Energielieferanten über große
Entfernungen ohne allzu große Energieverluste ermöglichen.
Physikalische Grundlagen
Darstellung der baulichen und physikalischen Komponenten
Schaltbild eines Transformators mit Eisenkern; mit elektrischen Primär- (p)
und Sekundärgrößen (s)
Ein geöffneter 100-VA-Trafo. Oben die Primärwicklung (230 V), unten die zwei
Sekundärwicklungen (9 V).
Für die Wirkweise eines Transformators sind zwei physikalische Erscheinungen
wesentlich:
Eine an die erste Spule („Primärspule“) im Primärstromkreis angelegte
Wechselspannung erzeugt dem Induktionsgesetz folgend ein veränderliches
Magnetfeld im Kern. Dieses Feld durchsetzt die zweite Spule („Sekundärspule“) in
einem zweiten Stromkreis und erzeugt hier durch Induktion wiederum eine Spannung
(„Sekundärspannung“).
Eine primäre Wechselspannung wird dabei mit Hilfe des magnetischen
Wechselfeldes in eine zu ihr proportionale sekundäre Spannung transformiert,
wobei das Verhältnis zwischen Primär- und Sekundärspannung (im Idealfall) gleich
dem Windungszahlverhältnis der beiden Spulen ist.
Da in der Sekundärspule nur dann eine Spannung induziert wird, wenn der sie
durchsetzende magnetische Fluss sich ändert, ist das magnetische Wechselfeld und
damit die primäre Wechselspannung als
Betriebsspannung unerlässlich.
Soll eine Gleichspannung mittels
Transformatoren auf eine andere Spannungsebene umgesetzt werden, ist die
Umwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom mittels Wechselrichter nötig, um
anschließend transformiert werden zu können. Danach ist eine Gleichrichtung
notwendig.
Kleinere kostengünstige Transformatoren bedingen hohe Frequenzen. So wird
eine Wechselspannung über eine Gleichspannung in eine hochfrequente Spannung
gewandelt. Diese Techniken finden beispielsweise bei Schaltnetzteilen
Anwendung.
Die maximale Höhe der induzierten Spannung hängt neben der Eingangsspannung
von der Windungszahl der Sekundärspule ab, die maximale Höhe des Stromes von
deren Leiterquerschnitten und von den Kühlungsbedingungen.
In obiger Beschreibung wird kein (gemeinsamer) Eisenkern der Spulen erwähnt,
trotzdem besitzen fast alle Transformatoren einen Kern aus Eisenblechen,
Eisendrähten oder Ferrit. Der
Grund liegt darin, dass bei tiefen Frequenzen (50 Hz) ohne Eisenkern extrem
viele Windungen erforderlich wären, um den „Leerlaufstrom“ bei
geringer Belastung ausreichend klein zu halten. Das würde erstens einen
unwirtschaftlich hohen Kupferanteil erfordern, andererseits werden bei höheren
Strömen in diesem sehr langen Draht enorme Ohmsche Verluste (= Erwärmung)
erzeugt. Außerdem konzentriert der Eisenkern das Magnetfeld und verringert
Streuverluste, die in der Praxis so gut wie immer dadurch auftreten, dass nicht
alle Feldlinien des primären Magnetfeldes die Sekundärspule durchsetzen.
Minimieren kann man diese durch ideal ineinander gewickelte Ringspulen (Toroidspulen), was aber nur
bei speziellen Anwendungen Verwendung findet.
Beides kann man stark verringern, indem die Induktivität der Primärspule
durch einen Eisenkern um ein Vielfaches vergrößert wird. Je höher die
Betriebsfrequenz ist, desto kleiner kann der Eisenkern sein, bei einigen 100 kHz
wie im Tesla-Transformator
darf er vollständig entfallen.
Prinzipielle Ausführung
Spulen
Die Ausführung eines Transformators aus ausgestreckt nebeneinanderliegenden
Leitern würde bewirken, dass ein großer Teil des Magnetfeldes als wirkungsloses
Streufeld
in der Umgebung entsteht. Dieses Streufeld würde einen großen Leerlaufstrom
erfordern, der nicht für den eigentlichen Übertragungsvorgang zur Verfügung
steht.
Daher werden die Leiter in Form von Spulen
angelegt. Um den Verlust durch Streufelder möglichst klein zu halten, werden die
Primär- und Sekundärspulen möglichst klein und eng ineinandergeschachtelt. Eine
Nebenbedingung ist hierbei, dass die Leiter und auch die Spulen als Ganzes
gegeneinander elektrisch isoliert sind, wozu meistens lackierte Drähte und die
nachfolgende Lack- oder Gießharztränkung im Vakuum angewendet werden. Der Spulenkörper ist ein
aus nichtmagnetischem Material, meistens aus Kunststoff bestehendes Formteil,
das die Wicklungen aufnimmt,
ihnen mechanische Stabilität gibt und sie nötigenfalls auch voneinander
isoliert.
Die Spule für die Eingangsspannung wird Primärspule oder Primärwicklung
genannt, die Spule, in der die Ausgangsspannung induziert wird, heißt
Sekundärspule oder Sekundärwicklung. Das Verhältnis der Spannungen an den beiden
Spulen ist theoretisch exakt das Verhältnis ihrer Windungszahlen, in der Praxis
ist die Spannung an der Sekundärspule aufgrund von Streufeldern und Verlusten
kleiner als der theoretische Wert.
- Beispiel
Ein Transformator mit 1000 Windungen auf der Primärwicklung, 100 Windungen
auf der Sekundärwicklung und 230 Volt Primärspannung erzeugt in der
Sekundärwicklung eine Leerlaufspannung von
23 Volt. Diese Spannung entsteht im Leerlauf-Betrieb des
Transformators. Die tatsächlich nutzbare Betriebs- oder Nennspannung sinkt jedoch
mit zunehmender Belastung durch die Last, weil der Ausgangsstrom in den Spulen
einen ohmschen Spannungsabfall bewirkt und sich das Streufeld erhöht.
Auslegung der Spulenwicklungen
Wie schon oben erwähnt, ist die Ausgangsspannung der
Transformator-Sekundärspule theoretisch exakt so groß, wie es das
Windungszahlverhältnis zwischen den Wicklungen und die Primärspannung vorgeben.
Es gilt:
mit
- U1 – Primärspannung
- U2 – Sekundärspannung
- n1 – Primärwindungszahl
- n2 – Sekundärwindungszahl
Dies gilt jedoch nur für den Leerlauf bzw. den unbelasteten
Zustand. Sobald in der Sekundärspule ein Strom zu einem äußeren Verbraucher
fließt, teilt sich die 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 von der Größe und vom
Material her ein Leistungsverlust bei der Übertragung von 10 % bekannt. Bei der
vorgesehenen Nennleistung soll die Sekundärspule genau 240 Volt abgeben. Die
Windungszahl wird daher für eine Leerlaufspannung von
ausgelegt.
Bei Nennleistung liefert die Sekundärspule dann eine Spannung von
Ein Transformator kann statt einer einzelnen auch mehrere getrennte
Sekundärwicklungen für unterschiedliche Spannungen oder für getrennte
Stromkreise haben. Die Sekundärwicklungen können eine oder mehrere
Anzapfungen haben: so kann man auch mit einem Transformator mit nur einer
Sekundärwicklung mehrere unterschiedlich hohe Sekundärspannungen erhalten.
Wicklungsanordnung
Bei Netztransformatoren mit nur einer Wickelkammer ist die Primärwicklung
meist zuunterst gewickelt – bei niedrigeren Ausgangsspannungen schützt so der
meist dickere Draht der Sekundärwicklung den dünnen Draht der Primärwicklung.
Bei hoher Ausgangsspannung wird durch diesen Wicklungsaufbau die Isolation zum
Kern erleichtert.
Audio-Transformatoren (Übertrager und Ausgangstransformatoren)
haben oft ineinander greifende (sog. verschachtelte) Wicklungen, um die
Streuinduktivität zu verringern und so die Übertragung hoher Frequenzen zu
verbessern.
Bei Sicherheitstransformatoren sind Primär- und Sekundärwicklung in
getrennten Kammern des aus Isolierstoff bestehenden Wickelkörpers untergebracht,
um sie sicher voneinander zu isolieren.
Anzapfungen
Die Primärwicklung kann mehrere Anzapfungen haben; damit ist ein solcher
Transformator für unterschiedlich hohe Primärspannungen geeignet, wobei dennoch
auf gleiche Ausgangsspannungen transformiert wird.
Ein Transformator, der sowohl für den amerikanischen (120 Volt) als auch den
europäischen Markt (230 Volt) einsetzbar sein soll, kann z. B. mit einer
Anzapfung der Primärwicklung am Netztransformator und einem Umschalter versehen
sein. Oft werden hierzu jedoch zwei Wicklungen für je 120 Volt aufgebracht, die
wahlweise parallel oder in Reihe geschaltet werden können. Dadurch kann man die
geringe Spannungsabweichung zugunsten des geringeren Kupferbedarfes meistens in
Kauf nehmen. Auch die Sekundärwicklung kann Anzapfungen besitzen, um den
Transformator zum Beispiel an unterschiedliche Belastungsfälle anzupassen oder
mehrere Spannungen mit gleichem Bezug zu erzeugen.
Bei der Stromversorgung werden Netztransformatoren häufig mit schaltbaren
Anzapfungen an der Primär- oder Sekundärwicklung ausgestattet. Die Anzapfungen
können unter Last mit speziellen Lastschaltern je nach Erfordernis (Spannungs-
oder Leistungsänderung) frei gewählt werden, beispielsweise bei elektrischen Lichtbogenöfen oder
Bahnfahrzeugen. Eine Stromunterbrechung wird dabei durch kleine
Hilfs-Stelltransformatoren vermieden.
Eine Sonderbauart ist der Spartransformator, der
nur eine Spule besitzt, die eine oder mehrere zusätzliche Anzapfungen aufweist.
Infolge Fehlens galvanischer
Trennung der einzelnen Spannungsebenen ist seine Verwendung auf
Spezialeinsätze beschränkt.
Beim Spartransformator ist nur eine einzige Wicklung mit einer oder mehreren
Anzapfungen vorhanden – bei dieser Bauform ist nur Spannungsanpassung, jedoch
keine galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgangsspannung gegeben. Sein
Vorteil ist die bei gleicher Übertragungsleistung geringere Masse – Eisen- und
Kupferbedarf sind bei gleicher Nennlast wesentlich geringer.
Mittenanzapfung
Schaltzeichen eines Transformators mit Mittenanzapfung
Wird die Wicklung der Sekundärseite nach der Hälfte der Gesamtanzahl der
Windungen aufgetrennt und nach außen geführt, so wird dies als Mitten- oder
Mittelanzapfung bezeichnet. So stehen drei Spannungen im Verhältnis 1:1:2 zur
Verfügung. Solche Transformatoren werden als Treiber- oder Ausgangsübertrager
von Gegentakt-Endstufen sowie zur Speisung einer Zweiwege-Gleichrichtung
eingesetzt. Eine solche „Mittelanzapfung“ kann man auch schaffen, indem man zwei
Wicklungen mit gleicher Anzahl von Windungen auf die Sekundärseite aufbringt und
diese polrichtig in Reihe schaltet. Dadurch erhält man zwei gleiche Spannungen,
die sich addieren.
Lufttransformator bzw. eisenloser Transformator
Die kernlose Ausführung (Lufttransformator) ist bei niedrigen Frequenzen
nicht effizient bzw. realisierbar. Ursache ist, dass die Primärspule dann extrem
viele Windungen besitzen müsste, um die erforderliche hohe Primärinduktivität zu
erzeugen. Der dann erforderliche sehr lange Draht hätte aber so großen
Widerstand, dass darin ein Großteil der zugeführten Leistung in Wärme verwandelt
würde.
Das von einem stromdurchflossenen
Leiter erzeugte
Magnetfeld ist in der Luft oder im Vakuum mit einer Flussdichte von
relativ geringer Stärke verbunden, magnetische Kopplung und Induktivität der
Spulen sind gering und würden sehr hohe Betriebsfrequenzen erfordern.
Lufttransformatoren haben den Vorteil, in der Sekundärspule eine Spannung mit
exakter Nachbildung der zeitlichen Veränderung des Primärstroms zu liefern, auch
wenn der Primärwechselstrom relativ hohe Frequenzen enthält. Dies ist besonders
dann vorteilhaft, wenn die Frequenzanteile des Stromes sich über eine große
Bandbreite erstrecken. Daher werden für manche Zwecke Lufttransformatoren als
Übertrager verwendet.
Beispiele sind der Teslatransformator,
Koppel- und Anpassspulen in der Hochfrequenztechnik
und die Rogowskispule.
Eisenkerntransformator
Ölgekühlter Transformator ohne Gehäuse
Das Öl im Transformatorgehäuse dient sowohl der Isolation der Wicklungen als
auch dem Kühlen. Der Querschnitt der Wickelungsdrähte wird aus Kostengründen so
klein wie möglich gehalten, was eine starke Erwärmung zur Folge hat. Nachteilig
ist die Entflammbarkeit des Öls bei hohen Temperaturen. Insofern ergibt sich
eine hohe Brandlast. Daher
werden derzeit zunehmend Transformatoren mit Epoxydharz-isolierten Wicklungen
gebaut. Diese werden als Trockentransformatoren
bezeichnet (Beispiel: Geafol).
Es ist möglich, die Flussdichte erheblich zu steigern, indem das magnetische
Feld der Spulen in einem geschlossenen magnetischen Kreis aus ferromagnetischem
Material, bei Netztransformatoren z. B. Eisen – dem Transformatorkern –
geführt wird. Für Netztransformatoren (Betriebsfrequenz 50 oder 60 Hz) verwendet
man überwiegend Eisen-Silizium-Legierungen, kornorientertes
Elektroblech
(Texturblech) nach DIN EN 10107. Bei Signalübertragern werden auch die
höherwertigen Eisen-Nickel-Legierungen und bei hohen Frequenzen (z. B.
Schaltnetzteil-Übertrager) weichmagnetische Ferritkerne eingesetzt.
Die Steigerung der Flussdichte bei ferromagnetischen Werkstoffen beruht
darauf, dass sich mit zunehmender Stärke eines von außen angelegten Magnetfeldes
die regellos ausgerichteten magnetischen Kristallbereiche (Weiss-Bezirke) in eine
gemeinsame Richtung umordnen. Diese magnetische
Polarisation M des Werkstoffes liefert einen 1000 bis 100.000 mal
höheren Beitrag zur Flussdichte B als die magnetische Feldstärke H. Diese
Verhältniszahl nennt man Magnetische Suszeptibilität χ, es gilt
Für die magnetische Flussdichte B gilt
und daraus schließlich
-
-
ist die magnetische
Feldkonstante.
Die dimensionslose Zahl μr = 1 + χ wird relative
Permeabilitätskonstante oder Permeabilitätszahl
genannt und ist werkstoffspezifisch.
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. Kerne für einphasige Transformatoren
aus drei Schenkeln mit Primär- und Sekundärspule auf dem Mittelschenkel
(M-Kerne) haben daher Außenschenkel mit dem halben Querschnitt des
Mittelschenkels.
Die maximale Flussdichte liegt bei Eisen je nach Spezifikation bei 1,5…2 T.
Bei Ferriten liegt sie bei
etwa 400 mT.
Bei der Auslegung des Eisenkerns und der Windungszahl n sind folgende
Zusammenhänge unter bestimmten Randbedingungen (sinusförmige Spannungsform,
homogener luftspaltloser magnetischer Kreis) gültig:
- (1)
mit
- n – Windungszahl
- ΔB – Induktionsamplitude (Flussdichteänderung) in Tesla
- U – Effektivwert der Spannung in Volt
- AFe – magnetischer Kernquerschnitt in
cm2
- f – Frequenz in Hz
An manche Transformatoren werden besonders hohe Anforderungen an die
Linearität der Strom-Spannungs-Kennlinie gestellt oder sie dienen gleichzeitig
der Zwischenspeicherung magnetischer Energie (Sperrwandler). Dies kann
durch einen Luftspalt im magnetischen Kreis erreicht werden (quasi eine
Mischform von Lufttransformator und Eisenkerntransformator). Der
Feldstärkebedarf und damit der Magnetisierungsstrom steigen, die Kennlinie wird
geschert bzw. linearisiert. Die im Luftspalt gespeicherte magnetische Energie
vergrößert die Blindleistung, wird jedoch fast verlustfrei wieder abgegeben.
Luftspalte vergrößern den Streufluss, der möglicherweise anderswo, z. B. im
Trafokessel, zu Verlusten und Störungen führt.
Luftspalte werden bei Gleichstrom-Anteilen im Primärstrom (siehe Ausgangsübertrager)
und bei Sperrwandler-Übertragern
benötigt.
Flachtransformator zur Montage auf Leiterplatten
Leistungstransformatoren für Frequenzen unterhalb von etwa 1 kHz haben
meistens Kerne, die aus elektrisch gegeneinander isolierten Eisenblechen (Elektroblech) bestehen. Die
Kerne müssen geblecht sein, weil unter dem Einfluss des Magnetfeldes im Eisen
als leitendem Material genauso wie in der Sekundärspule Spannungen induziert
werden, die im Vollmaterial zu Wirbelströmen führen. Diese
Wirbelströme erzeugen Verluste, die umso höher sind, je besser die elektrische
Leitfähigkeit des Kernes ist. Der Stromweg wird durch die Verwendung von dünnen
Blechen, die voneinander isoliert sind, unterbrochen. Eine Beschädigung der
Isolierung der einzelnen Blechpakete kann bei großen Transformatoren zu einer
erheblichen lokalen Erwärmung des Paketes führen.
Der Eisenkern verursacht weiterhin Ummagnetisierungsverluste,
die durch die fortwährende Umpolung der magnetischen Domänen (Weiss-Bezirke)
entstehen und auch bei Leerlauf auftreten. Silizium-Eisen-Legierungen mit
spezieller Textur haben bei Blechdicken von etwa 0,2 bis 0,3 mm bei 50 Hz
Verluste von etwa 0,5 bis 1 W/kg je nach der Stärke des Magnetfelds, das durch
die Spulen induziert wird.
Das Magnetisierungsverhalten des Eisens ist bis zur Sättigungsflussdichte
weitgehend linear. Durch das lineare Verhalten bleibt der aufgenommene
Leerlauf-Wechselstrom weitgehend sinusförmig. Bei der Transformation bleibt die
Kurvenform der Eingangsspannung weitestgehend erhalten – lediglich Oberwellen
werden aufgrund der Streuinduktivität gedämpft, was jedoch bei
Netztransformatoren sogar erwünscht ist.
Eisen hat wie andere ferromagnetische Werkstoffe eine Grenze für die
Linearität zwischen Feldstärke und magnetischem Fluss, die dann erreicht wird,
wenn alle Weiss-Bezirke seiner Struktur einheitlich ausgerichtet sind. Bei
dieser Sättigungsmagnetisierung
kann das Eisen keiner weiteren Verstärkung der Feldstärke folgen, der
Primärstrom steigt dann steil an. Bei der Konstruktion des Transformators muss
daher der Kern möglichst exakt so bemessen werden, dass das Eisen sich auch bei
Überspannungen im Stromnetz noch im linearen Bereich seiner
Hysterese-Kennlinie
befindet.
Ob ein Transformatorkern in die unerwünschte magnetische Sättigung gerät,
hängt von der Höhe der Primärspannung ab – ist die Primärspannung in Bezug zu
Kernquerschnitt bzw. Kernmaterial, Windungszahl und Frequenz zu hoch, gerät der
Transformator in die Sättigung. Die Stromaufnahme steigt steil an. Die
magnetische Sättigung setzt bei Belastung des Transformators bei etwas höherer
Spannung ein, da die magnetische Feldstärke aufgrund des Spannungsabfalles am
ohmschen Widerstand der Primärwicklung etwas abnimmt. Eine starke Belastung oder
gar ein Kurzschluss der
Sekundärseite führt zu einer wesentlich geringeren magnetischen Feldstärke im
Kern und gleichzeitig zu einem starken Streufeld. Dieses kann zum Auslösen eines
Kurzschlussschutzes (magnetische Sicherung) genutzt werden.
Die Hysterese-Kennlinie bildet den Zusammenhang zwischen Magnetfeldstärke und
Erregerfeld bei dessen Anstieg und Rückgang ab. An ihr kann man sowohl die
Sättigungsinduktion als auch die Ummagnetisierungsverluste erkennen.
Für Transformatoren für höhere Frequenzen werden für die Kerne
statt Eisen auch andere weichmagnetische
Werkstoffe wie z. B. Ferrite, amorphe Metallbandkerne
oder Pulverkerne verwendet.
Kernbauformen
Ringkerntransformator
Datei:Kern
und Ringkerntrafo 100VA.JPG
Kern und daraus hergestellter 100-VA-Ringkerntrafo
Transformatoren mit Ringkernen haben bei gleicher
Masse, verglichen mit anderen Kernbauformen, den höchsten Wirkungsgrad, da
aufgrund der geschlossenen, luftspaltfreien Ringkernform die Leerlaufverluste,
davon hauptsächlich die Ummagnetisierungsverluste, minimal und bis zu 40-mal
geringer als bei eckigen Kernbauformen sind.
Trafo-Ringkerne können aus ferromagnetischem Blech und für höhere Frequenzen
aus Ferriten oder
sintermetallurgisch aus ferromagnetischen Pulvern hergestellt werden.
Eisen-Ringkerne bestehen aus einzelnen Blechlagen, die durch ein zu einem
Ring aufgewickeltes Band gebildet werden. Das dünne Band, meist aus
kornorientiertem Weicheisenblech, wird so gewickelt, dass in der Mitte ein
Kernloch zur Durchführung der Kupferwicklungen freibleibt. Die Windungen aller
Wicklungen werden möglichst gleichmäßig auf dem Eisenring verteilt, um
Streufelder zu vermeiden. Dazu wird der Drahtvorrat einer Wicklung zunächst auf
ein Magazin gewickelt,
welches dann zum Aufbringen der Wicklung maschinell durch das Kernloch um den
Kernring herum geführt wird.
Ringkerntransformatoren können mit höherer magnetischer Flussdichte und
geringeren Hystereseverlusten arbeiten, wenn texturierte, also kornorientierte
Blechbänder verwendet werden. Auch dies trägt maßgeblich zur Verringerung der
Baugröße bei. Anders als bei einem gestanzten Blechschnitt für beispielsweise
einen EI-Kern-Transformator liegt die Kornorientierung für alle Teile des Kerns
in der für die Magnetfeldlinien günstigen Vorzugsrichtung. Ringkerne werden auch
für Stelltransformatoren verwendet. Bei diesen kontaktiert ein drehbar
gelagerter Schleifer die einzelnen Spulenwindungen. Zur Kontaktgabe für den
Schleifer sind die Windungen der Spule an den Außenseiten freigelegt, wobei die
Isolierung der Lackdrähte abgeschliffen wird.
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.
Aufgrund der wertvollen Materialien für den Kern und die Wicklung besitzt der
Ringkerntransformator gegenüber anderen Bauformen Vorteile, da er bei gegebener
Leistung die geringsten Materialmengen benötigt. Seine Fertigung ist jedoch
aufwendiger.
Ringkerntransformatoren lassen sich gut in Anwendungen
einsetzen, wo es auf geringste Standby-Verluste ankommt. Durch
Überdimensionieren des Transformators lassen sich darüber hinaus auch bei
Belastung die Kupfer-Verluste verringern; sie betragen bei 50% Teillast nur noch
1/4 derjenigen bei Nennlast.
- Beispiel
Ein 1-kVA-Ringkerntrafo hat ca. 6 Watt Eisenverluste (entspricht etwa dem Leerlaufverlust), ein
1-kVA-EI-Trafo hat dagegen ca. 45 Watt Eisenverluste. Die Kupferverluste sind
bei beiden Trafotypen bei 1kVA Größe mit ca. 24 Watt etwa gleich. Wählt man für
diese Anwendung einen 2-kVA-Transformator, entwickelt die Ringkern-Bauform bei
1 kW Last
12 + 24/4 = 18 Watt,
ein Trafo mit EI-Kern dagegen
90 + 24/4 = 96 Watt
Verlustleistung.
Ringkerntransformatoren verursachen aufgrund der hohen Remanenz im Kern beim
Einschalten große Stromspitzen, weil ihr Kern dabei leichter als bei anderen
Transformatoren in Sättigung geraten kann. Diese Stromspitzen lassen sich durch
Sanftanlaufgeräte oder Transformatorschaltrelais
völlig vermeiden oder mit Einschaltstrombegrenzern
(NTC) soweit verringern, dass Schalter und Sicherungen geschont werden.
Ringkerntransformatoren werden für spezielle Anwendungen auch mit amorphen
und nanokristallinen Bändern hergestellt.
Schnittbandkern
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 poliert. Die Hälften werden dann in die bewickelten Spulenkörper gesteckt
und verklebt. Für Schnittbandkerne werden ebenfalls auch texturierte Blechbänder
eingesetzt.
Schnittbandkerne haben aufgrund ihrer Restluftspalte eine kleine
Remanenz und damit kleinere Einschaltströme als Ringkerntransformatoren. Durch
die beiden Rest-Luftspalte im Kern und dessen rechteckige Form ist die
Materialausnutzung jedoch nicht so hoch wie beim
Ringkerntransformator.
Schnittbandkerne haben dennoch ähnlich gute
Eigenschaften wie Ringkerne, die Wicklungsherstellung ist gegenüber jenen
einfacher, die Schnittbandkern-Herstellung ist jedoch etwas teurer gegenüber
anderen Kernbauformen.
Baureihen: SM, SE, SU, SG, S3U
Siehe auch: DIN 41309 und IEC 329
Gestapelte Blechkerne
Die meisten Transformatoren für Netzfrequenz und bis etwa 400 Hz (bei
Übertragern bis 20 kHz) bestehen aus gestapelten Eisenblechen. Folgende Formen
sind gebäuchlich:
- EI-Kern: gleichsinnig (Luftspalt!) oder wechselseitig geschichteter Stapel
aus Blechen in E- und I-Form; die Außenschenkel der E-Bleche sind halb so breit
wie der Mittelschenkel; ein Wickel auf dem Mittelschenkel. Der Luftspalt
(gleichsinnige Montage) ist bei der Montage durch Zwischenlagen variierbar.
- M-Kern: Blechform in der Form eines unten geschlossenen M, der Mittelteil
ist am Ende unterbrochen, um die Bleche in den Wickel stapeln zu können, ein
Wickel auf dem Mittelschenkel. M-Kerne bzw. -Bleche können einen Luftspalt
aufweisen. Der Mittelschenkel ist doppelt so breit wie die Außenschenkel.
- UI-Kern: wechselseitig gestapelte Bleche in der Form eines U und eines I;
zwei Spulenwickel auf den langen Seiten des U.
- LL-Kern: zwei L-förmige Bleche werden jeweils umgekehrt gegeneinander gelegt
und wechselseitig orientiert gestapelt. Zwei Wickel auf den langen Seiten.
LL-Kerne können eine Jochverstärkung aus rechteckigen Blechen neben den Wickeln
aufweisen, wenn längs der Wickel texturierte (kornorientierte) Bleche zum
Einsatz kommen.
- Die Bleche von Kernen für die jeweils drei Spulensätze von Drehstromtransformatoren
sind rechteckig mit speziellen Maßen zugeschnitten und ineinander geschachtelt
oder sie bestehen aus E-förmigen Blechen gleicher Schenkelbreiten sowie
zugehörigen, die "E"-Enden überbrückenden I-Blechen für das Joch.
Drehstromtransformator
Drehstrom-Trockentransformator
→ Hauptartikel: Dreiphasenwechselstrom-Transformator
Der aus drei einzelnen "Stromphasen" bestehende Drehstrom lässt sich
prinzipiell mit drei gleichen Einphasentransformatoren übertragen. Effizienter
ist es jedoch, die drei Eisenkerne zu einem gemeinsamen Kern mit drei
Schenkelteilen zusammenzufassen. Die Schenkel sind in der praktischen Ausführung
nebeneinander angeordnet und oben und unten mit jeweils einem Kern-Joch von
gleicher Stärke wie die Schenkel verbunden.
In den Schenkelkernen sind die magnetischen Flüsse wirksam, die sich gemäß
der jeweils zugeordneten Wechselstromphase verändern. Der Phasenwinkel zwischen
den drei einzelnen Wechselströmen beträgt jeweils ±120°, sodass sich die
Magnetfelder in den verbindenden Jochen im Idealfall zu Null hin aufheben.
Drehstromtransformatoren
werden mit Nennleistungen von etwa 100 VA bis 1100 MVA gebaut.
Die Formel für das Übersetzungsverhältnis ü =
n1/n2 gilt für Drehstromtransformatoren nur
bei gleicher Schaltung von Ober- und Unterspannungsseite wie etwa bei der Schaltgruppe Yy0.
Bei besonders großen Transformatoren können zur besseren Transportierbarkeit
drei Einphasentransformatoren zu einer „Drehstrombank“ zusammengesetzt werden.
Hierbei müssen jedoch die Stufenschalter und viele Meldeeinrichtungen jeweils
dreifach vorhanden sein, so dass diese Anordnung eher selten ausgeführt wird.
Vertiefende Themen
Modellbetrachtungen
→ Hauptartikel: Modell des
Transformators
Die verschiedenen Modellbetrachtungen beschreiben,
meist vereinfacht, die elektrischen und magnetischen Verhältnisse eines
Transformators. Das Ziel ist durch die vorgenommenen Vereinfachungen und
Beschränkungen auf wesentliche Einflussfaktoren Zusammenhänge und
Gesetzmässigkeiten zu bilden und im Rahmen einer Theorie allgemein beschreiben
zu können.
Einschaltstromstoß
→ Hauptartikel: Einschalten
des Transformators
Das Einschalten eines Eisenkern-Transformators, also zum Beispiel eines
Netztransformators, erzeugt meistens einen Einschaltstromstoß. Dabei
gerät das Transformatoreisen mehr oder weniger in Sättigung und kann durch die
anliegende Netzspannung für den Rest der Spannungshalbschwingung 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 einige Perioden lang
einen erhöhten Wert und zu Beginn das etwa fünf- bis achtzigfache des
Nennstromes betragen. Je höher die Effizienz des Transformators, desto höher
kann dieser Wert sein.
Anwendungen
Geöffneter Transformator einer Elektrolokomotive,
erkennbar sind die Anzapfungen für verschiedene Schaltstufen
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
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
3-800-72225-9.
- 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 und Grammatik
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