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transformer

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Transformer, der kan samles af komponenter til illustrative formål. Over den U-formede del af jernkernen, i det midterste billede med påsatte spoler; i det nederste billede med et andet ferromagnetisk (jern) åg over "U" -kernen, hvormed det magnetiske kredsløb kontinuerligt lukkes.

En transformer (fra latin transformare , 'at transformere, konvertere'; også Umspanner eller transformer for kort) er en komponent i elektroteknik . Det består normalt af to eller flere spoler ( viklinger ), som normalt er lavet af isoleret kobbertråd og er placeret på en fælles magnetisk kerne . En transformer omdanner et input AC spænding, der tilføres til en af spolerne i en output AC spænding, der kan udnyttes ved den anden spole. Forholdet mellem input og output spænding svarer til forholdet mellem antallet af omdrejninger af de to spoler. Således for eksempel et omdrejningsforhold på 20 til 1, en indgangsspænding på 240 volt omdannes til en udgangsspænding på 12 volt. Afhængigt af transformatorens design kan udgangsspændingen være lavere, højere eller lig indgangsspændingen.

Transformatorer bruges ofte til spændingskonvertering i energiforsyningssystemer og i tekniske enheder, især i strømforsyningsenheder til at levere lave spændinger i mange typer elektriske og elektroniske enheder. De er også nødvendige for signaloverførsel og beskyttende adskillelse.

historie

1885: Zipernowsky, Déri og Bláthy transformer
Patenttegning af William Stanley 1886

Selvom induktionsprincippet havde været kendt siden Michael Faradays opdagelser i 1831, blev transformatoren først udviklet 44 år senere. Pawel Nikolajewitsch Jablotschkow udviklede en forbedret form af kulbue lampen i 1875 og brugte induktionsspoler til dens drift, som i princippet repræsenterer en transformer. [1] Han behandlede imidlertid ikke disse apparater. Lucien Gaulard og John Dixon Gibbs udstillede en transformer i London i 1881, og i 1882 blev de tildelt det engelske patent nr. 4362 for det. [2] Begrebet transformer var ikke almindeligt dengang; enhederne blev kaldt sekundære generatorer. Tildelingen af ​​transformere til området elektriske maskiner , som stadig er almindelig i dag, stammer fra dette. [3] Károly Zipernowsky , Miksa Déri og Ottó Titusz Bláthy (alle tre ungarere) modtog patent på transformatoren i 1885. Dette blev mekanisk konstrueret efter det omvendte princip for nutidens transformere; Lederspolerne blev viklet rundt om en solid kerne lavet af ikke-magnetisk materiale, over hvilket tykke lag af jerntråd blev placeret for at danne en ferromagnetisk skal. Denne transformer blev solgt på verdensplan af virksomheden Ganz & Cie fra Budapest .

Amerikaneren George Westinghouse spillede en stor rolle i udbredelsen af vekselstrømssystemet og dermed transformatoren. Han erkendte ulemperne ved strømfordelingen ved hjælp af jævnstrøm, som dengang drives af Thomas A. Edison og støttede i stedet på vekselstrøm (jf. Stromkrieg ). I 1885 erhvervede Westinghouse patentrettighederne fra Gaulard og Gibbs [2] og importerede en række af deres sekundære generatorer samt en generator fra Siemens. Han brugte det til at bygge en AC elnet til elektrisk belysning i Pittsburgh . Samme år foretog William Stanley store forbedringer af Lucien Gaulards og John Gibbs 'udstyr som chefingeniør på Westinghouse i Pittsburgh. I 1886 installerede Westinghouse en vekselstrømsgenerator i Great Barrington, Massachusetts , hvis 500 V vekselstrøm blev steget til 3.000 V til distribution og trådte ned til 100 V igen for at betjene den elektriske belysning ved tilslutningspunkterne. Den voksende brug af transformere kombineret med oprettelsen af ​​AC -net førte til fremskridt inden for elektrificering rundt om i verden.

I begyndelsen af ​​1890'erne udviklede Michail Dolivo-Dobrowolski den første transformer til trefaset vekselstrøm ved AEG i Berlin og introducerede udtrykket trefasestrøm . [4] [5] [6] Hans trefasede transformer blev brugt på forslag af Oskar von Miller i 1891 til den første langdistanceoverførsel af elektrisk energi med trefaset vekselstrøm. Linjen blev taget i drift den 24. august 1891 mellem Lauffen am Neckar og den internationale elektrotekniske udstilling i Frankfurt am Main, 175 km væk. Spændingen på 50 V genereret i et vandkraftværk blev øget til 15 kV til transmission.

Allerede i 1888 udgav München elektriske ingeniør Friedrich Uppenborn en bog om transformatorens historie. [7] Gisbert Kapp udarbejdede det grundlæggende for beregning og konstruktion af transformere indtil 1907. [8.]

Begrundelse

Oversigtskitse af en transformer

Ideelt set består en transformer af et magnetisk kredsløb , der kaldes transformatorkernen og har mindst to strømførende viklinger. Den vikling, der vender mod den elektriske energikilde, betegnes som den primære side. Den, som den elektriske belastning er placeret på, kaldes den sekundære side.

Handlingsmåden kan beskrives ved følgende mekanismer: [9]

  1. Ifølge induktionsloven forårsager en vekselstrøm på transformatorens primære side en skiftevis magnetisk flux i kernen. Den ændrede magnetiske flux inducerer igen en spænding (spændingstransformation) på transformatorens sekundære side.
  2. En vekselstrøm i sekundærviklingen forårsager en vekselstrøm i primærviklingen (strømtransformation) i henhold til Ampères lov .

I tilfælde af en lav vekselstrømfrekvens anvendes typisk en jernkerne fremstillet af et ferromagnetisk materiale med høj permeabilitet . Sammenlignet med transformere uden en jernkerne muliggør dette høje vekslende magnetiske fluxdensiteter og dermed en betydeligt højere viklingsspænding , der sikrer, at den effekt, der kan transmitteres, er stor i forhold til det effekttab, der opstår fra den ohmiske modstand i viklinger. Kort sagt kræver en transformer med en jernkerne betydeligt færre drejninger på viklingerne end en transformer uden en jernkerne.

Den magnetiske flux i underpunkt 1 omfatter et magnetfelt, der i lighed med en elektromagnet får en strøm til at strømme i den primære spole. Den strøm, der kræves for at opbygge magnetfeltet, kaldes magnetiseringsstrømmen . Den primære strøm, der stammer fra den nuværende transformation i henhold til underpunkt 2, kaldes den primære tillægsstrøm . Det flyder ud over magnetiseringsstrømmen og er som aktiv strøm normalt meget større end dette.

funktionalitet

Ideel transformer

En ideel transformer forstås at være en tabsfri transformer, der ikke kan implementeres i praksis. Modstandene R1 og R2 i de primære og sekundære viklinger er antages at være R1 = R2 = 0 Ω. Det antages også, at der ikke er nogen spredning af den magnetiske flux finder sted. Dette modelkoncept er nyttigt til den funktionelle beskrivelse. I praksis er der mere eller mindre store afvigelser, regelmæssighederne gælder kun cirka.

3D -tegning af en typisk netværkstransformator. Den indre vikling er designet til netspænding (forsyningsspændingen) - genkendes ved det store antal omdrejninger, der er lavet af tynd tråd. Udgangsspændingen tages fra den ydre vikling. Det er normalt meget lavere og kræver derfor et mindre antal omdrejninger - men strømmen er højere, så trådtykkelsen er større. Transformatorkernen består af tynde jernplader, som er isoleret fra hinanden for at undgå hvirvelstrømme.

I den ideelle transformer er spændingerne på viklingerne proportionale med magnetfluxens ændringshastighed og antallet af viklinger på grund af elektromagnetisk induktion . Det følger, at spændingerne er relateret til hinanden som antallet af omdrejninger. Hvis N 1 , N 2 , U 1 og U 2 er antallet af omdrejninger eller de effektive værdier for de primære og sekundære spændinger, gælder følgende for den ideelle transformer

eller.

Forholdet mellem antallet af omdrejninger eller primær- og sekundærspændingen omtales også som transmissionsforholdet ü :

eller.

Ved passende valg af transformationsforholdet ü , dvs. antallet af omdrejninger N 1 og N 2 , kan vekselstrømninger begge forstærkes med en transformer ved at vælge ü mindre end 1 eller nedtrappes, hvis ü vælges større end 1.

Fra antagelsen om en ideel transformer følger det, at effekttabet for en ideel transformer er nul. Det har en effektivitet på η = 100%. Det betyder, at effekten P 1, der leveres til en ideel transformer, skal være lig udgangseffekten P 2 :

eller.

Ud fra dette kan den ideelle transformers nuværende transformationsforhold bestemmes. Strømmene er omvendt proportionale med transformationsforholdet:

Da du nu kender strøm- og spændingsforholdene ved den ideelle transformer, kan du stadig bestemme transformationsforholdet mellem vekselstrømimpedanser gennem den ideelle transformer:

Det betyder, at en ideel transformer transformerer en vekselstrømimpedans med kvadratet i transformationsforholdet.

Hvis en forbruger er tilsluttet den sekundære vikling, trækker den elektrisk energi fra den sekundære spole. Dette skaber en strøm på den sekundære side, og den primære strøm stiger. I modsætning til spændingerne på viklingerne er strømningerne i viklingerne rettet i modsatte retninger: Hvis den primære strøm strømmer gennem spolen til højre i forhold til kernen, strømmer sekundærstrømmen til venstre og omvendt ( Lenz's regel ). Fysisk kan den modsatte nuværende strøm forklares med flowhastighedssætningen . Det antages, at den fluxtæthed frembragt af den primære spænding U 1 i kernen kun antager endeligt store værdier, og at det permeabiliteten antal μ r af kernen er meget stort. Under disse omstændigheder bliver magnetfeltstyrken H i kernen så lille, at den er næsten ubetydelig ( H → 0), og anvendelsen af ​​flowhastighedssætningen på en integrationsvej langs kernen giver:

.

Den modsatte strømningsretning for strømmen er angivet i kredsløbsdiagrammet ved hjælp af strømpilen I 2, der peger ud af transformatoren.

Rigtig transformer

Ideelle transformatorer er praktisk talt umulige at implementere. En rigtig transformer adskiller sig fra den ideelle transformer på følgende måder:

  • Viklingerne har modstande og parasitiske kapacitanser ;
  • Virvelstrøm og magnetiske reverseringstab forekommer i jernkernen
  • ikke hele den magnetiske flux, der genereres af den primære vikling, passerer også gennem den sekundære vikling; der opstår en lækage . Derfor svarer spændingsforholdet mellem viklingerne ikke til deres antal omdrejningsforhold, selv når de er i tomgang.
  • Kernen kan kun tolerere en begrænset fluxdensitet op til mætningsmagnetisering . Indtil da er forholdet mellem fluxdensitet og feltstyrke ( permeabilitet ) ikke lineært. Magnetiseringsstrømmens forløb afviger derfor mere eller mindre stærkt fra den sinusformede form.
  • på grund af magnetostriktion ændrer kernen i mindre grad sin form, når magnetfeltet ændres, hvilket kan resultere i, at der udsendes lyd.

Opviklingernes modstand, den magnetiske vending og hvirvelstrømmene fører til energitab. Tabene på grund af viklingernes modstand kaldes kobbertab , tabene på grund af magnetisk vending kaldes hysteresetab , og tabene på grund af hvirvelstrømme kaldes virvelstrømstab . Hysteresetab og virvelstrømstab er opsummeret under udtrykket jerntab .

Kobbertab afhænger af kvadratet af belastningen på transformeren, det vil sige, at de er proportionelle med kvadratet af strømme i hver vikling I x . Jerntabet er næsten uafhængigt af belastningen, men stort set proportionalt med kvadratet af den magnetiske fluxdensitet i kernen. Hysteresetabet er også proportionalt med frekvensen, virvelstrømstabene er proportionelle med kvadratet af frekvensen. [10]

Stray fluxer får den sekundære spænding til at være lidt lavere end med den ideelle transformer.

Mætningsmagnetiseringen begrænser den mulige driftsfrekvens nedad eller med en given frekvens og antal omdrejninger den mulige primære spænding opad. Hvis grænsen overskrides, og mætning er nået, flyder der meget høje strømme på den primære side, mens spændingen bliver meget lav på den sekundære side. Ved at øge antallet af primære omdrejninger kan det imidlertid i praksis forhindres på bekostning af viklingsrummet og stigningen i kobbertab. Antallet af sekundære sving vil da naturligvis også stige tilsvarende. Mætningsmagnetiseringen spiller også en vigtig rolle, når transformatoren tændes ; startstrømmen kan kortvarigt være et multiplum af mærkestrømmen .

Lastet og aflæsset transformer

Hvis der ikke er tilsluttet en forbruger til den sekundære vikling, er der ingen belastning . Transformatoren er ikke indlæst. En tabsfri transformer i drift uden belastning opfører sig som en ideel spole . Hvis en sinusformet vekselstrøm er forbundet på den primære side, strømmer en strøm, der faseforskydes med 90 grader, som er kendt som magnetiseringsstrømmen, og som bruges til at opbygge magnetfeltet. I en rigtig transformer er faseforskydningen af ​​tomgangsstrømmen i forhold til primærspændingen mindre end 90 grader på grund af jerntab. [11] [12] Ved tomgangsoperation er jerntabet på grund af den lave indgangsstrøm meget større end kobbertabet på grund af tomgangsstrømmen i primærspolen.

På grund af det for det meste ikke-lineære forhold mellem magnetfeltstyrke i virkeligheden og magnetisk induktion I det væsentlige er magnetiseringsstrømmen ikke sinusformet, i modsætning til i tilfælde af en tabsfri transformer. [12]

Hvis transformeren er belastet på den sekundære side, strømmer en sekundær strøm. Dette ændrer fluxen i kernen og dermed modspændingen induceret i den primære vikling. For at opretholde spændingsligevægten på den primære side skal denne ændring i flux kompenseres med en ekstra strøm på den primære side ud over magnetiseringsstrømmen. Der skal være en balance mellem det flow, der genereres af det sekundære flow, og det flow, der skyldes det ekstra flow på den primære side. Primærstrømmen er derfor meget større ved nominel belastning end i tomgangs-sagen. [11] Den magnetiske fluxdensitet falder lidt under belastning.

Hvis den sekundære side kortsluttes, og indgangsstrømmen reguleres til strømmen ved nominel belastning, skal primærspændingen reduceres til dette. Den primære spænding, der er indstillet på denne måde, kaldes kortslutningsspændingen , som ikke er givet som en absolut, men som et procentvist forhold til den nominelle spænding. For effekttransformatorer er det mellem 5%og 20%, [13] for små transformere er det mellem 15%og 40%, for svejsetransformatorer er det 100%.

Transformatorer med en høj kortslutningsspænding kaldes lavspænding , dem med en lav kortslutningsspænding kaldes lavspænding . Kortslutningsspændingen afhænger i det væsentlige af kernens konstruktion og spolernes position i forhold til hinanden: høje lækagefluxer fører til høje kortslutningsspændinger. [14] Se også forvildet felttransformator .

Kortslutningsstrømmen er den strøm, der strømmer i tilfælde af en sekundær side kortslutning og nominel spænding. Det er meget højere end den nominelle strøm og kan ødelægge transformatoren på kort tid. Jo lavere kortslutningsspændingen er, jo højere er kortslutningsstrømmen. Kortslutninger er derfor farlige for transformere med lav kortslutningsspænding. Transformatorer, der er designet på en sådan måde, at de ikke ødelægges i tilfælde af kortslutning, kaldes kortslutningssikre . Som regel er kun små transformere med en udgang på op til et par VA, f.eks. Kloktransformatorer, designet til at være kortslutningssikre. Men selv store effekttransformatorer skal kunne modstå mindst en kortvarig kortslutningsstrøm uden mekanisk skade fra de Lorentz- kræfter, der opstår. [15]

Effektivitet

Typisk effektivitetskurve for en transformer over belastningen ved hjælp af eksemplet på en 100 VA -transformer

Effektiviteten af en transformer er forholdet mellem den elektriske effekt, der efterlader transformatoren på den sekundære side til den effekt, der strømmer ind i den på den primære side. På grund af jern- og kobbertab er det mindre end 1. Transformatorer med et højt nominelt output har effektivitet på mere end 99%, mens effektiviteten af ​​små transformere (f.eks. 100 VA) er omkring 80%, og miniaturetransformatorer (1 VA ) næppe med 50 % Effektivitet kommer. Ved højere frekvens, f.eks. B. i strømforsyninger i switch-mode kan selv små transformere opnå et højt effektivitetsniveau.

Transformatorer kan overbelastes kraftigt i kort tid. Kortsigtet drift bruges f.eks. Til lodningspistoler , men også til elektriske lokomotiver . Transformatorer leverer maksimal udgangseffekt med en effektivitet på 50% ( effektjustering ). I diagrammet overfor er dette punkt yderst til højre for enden af ​​kurven - transformeren, som eksemplet er baseret på, leverer omkring 2,5 gange dets nominelle effekt der.

Maskintransformatorer belastes konstant, de er dimensioneret til maksimal effektivitet, dvs. at jern- og kobbertab er omtrent det samme ved nominel belastning. [16]

I tilfælde af en lokal netværkstransformator, der bruges i elnettet, er den gennemsnitlige belastningstid kun omkring 40% af driftscyklussen, så højere kobbertab kan accepteres her, mens jerntabet reduceres mere. Sådanne transformatorer er optimeret til deres årlige effektivitet. Dette beskriver forholdet mellem den samlede mængde energi, der omdannes om året på den primære og sekundære side. Den årlige effektivitet er højere, jo større er forholdet mellem belastning og driftscyklus.

Netværksmodellering

Ækvivalent kredsløbsdiagram for en rigtig transformer

Netværksmodelleringen af ​​en transformer forfølger målet om at beskrive de essentielle ikke-ideelle egenskaber ved en transformer med et lille antal parametre. Det tilsvarende kredsløbsdiagram overfor viser en model, der ofte udføres ved hjælp af lineære komponenter. [17] De enkelte komponenter har følgende betydning:

  • : primærsidespændingskilde
  • : Udgangsspænding
  • , : Indgangsstrøm og transformeret udgangsstrøm
  • : Intern modstand af spændingskilden på den primære side
  • , : Lækageinduktans på den primære side og transformeret lækageinduktans på den sekundære side
  • , : Svingningsmodstand på den primære side og transformeret viklingsmodstand på den sekundære side
  • : Hovedinduktans, der bærer magnetiseringsstrømmen
  • : lineær modellering af de for det meste ikke-lineære jerntab i kernen (Fe: jern)

Modelleringen af ​​viklingernes parasitære kapacitanser blev udeladt i den viste model. På samme måde er transformatorens ikke-lineære egenskaber ikke vist.

Den ideelle transformer, der tegnes, adlyder transformationsligningerne:

Overførselsfaktoren angiver forholdet mellem antallet af omdrejninger på den primære og sekundære side.

De størrelser, der er markeret med en ekstra linje 'er blevet omdannet fra den sekundære side til den primære side. Ved omdannelse af en impedans fra sekundær til impedans på den primære side gælder følgende transformationsligning:

Impedansomdannelsen betyder, at indgangsterminalerne i en transformer til et elektrisk kredsløb som en modstand virker, når en modstand R er forbundet til den sekundære side. Ved hjælp af en transformer kan modstande således forøges eller reduceres ved at ændre svingningsforholdet vil blive ændret.

Impedansomdannelsen bruges ofte i elektroniske kredsløb til at tilpasse et netværk til den karakteristiske impedans af en linje eller til at tilpasse strømmen. I modsætning til gyratorisk kobling bevares netværkets struktur med transformerkobling , det vil sige, at serie- og parallelforbindelser bevares, og induktiv og kapacitiv adfærd ikke udskiftes.

Hvis den galvaniske isolering af transformatoren ikke er vigtig, kan den ideelle transformer i det tilsvarende kredsløbsdiagram udelades, efter at alle komponenter på sekundærsiden er blevet transformeret til den primære side.

Bølgeformer og båndbredde

Forsyningen med en sinusformet indgangsspænding er typisk for strømtransformatorer , f.eks. Dem, der bruges i det offentlige elnet. Netværket frekvens i et effektforsyningsnet er forudbestemt af rotationshastigheden af generatorer . Typiske værdier for netfrekvensen er 50 Hz (offentligt elnet i Europa) og 60 Hz (elnet i USA). I trækkraftforsyningen er der også netværk med netværksfrekvenser på 16,7 Hz og 25 Hz.

I pc-strømforsyninger , frekvensomformere og fotovoltaiske omformere genereres og transformeres firkantbølgespændinger med betydeligt højere frekvenser i specielle switch-mode strømforsyninger . De anvendte transformere bruges hovedsageligt til galvanisk isolering og spændingsjustering, hvilket forhindrer mætning af transformatorkernen. [18]

I flyback -konvertere bruges to magnetisk koblede spoler med en kerne med et luftspalte som energilagre. [19] Energien, der indføres i magnetfeltet via den primære side, trækkes ikke med det samme, men tappes kun på den sekundære side, efter at indgangsspændingen er blevet slukket. I tilfælde af rektangulære indgangsspændinger resulterer der cirka trekantede indgangsstrømme. [20]

Når man sender signaler med en transformer, er det vigtigt, at signalkomponenterne for alle relevante frekvenser transmitteres. Ved brug af en ohmsk belastning udviser transformatoren det, der er kendt som en båndpasadfærd . [21] I tilfælde af uegnet dimensionering eller forkert ledningsføring kan en transformer også udvise uønsket svingningsadfærd, en såkaldt resonansforøgelse .

Den nedadgående begrænsning af båndbredden kommer fra hovedinduktansen betingelser. Det kortslutter lavfrekvente signaler. Den øvre grænse for båndbredden i netværksmodellen skyldes udelukkende lækageinduktanserne og . Deres impedans stiger med frekvensen og forhindrer på denne måde signaloverførsel. Ved høje frekvenser er den kapacitive kobling mellem de enkelte viklinger også relevant.

I praksis er transformatorernes lavere frekvensområde hovedsageligt begrænset af den nødvendige størrelse, hvilket stiger kraftigt med faldende frekvens. Det typiske frekvensområde for lavfrekvente transformatorer strækker sig ned til 16,7 Hz, den nominelle frekvens for jernbanestrømforsyning. I den øvre ende af frekvensområdet er højfrekvente transformere, hvor viklingerne ofte kun består af få eller endda et enkelt sving. Frekvensområdet for kommercielt tilgængelige højfrekvente transformere dækker et område fra et par MHz til omkring 1 GHz. [22]

Måde til energioverførsel

I modsætning til hvad mange tror, ​​finder energioverførslen i transformatoren ikke sted via selve transformerkernen, men via det elektromagnetiske felt i det omgivende medium. [23] Poynting -vektoren , der angiver energistrømmens retning, er vinkelret på de elektriske feltlinjer, der løber i en ring omkring transformatorkernen og de magnetiske feltlinjer i det omstrejfende felt, som er dannet af primære og sekundære strømme . En visualisering af forbindelserne findes i artiklen af ​​Herrmann og Schmid. [24] Illustrationen viser, at i elektriske kredsløb såvel som i magnetiske kredsløb bevæger energien sig aldrig i selve linjerne, men altid langs linjerne.

Da die Energieübertragung mittels des Transformator-Streufeldes geschieht, steht die Vorstellung eines idealen Transformators ohne Streufeld streng genommen im Widerspruch zu den maxwellschen Gleichungen . Im American Journal of Physics formuliert Newcomb [25] diesen Zusammenhang folgendermaßen:

“In conclusion, let us note that there is something paradoxical in the notion of a strictly ideal transformer […]. If such a thing existed, we could reverse the foregoing arguments and conclude that both E and H must vanish in the exterior region, thus making it impossible to account for the power flow. Still, it should also be emphasized that the use of ideal-transformer relations is perfectly legitimate as an asymptotic approximation in the low-frequency limit.”

William A. Newcomb [25]

„Schlussfolgernd wollen wir festhalten, dass der Gedanke eines strikt „idealen“ Transformators eine Paradoxie enthält […]. Sollte ein solcher existieren, könnten wir die vorherigen Argumente verwerfen und stattdessen schlussfolgern, dass sowohl E als auch H im Außenbereich verschwänden, was es unmöglich machen würde, den Leistungsfluss zu bewerten. Trotzdem muss betont werden, dass die Gleichungen für ideale Transformatoren als asymptotische Näherung im niederfrequenten Bereich Gültigkeit haben.“

In der Zeitschrift Praxis der Naturwissenschaften – Physik in der Schule (PdN-PhiS) empfiehlt Herrmann im Zusammenhang mit der Energieübertragung beim Transformator, das Feld zwischen den Schenkeln eines Transformators nicht als Streufeld zu bezeichnen, da es für den Energietransport wichtig sei. Beim Transformator solle darüber hinaus nicht nur das Feld der magn. Flussdichte, sondern auch das Feld der magnetischen Feldstärke diskutiert werden und bei möglichst vielen Gelegenheiten die Frage nach dem Weg der Energieübertragung gestellt werden. [26]

Verhalten bei Netzstörungen und beim Einschalten

Verlauf von Strom und Spannung bei Netzstörungen am belasteten Transformator
Typisches Verhalten eines Transformators beim Einschalten. Das Maximum des Magnetisierungsstroms liegt nach der ersten Spannungshalbwelle.

Einschaltvorgänge und Netzstörungen bewirken besonders starke Abweichungen des Transformatorverhaltens vom idealen Verhalten. Beide Vorgänge können den Transformatorkern sättigen und zu beträchtlichen Überströmen führen.

Entsprechend dem Induktionsgesetz entscheidet allein der Verlauf der Eingangsspannung, ob bei einem Transformator Sättigungserscheinungen auftreten oder nicht. Der Belastungszustand spielt keine wesentliche Rolle; selbst ein Kurzschluss auf der Sekundärseite führt nicht zur Sättigung. [27]

Bei einer typischen Netzstörung im 230-V-Netz fallen vereinfacht betrachtet einzelne oder mehrere Spannungshalbwellen beziehungsweise Teile davon aus. Der Transformator reagiert auf das Ausfallen der Netzhalbwelle mit einem großen Sättigungsstrom in der darauf folgenden Halbwelle. [28] Den wesentlichen Beitrag zur Kernsättigung liefert die Vormagnetisierung des Kerns, die durch die Störung der Eingangsspannung verursacht wird.

Beim Abschalten oder Ausfall der Spannung verharrt der Magnetisierungszustand des Kerns in dem Remanenzpunkt , der der Magnetisierung im Abschaltzeitpunkt am nächsten liegt. Abhängig von Polarität und Phasenlage der wiederkehrenden Netzspannung kann das dazu führen, dass ausgehend von diesem Remanenzpunkt der verbleibende Induktionshub bis zur beginnenden Sättigung kleiner ist als die Zeitfläche der wiederkehrenden Spannungshalbwelle. Die durch die Zeitfläche der wiederkehrenden Halbwelle erzwungene Flussänderung im Kern treibt diesen in die Sättigung, wobei große Magnetisierungsströme benötigt werden.

Der ungünstigste Fall für einen Luftkern ist das Einschalten einer vollen Halbwelle, was zum 2-fachen Magnetisierungsstrom des Nennwertes führt. Der ungünstigste Fall für einen Ringkern ist das Einschalten, wenn die Remanenz bei liegt und die Polarität der wiederkehrenden Spannung identisch ist mit der vor dem Abschalten. Diesen Verlauf zeigt die untere Prinzipskizze. Der Magnetisierungsstrom ist in diesem Fall im Wesentlichen nur noch durch die Restinduktivität und durch den ohmschen Widerstand der Primärspule und die Impedanz der Netzzuleitung begrenzt. Er kann demnach extreme Werte annehmen, weil der Transformatorkern restlos gesättigt ist und keine Magnetflussänderung mehr aufnehmen kann. Die Sättigungsmagnetisierung spielt auch beim Einschalten des Transformators eine wichtige Rolle; der Einschaltstrom kann dabei kurzzeitig ein Vielfaches des Nennstromes betragen.

Diese Einschaltvorgänge klingen in jedem Fall im Verlauf einiger Halbwellen ab, da aufgrund der Asymmetrie der Magnetisierungsströme auch die beiden gegenpoligen Spannungshalbwellen mit unsymmetrischen Spannungsabfällen behaftet sind. Das hat zur Folge, dass in der Sättigungshalbwelle stets etwas weniger Spannung zur Aufmagnetisierung zur Verfügung steht als bei der dazu gegenpoligen Spannungshalbwelle die zur Abmagnetisierung führt. Dadurch zentriert sich der Magnetisierungs-Schleifendurchlauf selbsttätig nach einigen Netzperioden, wobei die Zeitkonstante dafür aus dem Quotienten der Induktivität dividiert durch die Ohmschen Widerstände im Stromkreis errechnet werden kann. Bei sehr großen Transformatoren kann diese Zeitkonstante deshalb einige Minuten betragen.

Schlienz [29] gibt als Zahlenwert für einen daraufhin optimierten 1,6-kVA-Transformator (230 V), der mit 1 kW belastet wird, einen Strom von 200 A aufgrund der Sättigung an. Im Vergleich dazu fließen im Normalbetrieb weniger als 10 A.

Anwendungen und technische Realisierung

Energietechnik

Pflanzenöl-gekühlter 380kV-Umspanner in Bruchsal
220kV/110kV-Transformator in Karlsruhe
110kV/20kV-Transformatoren am Umspannwerk Recklinghausen
5kV/20kV-Transformatoren an der Schleuse Schwabenheim

In der Energietechnik verbinden Transformatoren die verschiedenen Spannungsebenen des Stromnetzes miteinander. Maschinentransformatoren sind noch Teil der Kraftwerke und transformieren die im Generator induzierte Spannung zur Einspeisung in das Stromnetz in Hochspannung (in Westeuropa 220 kV oder 380 kV). Umspannwerke verbinden das überregionale Höchstspannungsnetz mit dem Mittelspannungsnetz der regionalen Verteilnetze. In Transformatorenstationen wird die Elektrizität des regionalen Verteilnetzes mit der Mittelspannung von 10 bis 36 kV zur Versorgung der Niederspannungsendkunden auf die im Ortsnetz verwendeten 400-V-Leiter-Leiter-Spannung transformiert. Wegen der hohen übertragenen Leistungen heißen die in der Stromversorgung verwendeten Transformatoren Leistungstransformatoren .

Leistungstransformatoren sind meist Drehstromtransformatoren , die entweder mit Transformatorenöl gefüllt oder als Trockentransformatoren ausgeführt sind. Für erstere gilt in der EU die Norm IEC (EN) 60076-1, für letztere die Norm IEC (EN) 60076-11. Parallel zu den EU-Normen existiert die IEEE -Normenreihe C57. [30]

Insbesondere in ringförmigen und mehrfach gespeisten Verteilnetzen ist es üblich, die übertragbare Leistung durch Parallelschaltung von Transformatoren zu erhöhen. Die hierzu eingesetzten Transformatoren haben gleiche Spannungsübersetzung, eine identische Schaltgruppe , nahezu gleiche Kurzschlussspannung und ähnliche Bemessungsleistungen. Das Übersetzungsverhältnis kann bei Drehstromtransformatoren, je nach Schaltgruppe, auch einen komplexen Wert annehmen, dh, neben dem Betrag der Ausgangsspannung ändert sich auch deren Phasenlage. Zur Steuerung werden direkt in das Transformatorgehäuse Stufenschalter integriert.

Es kann zur Steuerung des Leistungsflusses notwendig sein, in räumlich ausgedehnten Verteilnetzen mit mehreren parallelen Leitungen mit unterschiedlichen Übertragungsleistungen (auch bei parallel zu Freileitungen betriebenen Kabelsystemen) spezielle Phasenschiebertransformatoren einzusetzen.

Das Transformatorprinzip findet in der Energietechnik auch in Stromwandlern Anwendung. Mit diesen werden hohe Stromstärken gemessen, indem der Strom zunächst heruntertransformiert wird. Stromwandler bestehen oft aus einem Ringkern mit Sekundärspule, der den Leiter umschließt, dessen Strom gemessen werden soll. Rogowskispulen sind wie Stromwandler aufgebaut, besitzen jedoch keinen magnetischen Kern.

Ein Tokamak , ein Kandidat für die Auslegung zukünftiger Fusionskraftwerke und Gegenstand aktueller Forschung , funktioniert ebenfalls nach dem Transformatorprinzip. In einem ringförmigen Vakuumgefäß wird eine Gasentladung herbeigeführt, indem in Leitern (Poloidalfeldspulen), die in Ringrichtung um das Gefäß angeordnet sind, der Strom langsam erhöht wird. Die Spulen bilden dabei die Primärwicklung, während das Gas im Vakuumgefäß die Sekundärwicklung darstellt.

Elektrogeräte

In Elektrogeräten, die nicht direkt mit Netzspannung arbeiten, wandeln Transformatoren die an der Steckdose anliegende Netzwechselspannung von typischerweise 230 V auf die Betriebsspannung des Elektrogeräts um.

Netzteile von Elektrogeräten enthalten entweder einen konventionellen Netztransformator, welcher mit Netzfrequenz und primärseitig (prinzipiell) direkt am Stromnetz betrieben wird, oder ein Schaltnetzteil , welches den Transformator mit einer höheren Frequenz als der Netzfrequenz betreibt. Schaltnetzteile sind heute weit verbreitet, konventionelle Netztransformatoren eher selten anzutreffen. Eine höhere Frequenz anstelle der Netzfrequenz ermöglicht bei gleicher Leistung einen wesentlich kleineren und damit leichteren Transformator und kleinere Tiefpass - Siebglieder zur Glättung der vom entsprechenden Gerät benötigten Gleichspannung.

Sicherheitstransformatoren liefern sekundärseitig eine Kleinspannung, z. B. 6 V, 12 V oder 24 V. Sie müssen kurzschlussfest sein und die Isolation der Sekundär- von der Primärwicklung muss durch eine Zwischenwand aus Isolationsmaterial sichergestellt werden. Zu den Sicherheitstransformatoren gehören Spielzeugtransformatoren wie beispielsweise Transformatoren für den Betrieb von Modelleisenbahnen und Klingeltransformatoren . Trenntransformatoren dienen primär dazu, eine galvanische Trennung zwischen Primär- und Sekundärseite zu erreichen. Sie sind daher meist symmetrisch aufgebaut, dh, die Primärspannung entspricht der Sekundärspannung. Ist eine galvanische Trennung nicht erforderlich, können Netztransformatoren in speziellen Fällen ohne galvanische Trennung als so genannte Spartransformatoren ausgeführt sein.

Ältere Fernsehgeräte oder Computermonitore mit Kathodenstrahlröhre enthalten einen Zeilentransformator , mit dem neben der Versorgung der Zeilen- Ablenkspulen auch die für die Beschleunigung der Elektronen erforderliche Spannung (20–30 kV) erzeugt wird. Mittelfrequenztransformatoren sind für Frequenzen von einigen Hundert Hertz bis zu einigen Kilohertz ausgelegt. Sie werden beispielsweise beim Widerstandsschweißen eingesetzt.

Transformatoren mit Primärspannungen bis 1000 V unterliegen in Deutschland der ersten Verordnung zum Geräte- und Produktsicherheitsgesetz , welche die europäische Niederspannungsrichtlinie umsetzt. Sie müssen die Norm EN 61558 erfüllen, was mit der CE-Kennzeichnung dokumentiert wird. Ein Transformator mit CE-Kennzeichnung kann ohne weitere Kontrollen und Prüfungen innerhalb der EU in den Verkehr gebracht werden.

Nur selten wird ein Transformator mit der Zielsetzung verwendet, einen möglichst großen Sekundärstrom zu erzeugen (wobei dann die Sekundärspannung nachrangig ist). Dies geschieht zum Beispiel beim Elektroschweißen .

Signalübertragung

Übertrager vom Typ TG110, wie sie bei Ethernet-Schnittstellen verwendet werden

Übertrager und Pulstransformatoren sind Transformatoren, die nicht auf verlustarme Energieübertragung, sondern auf möglichst unverfälschte Transformation von Signalen optimiert sind. Jedoch gibt es auch Trafos, die z. B. zur Thyristorzündung genutzt werden, die aus Rechtecksignalen mit einigen Zusatzbauelementen, wie RC-Dioden-Beschaltungen, kurze Zündnadelimpulse formen. Übertrager werden im Niederfrequenzbereich mit Eisenkern, bis in den Megahertzbereich mit Ferrit- oder Eisenpulverkern und ab einigen 100 kHz oft auch als Lufttransformatoren gefertigt. Sie dienen der Impedanzanpassung und/oder der galvanischen Trennung der Signalstromkreise.

In der Messtechnik werden Transformatoren zur Impedanzwandlung eingesetzt. In der Tontechnik spielen sie in jeder Stufe der Signalverarbeitung eine Rolle, so in Mikrofonen, DI-Boxen , Verstärkern und Lautsprechern. In ELA-Anlagen werden die Audiosignale meist per 100-Volt-Technik fast verlustfrei über längere Leitungen übertragen und erst direkt am Lautsprecher wieder durch einen Transformator an die Impedanz des Lautsprechers angepasst. Über die oft vorhandenen Anzapfungen der Primärwicklung lässt sich die Lautstärke (Leistung) in groben Schritten (oft 6 W, 3 W und 1,5 W) einstellen.

Bei der Signalübertragung dienen Transformatoren bis in den dreistelligen MHz-Frequenzbereich zur Gleichtaktunterdrückung . Typische Beispiele für Gleichtaktsignale, die gefiltert werden sollen, sind Spannungen, die mit gleichem Vorzeichen an beiden Übertragungsleitungen anliegen. Da Transformatoren ausschließlich die Differenz der an beiden Klemmen anliegenden Spannungen registriert, werden Gleichtaktstörungen nicht über den Transformator übertragen. In der Audiotechnik kann man auf diese Weise die sogenannten Brummschleifen verhindern. In gestörten Messumgebungen blockieren Transformatoren Störungen auf den Übertragungsleitungen, die beispielsweise durch Motoren oder Schaltnetzteile verursacht werden.

Auch in den Bandpässen der Zwischenfrequenzverstärker , z. B. für 455 kHz oder 10,7 MHz, befinden sich häufig Spulenanordnungen – oft auch noch mit Anzapfungen, die wie kleine (Spar-)Transformatoren magnetisch gekoppelt sind und die unterschiedlichen Ein- und Ausgangs impedanzen der Transistoren anzupassen haben.

Ein ähnliches Ziel verfolgt die Symmetrische Signalübertragung , bei der ein zu übertragendes Wechselspannungssignal doppelt übertragen wird: Eine Leitung überträgt das Originalsignal, während eine zweite Leitung das mit (−1) multiplizierte Signal überträgt. Zur Generierung des Signalpaars aus einem unsymmetrischen, auf Erde bezogenen Signal wird typischerweise ein Transformator mit Mittelanzapfung verwendet. Zur Wandlung oder Rückwandlung kann auch eine auf Operationsverstärkern oder Transistoren basierende elektronische Schaltung verwendet werden.

Wirtschaftliche Aspekte

Eisenbahntransport eines Transformators mit Tragschnabelwagen

Der Weltmarkt für Transformatoren hat ein Jahresvolumen von ungefähr 10 Milliarden Euro. Er wird bisher von europäischen Gesellschaften dominiert, die jedoch zunehmend von asiatischen Unternehmen herausgefordert werden. Der größte Absatzmarkt ist China mit ungefähr 25 % des Weltmarktvolumens, gefolgt von den USA, Japan und Deutschland. In reifen Märkten wie Europa oder den USA spielen Betriebskosten und energetischer Wirkungsgrad für die Absatzchancen eines Produktes eine große Rolle, während in jüngeren Märkten wie China verstärkt über den Preis verkauft wird. [31] [32]

China ist auch der größte Transformatorproduzent der Welt: 90 % der dort verkauften Transformatoren werden in diesem Land gebaut, die meisten davon von ausländischen Gesellschaften. Die weltweit führenden Hersteller von Transformatoren sind ABB und Alstom . Weitere große europäische Hersteller sind Areva , Siemens und die 2005 von Siemens übernommene VA Technologie . Die führenden Anbieter der USA sind Cooper Industries , General Electric . [31] [32]

Konstruktive Details

Transformatoren gibt es von Daumennagelgröße für die Übertragung von weniger als einem Tausendstel Voltampere (VA) (zum Beispiel für Bühnenmikrophone ) bis hin zu großen Einheiten mit einem Gewicht von mehreren 100 Tonnen, die für die Kopplung nationaler Stromnetze verwendet werden und für Leistungen im Bereich von mehreren Millionen Voltampere ausgelegt sind. Sie werden für zahlreiche verschiedene Zwecke eingesetzt. Entsprechend vielfältig fällt die Ausführung der Wicklungen, des Transformatorkerns und der Montage- und Befestigungselemente aus. Zur Abführung der Verlustwärme großer Leistungstransformatoren können zusätzlich bei Luftkühlung Rippenkühlkörper mit oder ohne Lüfter bzw. Kühlflüssigkeitsbehälter mit Isolieröl zum Einsatz kommen.

Transformatorenhauptgleichung

Aus dem Induktionsgesetz folgt für sinusförmige Spannungen die als Transformatorenhauptgleichung bezeichnete Beziehung: [33]

Dabei ist der Effektivwert der Spannung, die maximale magnetische Flussdichte im Kern, die Querschnittsfläche des Transformatorkerns, die Frequenz und die Windungszahl.

Bei nicht-sinusförmigen Wechselspannungen ist die Konstante durch andere Werte zu ersetzen; etwa für Rechteckspannung durch und für Dreieckspannung durch . [34]

Raumbedarf und Konstruktionsparameter

Die Transformatorenhauptgleichung verbindet grundlegende Parameter eines Transformators. Die maximale magnetische Flussdichte ist durch die Sättigungsmagnetisierung des Kernmaterials begrenzt. Bei gegebenen Werten der Ausgangsspannung , der Betriebsfrequenz und der maximalen magnetischen Flussdichte ist das Produkt aus Querschnittsfläche des Kerns und Windungszahl festgelegt. Diese beiden Parameter bestimmen wesentlich den Raum- und Materialbedarf eines Transformators.

Wird bei gleicher Ausgangsspannung die Betriebsfrequenz erhöht, erniedrigt sich entsprechend das Produkt . Wird etwa ein Transformator bei 5 kHz statt bei 50 Hz betrieben, so kann das Produkt aus Windungszahl und Kernquerschnitt um einen Faktor 100 kleiner gewählt werden, was eine entsprechende Verkleinerung des Transformators bedeutet. In der Praxis wird dieses nicht ganz ausgenutzt, da sich mit höherer Frequenz auch die Hystereseverluste nach der Steinmetzformel vergrößern und deswegen bei höheren Frequenzen auch etwas niedriger gewählt wird.

Höhere Betriebsfrequenzen führen also zu einem geringeren Raum- und Materialbedarf und damit auch zu einem geringeren Gewicht. Dieses ist der Grund für die geringere Baugröße von Schaltnetzteilen .

Die maximale Betriebsspannung hat auch einen kleinen Einfluss auf den Raumbedarf. Da der Kupfer-Füllfaktor aufgrund der Isolation bei steigender Speisespannung sinkt, sind Transformatoren bei gleicher Übertragungsleistung umso größer, je höher die zu verarbeitenden Spannungen sind. Die Stromdichte in den Wickeldrähten kann bei kleinen Transformatoren höher sein als bei großen, denn die Wärme kann bei jenen besser entweichen. Dementsprechend haben kleinere Transformatoren (und solche für geringere Übertragungsleistungen) üblicherweise einen kleineren Wirkungsgrad.

Wicklungen

Material

Als Leitermaterial für die Wicklungen wird meist massiver Kupferdraht verwendet. Große Querschnitte werden in Einzelleiter aufgeteilt ( Roebelstab ), die gegeneinander isoliert sind und zyklisch vertauscht werden. Weiterhin kommen Folie, Band aus Weichkupfer oder Hochfrequenzlitze zum Einsatz. Bänder, Folien von Schaltnetzteiltransformatoren und Drähte von Großtransformatoren bestehen häufig aus Aluminium. Folien haben häufig nur reine Schirmfunktionen. [35]

Zur Isolierung hat der Draht eine Kunstharz-Lackierung ( Kupferlackdraht ) oder – früher – auch eine Umspinnung . Die dünnere Lackschicht hat ein höheres Isoliervermögen und erlaubt eine kompaktere Wicklung, als es mit umsponnenen Drähten möglich war. Relativiert wird dies bei nachfolgendem Tränken des Transformatorwickels oder beim Betrieb in Isolieröl ( Transformatorenöl ).

Um die Spannung zwischen benachbarten Windungen nicht allzu hoch werden zu lassen, werden Lagenisolationen eingebracht oder der Draht wird beim Wickeln in mehrere nebeneinanderliegende Kammern verlegt. Eine weitere Methode, die Spannungsfestigkeit zu erhöhen, sind Folien-Wickel. Sie werden teilweise bei Schaltnetzteil-Transformatoren, aber auch bei Großtransformatoren [36] verwendet.

Konstruktives Ziel ist eine möglichst kompakte Wicklung, um in einem durch den Kern gegebenen Wickelquerschnitt möglichst viel Kupfer oder Aluminium unterbringen zu können. Die Art der Isolierung begrenzt die mögliche Betriebstemperatur nach oben (siehe Isolierstoffklasse ). Eine kompakte, möglicherweise getränkte Wicklung verbessert auch die Wärmeableitung aus dem Inneren.

Herstellung

Ein Spulenkörper (englisch coil former oder bobbin ) hilft, die Wicklung in der passenden Form herzustellen und bietet zusätzliche Isolation zum Kern oder zu Nachbarwicklungen (Mehrkammer-Spulenkörper). Spulenkörper sind meist aus Kunststoffspritzguss und besitzen oft eingespritzte Kontaktstifte oder Führungen für ein- und auslaufende Wicklungsenden. Damit ist auf einer automatischen Wickelmaschine eine geordnete Wicklung möglich.

In einigen Fällen ist ein Spulenkörper zu teuer oder er schränkt den Wickelraum zu stark ein. Dann wird ein selbsttragender Wickel hergestellt und auf dem Kern mit Keilen oder anderen Zwischenlagen befestigt. Nur selten wird direkt auf die Schenkel des Transformatorkerns gewickelt, da solche Wicklungen maschinell schwer herzustellen sind und nur eine geringe Spannungsfestigkeit gegenüber dem Kern aufweisen.

Anordnung

Ein 100-VA-Trafo. Oben die Primärwicklung (230 V), unten die zwei Sekundärwicklungen (9 V).

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. Das Übereinanderwickeln von Primär- und Sekundärspule wird auch Mantelwicklung genannt.

Bei Sicherheitstransformatoren sind Primär- und Sekundärwicklung in getrennten Kammern des aus Isolierstoff bestehenden Wickelkörpers untergebracht, um sie sicher voneinander zu isolieren.

Aufteilung von Primär- und Sekundärwicklung in mehrere Bereiche:

  • Scheibenwicklung: Anordnung der Teilwicklungen nebeneinander auf einem Schenkel des Kerns
    • freitragend: Abstände zwischen den Scheiben dienen häufig als Kühlkanäle
    • Mehrkammer-Wickelkörper: senkt die Lagenspannung und verringert die Eigenkapazität der Wicklung; bessere Isolation auch bei nicht getränkten Wickeln
  • verschachtelte Wicklungen: Audio-Transformatoren (Übertrager und Ausgangstransformatoren ) haben oft unterteilte, ineinandergreifende Primär- und Sekundärwicklungen, um die Streuinduktivität zu verringern und so die Übertragung hoher Frequenzen zu verbessern.

Netz- und Signaltransformatoren besitzen eine Schirmwicklung , wenn der Ableitstrom unterbunden werden soll, der ohne Schirm von der Primärseite zur Sekundärseite durch kapazitive Kopplung der Wickel gelangt. Dieser Schirm ist an Masse angeschlossen und dient zur Verringerung der kapazitiven Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung. Der Schirm besteht aus einer einlagigen Drahtwicklung oder aus Folie, die nur an einem Ende angeschlossen ist. Die Schirmwicklung darf keine elektrisch geschlossene Schleife darstellen, weshalb die Überlappung der beiden Folienenden elektrisch isoliert sein muss. Dieser Schirm kann bei sogenannten Störschutztransformatoren auch aus hochpermeablem Material bestehen. Damit wird der Übergang von hochfrequenten Störungen zur Sekundärseite gedämpft.

Ein Transformator kann statt einer einzelnen auch mehrere getrennte Sekundärwicklungen für unterschiedliche Spannungen oder für getrennte Stromkreise haben.

Fixierung

Häufig wird die Wicklung mit Tränk- oder Gießharz fixiert. Dadurch verbessern sich die Isolation, die Wärmeableitung und die mechanische Festigkeit; das Brummen des Transformators wird reduziert und die Gefahr, dass Feuchtigkeit eindringt, wird geringer. Besonders Schaltnetzteil- und kleine Hochspannungstransformatoren werden unter Vakuum getränkt oder beim Verguss entlüftet. Dadurch werden Lufteinschlüsse beseitigt, die andernfalls zu lebensdauerverringernden Teilentladungen führen.

Anzapfungen

Dieser Transformator stammt aus einer Elektrolokomotive : Zahlreiche Anzapfungen auf der Sekundärseite, die mit Schaltern kontaktiert werden, ermöglichen den ruckfreien Anfahrbetrieb.

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 V) als auch den europäischen Markt (230 V) 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 V aufgebracht, die wahlweise parallel oder in Reihe geschaltet werden können. Dabei 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. 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.

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 Gegentaktendstufen 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.

Bei Stelltransformatoren kann ein beweglicher Gleitkontakt oder eine Kontaktrolle jede einzelne Windung der Ausgangswicklung kontaktieren, wodurch eine nahezu stufenlose Einstellung der Ausgangsspannung ermöglicht wird.

Transformatorkern

Material

Der Transformatorkern besteht je nach Einsatzgebiet des Transformators aus Eisen oder aus Ferriten . Einige Transformatoren haben überhaupt keinen Kern; diese bezeichnet man als Lufttransformatoren . Ferromagnetisches Material im Spulenkern hat eine wesentlich bessere magnetische Leitfähigkeit als Luft und erlaubt so einen stärkeren magnetischen Fluss, hat aber die Eigenschaft, ab bestimmten magnetischen Flussdichten zu sättigen. Bei Sättigung reduziert sich die magnetische Leitfähigkeit, was zu einem nichtlinearen Übertragungsverhalten führt.

Wirtschaftlich größte Bedeutung haben Eisenlegierungen und ferromagnetische Stähle. Für Transformatoren (Betriebsfrequenz 50 Hz oder 60 Hz) verwendet man überwiegend sogenanntes Dynamoblech nach DIN EN 10107, das aus Eisen- Silizium - Legierungen besteht. Bei Signalübertragern werden auch Nickel-Eisen-Legierungen eingesetzt. Die maximale Flussdichte liegt bei Eisen je nach Spezifikation bei 1,5 bis 2 Tesla.

Der Kern wird aus einem Stapel aus einzelnen Blechen aufgebaut, zwischen denen elektrisch isolierende Zwischenschichten liegen, wobei die Blechfläche parallel zur Richtung des magnetischen Flusses und damit senkrecht zum induzierten elektrischen Feld ist. Dadurch werden die Wirbelstromverluste reduziert. Je höher die Frequenz ist, desto dünner müssen die Bleche gewählt werden. Eine Beschädigung der Isolierung der einzelnen Blechpakete kann bei großen Transformatoren zu einer erheblichen lokalen Erwärmung des Paketes führen.

Ab Frequenzen im Kilohertzbereich würden die Wirbelstromverluste bei Eisenkernen auch bei sehr dünnen Blechen zu groß. Es werden Kerne aus amorphen oder nanokristallinen Bändern oder Ferritkerne verwendet. Ferrite haben eine hohe Permeabilität, aber nur eine geringe elektrische Leitfähigkeit. Zur Herstellung von Ferritkernen wird das meist pulverförmige Ausgangsmaterial in eine Form gegeben und unter Druck gesintert (gepresst). Hierdurch ergeben sich mehr Gestaltungsmöglichkeiten als bei den Blechpaketen, insbesondere bei der Anpassung an den Spulenkörper. Bei Ferriten liegt die maximale Flussdichte bei etwa 400 mT. Die Grenze zur Verwendung von Ferritmaterial liegt in der Herstellbarkeit im Press- und Sinterprozess. Kerne für größere Trafos werden teilweise aus Ferritblöcken zusammengesetzt. Die amorphen und nanokristallinen Kerne erlauben durch ihre natürliche Banddicke von typ. 0,02 mm die Verwendung bei höheren Frequenzen und haben sehr geringe Verluste. Typische Kernformen für diese Bänder sind Ringkerne oder seltener Schnittbandkerne.

Bauformen

Der Querschnitt des Kerns wird aus wirtschaftlichen Gründen im Bereich der Energietechnik (16…60 Hz, geblechter Eisenkern) im Verhältnis zur Windungszahl der Primärwicklung, der Betriebsspannung und der Frequenz meist so gewählt, dass die Flussdichte bei der maximal zulässigen Spannung und dabei im Leerlaufbetrieb nahe an die zulässige magnetische Sättigungsflussdichte kommt. Bei Ferritkernen und höheren Frequenzen ist das nicht möglich, weil die Verluste dann zu hoch wären. Die Aussteuerung liegt hier oft nur bei einem Zehntel der Sättigungsflussdichte.

Ringkerne
Kern aus aufgewickeltem Dynamoblech und daraus hergestellter Ringkerntrafo

Bei einem Ringkerntransformator ist ein vergleichsweise hoher Wirkungsgrad bei kleiner Baugröße möglich. Dafür ist das Wickeln der Spule aufwendiger. Ringkerne bestehen aus Blechband, Pulver oder Ferriten. Ringkerntransformatoren haben bei homogen über den Umfang verteilten Wicklungen nur ein sehr geringes Streufeld und entsprechend geringe Streuinduktivität.

Schnittbandkerne

Bei Schnittbandkernen versucht man, die Vorteile von leicht herstellbaren Drahtwickeln mit den Vorteilen eines aus Band gewickelten Kernes zu vereinen. Zur Herstellung eines Schnittbandkerns wird ein Blechband (Dicke 0,025–0,3 mm) auf einen Dorn mit rechteckigem Querschnitt aufgewickelt und verklebt. Anschließend wird der Wickel in der Mitte quer zerteilt und die Trennflächen werden poliert. Schließlich werden die Hälften in die bewickelten Spulenkörper gesteckt und verklebt. Für Schnittbandkerne werden auch texturierte Blechbänder eingesetzt.

Schnittbandkerne haben aufgrund ihrer Restluftspalte eine kleinere Remanenz als Ringkerntransformatoren und damit kleinere Einschaltströme als diese. 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 gegenüber anderen Kernbauformen etwas teurer.

Gestapelte Blechkerne
Transformator in Mantelbauform

Es wird zwischen Mantelbauform und Kernbauform unterschieden. [37] Bei der Einphasenausführung eines Manteltransformators befinden sich beide Windungen auf dem Mittelschenkel, entweder nebeneinander oder übereinander. Der Mittelschenkel ist in dieser Bauform durch zwei Außenschenkel ergänzt, welche je den halben Querschnitt des Mittelschenkels aufweisen, und keine Windungen tragen. Die Mantelbauform wird beispielsweise aus wechselseitig geschichteter Stapeln aus Blechen in E- und I-Form gebildet, daraus folgt die Bezeichnung EI-Kern. Eine weitere Möglichkeit sind sogenannte M-Bleche, die die gesamte Mantelform bilden und zur Montage einen Trennschnitt am Ende des Mittelschenkels haben.

Transformator in Kernbauform

Bei der Kernbauform fehlt der Mittelschenkel, der Kern bildet in Seitenansicht die Form eines Rechtecks und weist einen einheitlichen Querschnitt auf. Die Windungen befinden sich im Regelfall getrennt auf den beiden Außenschenkeln, können aber auch gemeinsam auf einem Schenkel angebracht sein. Die Kernbauform wird beispielsweise durch wechselseitig geschichtete Stapel aus Blechen in der Form eines U und I gebildet, daraus folgt die Bezeichnung UI-Kern. Eine weitere Möglichkeit sind LL-Bleche – hier wird für die Zweischenkelbauweise nur eine Blechform benötigt.

Weitere Kernbauformen
Übertrager mit Schalenkern

Insbesondere bei Ferritkernen gibt es eine Vielzahl von Bauformen, unter anderem besonders flache Ausführungen für eine bessere Wärmeableitung und solche mit zylindrischem Mittelschenkel für ein leichteres Bewickeln des Spulenkörpers. Schalen- bzw. Topfkerne weisen geringe Streufelder auf. RM-Kerne und EP-Kerne sind eine Mischform aus EE-Kern und Schalenkern.

Luftspalt

Im Regelfall ist, um die gespeicherte Energie im Kern gering zu halten, kein Luftspalt im Kern gewünscht. Man schichtet daher Bleche wechselseitig oder poliert die Grenzflächen der Kernhälften. Manche Transformatorkerne dienen jedoch der Zwischenspeicherung magnetischer Energie wie beim Sperrwandler . Dies kann durch einen Luftspalt im magnetischen Kreis erreicht werden, in dem ein wesentlicher Teil der magnetischen Feldenergie gespeichert wird. Der Feldstärkebedarf und damit der Magnetisierungsstrom steigen, die Kennlinie wird geschert beziehungsweise linearisiert. Die im Luftspalt gespeicherte magnetische Energie vergrößert die Blindleistung, wird jedoch fast verlustfrei wieder abgegeben. Die Remanenz im Kern liegt wegen der Scherung der Magnetisierungskennlinie nahe bei der Induktion Null.

Luftspalte im Kern werden auch bei Gleichstrom-Anteilen im Primärstrom wie bei Ausgangsübertragern benötigt. In sehr einfachen Schweißstromquellen erfüllen sie ebenfalls diese Funktion, denn dort wirkt der Schweißlichtbogen als Gleichrichter. [38]

Luftspalte vergrößern lokal in der Nähe des Spaltes den Streufluss, der möglicherweise dort (z. B. im Trafokessel) zu Verlusten und Störungen führt. Auch in der weiteren Umgebung besitzen solche Transformatoren oft einen erhöhten Streufluss, da ein größerer Anteil des Gesamtfeldes außerhalb des Kernes auftritt.

Luftspalte werden z. B. bei Ferritkernen und M-Blechen durch unterschiedlich lange Schenkel erreicht, bei E/I-Blechen durch gleichsinnige Stapelung und eine Zwischenlage.

Pulverkerne und Kerne aus Sintermetall besitzen einen sogenannten verteilten Luftspalt, der aus den isolierenden Schichten zwischen den Pulverkörnchen besteht. Diese Kerne vertragen daher natürlicherweise eine höhere Gleichstrom-Vormagnetisierung.

Magnetischer Nebenschluss

Streufeldtransformator 400 VA mit per Stellrad einstellbarem magnetischem Nebenschluss zur Anpassung des Ausgangsstromes ( Vorschaltgerät für Leuchtröhren ); unten: Primärwicklungen (220 V); oben: Sekundärwicklungen (2 × 2,5 kV, 50…80 mA); Höhe 215 mm

Durch ein zusätzliches unbewickeltes Joch mit Luftspalt wird unter anderem bei Lichtbogen-Schweißtransformatoren und Streutransformatoren (ua für Leuchtröhren ) eine Strombegrenzung bewirkt. Das Joch dient als magnetischer Nebenschluss. Solche Transformatoren sind oft auch kurzschlussfest und besitzen im Falle von Schweißtransformatoren und manchen Leuchtröhren-Transformatoren eine mechanische Verstellmöglichkeit des Joches, sodass der abgegebene Strom eingestellt werden kann. Der magnetische Fluss in diesem Joch steigt mit dem abgegebenen Strom und kann zur Auslösung einer Überstromabschaltung herangezogen werden. Das war zum Beispiel bei Modellbahn-Transformatoren ME002 der Marke PIKO/ DDR der Fall. Dort diente das Joch ausschließlich diesem Zweck und bestand lediglich aus einer Blechkonstruktion ähnlich einem Klappankerrelais. Auch Transformatoren in Mikrowellengeräten und manche Klingeltransformatoren besitzen aus diesen Gründen einen magnetischen Nebenschluss.

Masse-Leistungs-Verhältnis

Masse-Leistungs-Verhältnis verschiedener Ringkern-Netztransformatoren dreier verschiedener Hersteller

Höhere Betriebsfrequenzen erlauben einen geringeren Materialeinsatz – siehe den Abschnitt Raumbedarf und Konstruktionsparameter . Jedoch erfordern höhere Betriebsfrequenzen oftmals aufwendigere Konstruktionen wie dünnere, teurere Bleche, Wicklungen aus Litze oder einen verschachtelten Wicklungsaufbau. Kerne aus Ferriten erlauben nur eine geringere Aussteuerung als diejenigen aus Eisen. Dennoch gelingt es mit höheren Arbeitsfrequenzen bis in den MHz-Bereich, die Baugröße und Masse von Transformatoren extrem zu verringern. So wiegt ein Ringkerntransformator für 3 kW für 50 Hz 30 kg; [39] ein Trafo gleicher Leistung für 100 kHz wiegt lediglich 0,5 kg. [40]

Netztransformatoren (50 oder 60 Hz, 115 oder 230 V) haben ein mit der Nennleistung leicht sinkendes Masse-Leistungs-Verhältnis, welches aufgrund des höheren Isolierstoffanteiles bei kleineren Transformatoren schlechter sein sollte. Andererseits können kleinere Transformatoren mit höheren Stromdichten im Wickeldraht betrieben werden (die Wärme kann besser abgegeben werden wegen geringerem Wärmeleitweg und höherer spezifischer Oberfläche), was zu einem schlechteren Wirkungsgrad führt. Daher ist das Masse-Leistungsverhältnis dennoch fast eine Gerade.

Das Masse-Leistungs-Verhältnis lässt sich durch eine hohe Induktion und damit mittels hochwertigem, bei Blechen texturiertem Kernmaterial verbessern. Ringkerntransformatoren und Schnittbandkerne sind anderen geblechten Kernen überlegen, da bei diesen die Textur immer entlang der Feldlinien gerichtet sein kann.

Geräuschentwicklung

Bei Transformatoren treten zufolge der Magnetostriktion induktionsabhängige Längenänderungen im Kernmaterial in der Größenordnung von einigen µm/m auf. Besondere Bedeutung hat dies bei Leistungstransformatoren . Die Schwingungen mit doppelter Netzfrequenz übertragen sich teilweise durch die mechanischen Verbindungen zwischen Kern und Außenumwandung und zu einem Teil durch das Öl auf die Ummantelung bzw. den Kessel des Transformators, wo sie als Schall großflächig an die Umgebung abgestrahlt werden. Zusätzlich wirken auf die Wicklungen mechanische Kräfte, die quadratisch mit dem Strom wachsen und ebenfalls Schwingungen mit doppelter Netzfrequenz erregen. Beispielsweise wird in unmittelbarer Nähe von Leistungstransformatoren mit 40 MVA, ohne die Geräuschpegel der Kühleinrichtungen, ein Geräuschpegel in der Größenordnung von 70 dB(A) erreicht. [41] Bei Umspannwerken mit Großtransformatoren in oder in der Nähe von Wohngebieten werden meist zusätzliche schalldämpfende Maßnahmen getroffen. Eine weitere Geräuschquelle des Transformators sind etwaige Pumpen und Lüfter der Kühlanlage.

Literatur

  • Peter Bastian, Horst Bumiller, Monika Burgmeier, Walter Eichler, Franz Huber, Jürgen Manderla, Jürgen Schwarz, Otto Spielvogel, Klaus Tkotz, Ulrich Winter, Klaus Ziegler: Fachkunde Elektrotechnik . 26., überarbeitete und erweiterte Auflage. Europa-Lehrmittel , Haan-Gruiten 2008, ISBN 978-3-8085-3160-0 .
  • Hans Rudolf Ris: Elektrotechnik für Praktiker . 5., vollständig überarbeitete Auflage. Electrosuisse, Fehraltorf 2011, ISBN 978-3-905214-71-0 (mit CD-ROM ).
  • Hans-Ulrich Giersch, Hans Harthus, Norbert Vogelsang: Elektrische Maschinen . 5. Auflage. Teubner, Stuttgart 2003, ISBN 3-519-46821-2 .
  • Rudolf Janus: Transformatoren . VDE, Berlin 1993, ISBN 3-8007-1963-0 .
  • Helmut Vosen: Kühlung und Belastbarkeit von Transformatoren . VDE, Berlin 1997, ISBN 3-8007-2225-9 .
  • Rolf Fischer: Elektrische Maschinen . 12. Auflage. Hanser, München 2004, ISBN 3-446-22693-1 .
  • Adolf J. Schwab: Elektroenergiesysteme – Erzeugung, Transport, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie . Springer, 2006, ISBN 3-540-29664-6 .

Weblinks

Commons : Transformatoren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Transformator – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Wikibooks: Transformator – Lern- und Lehrmaterialien

Einzelnachweise

  1. NATIONAL HIGH MAGNETIC FIELD LABORATORY USA – The Stanley Transformer – 1886 (englisch)
  2. a b VDE „Chronik der Elektrotechnik – Transformator“
  3. Borns: Beleuchtung mittels sekundärer Generatoren. In: Elektrotechnische Zeitung. Nr. 5, 1884, S. 77–78
  4. VDE-Website - Dolivo-Dobrowolsky
  5. Gerhard Neidhöfer: Michael von Dolivo-Dobrowolsky und der Drehstrom. Anfänge der modernen Antriebstechnik und Stromversorgung. VDE-Buchreihe Geschichte der Elektrotechnik Band 9, 2. Auflage. VDE VERLAG, Berlin Offenbach, ISBN 978-3-8007-3115-2 .
  6. WEKA Media Lexikon ( Memento vom 23. Juli 2012 im Webarchiv archive.today )
  7. Friedrich Uppenborn: Geschichte der Transformatoren , München/Leipzig, 1888. Englische Übersetzung 1889 als History of The Transformer. In: Open Library ( (Volltext bei Open Library) )
  8. Gisbert Kapp: Transformatoren für Wechselstrom und Drehstrom: Eine Darstellung ihrer Theorie, Konstruktion und Anwendung. Berlin, 1907 ( (Volltext bei Open Library) ).
  9. Karl Küpfmüller, Wolfgang Mathis, Albrecht Reibiger: Kapitel 29.3 Der Transformator In: Theoretische Elektrotechnik, Eine Einführung. 17. Auflage, ISBN 3-540-29290-X ( Auszug in der Google-Buchsuche).
  10. HR Ris: Elektrotechnik für Praktiker . 1. Auflage. Buchverlag Elektrotechnik Aarau (Schweiz), 1990, ISBN 3-905214-11-3 , S.   495   f .
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