Ein Transformator (kurz Trafo) ist eine elektrische Baugruppe aus zwei oder mehr Spulen auf einem gemeinsamen Eisenkern. Mit Hilfe von Transformatoren lassen sich elektrische Spannungen herauf- oder herunter transformieren, das heißt erhöhen oder verringern, und damit den technischen Erfordernissen anzupassen. Erst der Transformator machte die weite Verbreitung der Elektrizität möglich, weil Hochspannungsleitungen den Transport über große Entfernungen ohne allzu große Verluste ermöglichte.
Während der Begriff Transformator eher aus dem Bereich Energietechnik kommt, heißt das funktionsgleiche Bauteil in der Nachrichtentechnik Übertrager.
Das physikalische Grundprinzip des Transformators ist die Spannungsinduktion infolge der Flussänderung durch zeitlich veränderliche Magnetfelder. Transformatoren sind elektromagnetische Energiewandler.
Eine an die erste Spule ("Primärspule") angelegte Wechselspannung erzeugt einen veränderlichen Primärstrom und damit ein veränderliches Magnetfeld im Kern, dieses Feld durchsetzt die zweite Spule ("Sekundärspule") und erzeugt hier durch Induktion wiederum eine Spannung.
Die in der Sekundärspule erzeugte Spannung ist exakt so hoch, wie das Verhältnis ihrer Windungszahl zur Primärspule.
Beispiel: ein Transformator mit 1000 Windungen an der Primärspule, 100 Windungen der Sekundärspule und 220 Volt Primärspannung erzeugt in der Sekundärspule eine Leerlaufspannung von genau 22 Volt. Die nutzbare Betriebs- oder Nennspannung ist jedoch meist um die internen Verluste des Transformators gemindert (siehe unten).
Es lassen sich auf einem Transformator auch mehrere getrennte Sekundärspulen für unterschiedliche Spannungen oder für getrennte Stromkreise aufbauen.
Die Sekundärspulen können auch mehrere Ausgangs-Anzapfungen haben: so kann man auch mit einem Trafo, der nur eine Sekundärwicklung besitzt, mehrere unterschiedlich hohe Sekundärspannungen erhalten. Die Primärspulen können ebenfalls mehrere Anzapfungen haben; daher ist ein solcher Trafo für unterschiedlich hohe Primärspannungen geeignet, bei denen trotzdem auf identische Ausgangsspannungen transformiert wird.
Ein Eisenkern erhöht die Induktivität. Er ist meist aus vielen einzelnen voneinander isolierten Blechen aufgebaut oder aus speziellen magnetisierbaren Keramiken. Wäre der aus Blechen aufgebaute Kern massiv, würden sich durch Induktion Wirbelströme bilden, die den Wirkungsgrad erheblich verschlechtern würden und zu einer stärkeren Erwärmung des Trafos führen würden.
Auslegung und Berechnung
Optimierung
Transformatoren werden für ihren jeweiligen Anwendungszweck optimiert.
Einfache Netztransformatoren arbeiten bei Netzfrequenz mit 50 Hz beziehungsweise 60 Hz und sind relativ groß. Bei zunehmender Frequenz kann ein Trafo (in gewissen Grenzen) mehr Leistung übertragen. Eine weitere Optimierung bietet das Schaltnetzteil. Beim Schaltnetzteil wird eine annähernd rechteckförmige höherfrequente Spannung erzeugt und dann transformiert. Durch die verringerte Verlustleistung wird ein wesentlich kleinerer Trafo benötigt und so viel Material und Gewicht gespart.
Idealer und realer Transformator
Ein idealer Transformator hätte keine Übertragungsverluste. Der ideale Transformator ist eine theoretische Sonderform des realen Transformators und zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:
Leitfähigkeit des Eisen gegen Null --> keine Wirbelströme
Permeabilität der Luft gegen Null --> kein Streufluss
Leitfähigkeit der Wicklungen gegen Unendlich --> keine Wicklungsverluste
Daraus ergibt sich das Durchflutungsgleichgewicht des idealen Transformators:
I1n1 + I2n2 = 0
Ein realer Transformator hat Übertragungsverluste durch den Ohmschen Widerstand der Wicklung, durch Wirbelstrombildung im Kern und durch andere Effekte. Bei großen Transformatoren muss die Verlustleistung gegebenenfalls durch geeignete Kühlung abgeführt werden. Bei starker Überlastung kann ein Transformator "durchbrennen".
Im Eisenkern des Transformators entstehen durch die fortwährende Umpolung der magnetischen Domänen (Weißsche Bezirke) Ummagnetisierungsverluste. Diese treten auch bei Leerlauf auf, was besondere Anforderungen an die Magnetwerkstoffe der Kerne stellt.
Beispielsweise hat ein Leistungstrafo für 37,5 kVA eine Leerlaufleistung von ca. 3,2 W/kVA, d.h. eine Verlustleistung ohne Entnahme von Sekundärstrom von 120 W. Bei Leistungstransformatoren kommen häufig Silizium-Eisen-Legierungen mit spezieller Textur zum Einsatz. Mit Blechdicken von ca. 0,2-0,3 mm erhält man bei 50 Hz Verluste von ca. 0,5-1 W/kg (abh. von der Aussteuerung B).
Unbelasteter Transformator
Ein Transformator ist unbelastet, wenn an der Sekundärseite kein Verbraucher angeschlossen ist.
Da bei der Induktion die Spannung zur Windungszahl proportional ist, verhalten sich die Spannungen wie die Windungszahlen:
U1 / U2 = n1 / n2 ,
Da U = -n x Í (phi, griechische Letter), oder U1 = -n1 x Í und U2 = Í x n2
Hier ist Í gleich, da der ferromagnetische Kern des Transformators dafür sorgt, dass für beide Spannungen (Primär- und Sekundärspule) Í gleich ist. Es fällt bei einer Gleichsetzung der Gleichung heraus.
wenn U1 und U2 die Primär- und Sekundärspannung sowie n1 und n2 die Primär- und Sekundärwindungszahl sind.
Belasteter Transformator
Der Primärstrom I1 ergibt sich zunächst aus der Primärspannung U1
Für einen idealen (verlustfreien) Transformator gilt dann:
P1 = P2 ,
Da die elektrische Leistung P das Produkt aus Spannung U und Stromstärke I ist,
P = U · I ,
folgt:
U1 · I1 = U2 · I2 .
Da nun die Spannungen sich wie die Windungszahlen verhalten, verhalten sich dann die Ströme umgekehrt wie die Windungszahlen:
[Bild:] Hochspannungstransformator im Schnitt, Ölisolation
Zur verlustarmen Energieübertragung in Hochspannungsleitungen werden Spannungen auf hohe Werte transformiert. Dabei wandelt der Maschinentrafo des Kraftwerkes die Generatorspannung (bei großen Kraftwerken etwa 10 bis 25kV) auf die Netzspannung (etwa 400kV) um. Durch die Transformation auf die hohe Spannung im Fernleitungsnetz wird der dort fließende Strom geringer, da bei der Transformation P = U * I konstant bleibt. Der geringere Strom führt dazu, dass weniger Verlustwärme durch den ohmschen Widerstand der Leitung entsteht. Für das Stadtnetz werden die Spannungen wieder auf die 10 bis 25 kV zurück transformiert.
Zur Isolation werden derartige Leistungstransformatoren häufig in ölgefüllte Behälter eingebaut (siehe auch Bild). Bei moderneren Ausführungen ist die Wicklung mit Gießharz vergossen. Diese bei Bränden wesentlich ungefährlicheren Typen heißen Gießharztransformatoren.
Spartransformator
Ein normaler Trafo hat voneinander getrennte und isolierte Primär- und Sekundärspulen, was unter Sicherheitsaspekten wichtig ist. Eine Besonderheit ist demgegenüber der Spartransformator, der nur eine Spule mit mehreren Anzapfungen hat. Er lässt sich in dieser Bauweise besonders kostengünstig herstellen.
Induktiver Koppler
Ein besondere Ausführungsform des Transformators ist der induktive Koppler. Die physikalische Funktionsweise ist zum Trafo identisch, allerdings ist der Transformatorkern teilbar und beide Teile können einen, meist geringen Abstand besitzen.
Widerstandstransformation
Eine Widerstandstransformation wird angewendet, um Verbraucher und Quellen hinsichtlich ihres Widerstandes anzupassen, zum Beispiel einen Lautsprecher von 4 Ohm an den Ausgang eines Verstärkers von 1000 Ohm. Durch die gegenseitige Anpassung an einen etwa gleichgroßen Wert wird der Wirkungsgrad der gesamten Anlage verbessert.
Oberwelleneliminierung
Stromrichtertransformatoren unterdrücken durch ihre spezielle Schaltung (Reihenschaltung von im Stern und in Dreieck geschalteten Sekundärwindungen) alle Oberwellen mit Ausnahme der Ordnung (12*n + 1) und (12 *n - 1) n = 1, 2, 3, 4... und ermöglichen somit erhebliche Einsparungen beim Aufbau von Oberwellenfiltern. Ihre Anwendung erfolgt hauptsächlich bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung.
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