Transformator

1. Was ist ein Transformator?

Ein Transformator ist eine Maschine, die mittels magnetischer Induktion eine Eingangspannung in eine Ausgangspannung transformiert.

Diese Aufgabe erfüllt er, ohne daß dazu bewegte Bauteile nötig sind. Das ist ein Grund dafür, daß er für eine hohe Lebensdauer von 25 Jahren konstruiert werden kann.

Magnetische Induktion läßt sich nur im wechselnden Magnetfeld zur Spannungserzeugung anwenden. Daher kann ein Transformator nur mit Wechselstrom funktionieren.

Der Transformator hat eine Primär- und eine Sekundärseite, die jeweils über eine ihrer Bemessungsspannung entsprechenden Anzahl an Windungen mit dem magnetischen Fluß durch seinen Kern  verkettet sind.

Die Windungen auf jeder Seite bilden Wicklungen, die meistens nicht elektrisch miteinander verbunden sind (Ausnahme: Spartransformator). Die Verbindung wird also nur durch die oben beschriebene Induktion hergestellt. Dadurch kann der Transformator Energie übertragen.

Da ein T. keine Energie erzeugt muß auf beiden Seiten das Produkt von Spannungen und Strömen, die zueinander in Phase liegen (die Wirkleistung) gleich groß sein (unter Vernachlässigung der Verluste). Diese Einschränkung wird durch die folgenden Formeln zur Übertragung von Spannungen und Strömen erfüllt:

Formel T.1: Übertragung von Spannungen und Strömen

Ein Transformator ist also für Spannungen und Ströme das, was ein Getriebe für Kräfte und Drehzahlen ist.

Wobei man folgende Vergleiche anstellen kann:

Getriebe	Transformator
Anzahl der Zähne der Zahnräder eines Zahnradpaares	Anzahl der Windungen auf Primär- und Sekundärseite
Verhältnis der Drehmomente	Verhältnis der Spannungen
Drehzahlverhältnis	Verhältnis der Ströme

Aufgrund dieser Analogien ist es sinnvoll auch für den Transformator den Begriff Übersetzungsverhältnis einzuführen.

2. Wozu werden Transformatoren benötigt?

Das Haupteinsatzgebiet für Transformatoren ist die Übertragung von elektrischer Energie von einer Quelle (z.B. Kraftwerk) zu ihrem Einsatzort (Verbraucher) mit möglichst geringen Verlusten.

Für eine wirtschaftlich effiziente Energieübertragung benötigt man nämlich hohe Spannungen, um die ohmschen Verluste gering zu halten.

Formel T.2: Wirkungsgrad einer Leitungsstrecke für die Energieübertragung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung

Bei dem Verbraucher muß die Spannung dann wieder heruntertransformiert werden, weil der Isolationsaufwand dort sonst zu hoch wäre.

Neben dieser Spannungsanpassung ist ein Transformator auch in der Lage die elektrischen Stromkreise auf Primär und Sekundärseite galvanisch voneinander zu trennen.
Das beruht darauf, daß er nur die Potentialdifferenz an den Anschlüssen der Primärwicklung gemäß seines Windungszahlenverhältnisses überträgt, aber nicht das absolute Potential.

3. Aufteilung der Transformatoren in verschiedene Klassen

Transformatoren lassen sich abhängig von der Betrachtungsweise in verschiedene Gruppen aufteilen.
Dabei kann ein Transformator auch mehreren Gruppen gleichzeitig angehören:

I. Elektrischer Aufbau:

• Spartransformator
• Einphasentransformator
• Drehstromtransformator
• Dreiwicklungs-Transformator

II. Kühlungs- und Isolationsmedien

• Flüssigkeitsgekühlter Transformator (meistens: Öltransformator)
• Gießharztransformator
• Trockentransformator
• Aufteilung nach Isolierstoffklasse

III. Verwendungszweck:

• Hochstromtransformator
• Meßwandler:
  
  • Stromwandler (z.B. Zangenamperemeter)
  • Spannungswandler
  • Impedanzwandler
• Netztransformator
• Schweißtransformator
• Stelltransformator
• Trenntransformator

IV. Bauweise

• Form des Kerns:
  
  • Bei Drehstromtransformatoren:
    
    • Fünfschenkelkerntransformator
    • Dreischenkelkerntransformator
  • Ringkerntrafo
  • Schnittbandkerntrafo
  • Stufenkerntrafo
  • Einphasen- Kerntransformator
  • Einphasen- Mantelkerntransformator
• Stelltransformatoren:
  
  • Thomaregler
  • Drehtransformator
  • Transformator mit Stufenschalter

V. Spezialformen:

• Teslatransformator
• Schleppkabelstation
• Funkeninduktor

4. Das Funktionsprinzip im Detail

Bild K.4: Einphasentransformator mit Wicklungen im Schnitt und Stromflußrichtungen

Wie man aus der obigen Abbildung entnehmen kann erzeugen Primär- und Sekundärwicklung Felder in unterschiedliche Richtungen. Das beruht auf der Lenzschen Regel.

Aus dem Durchflutungssatz läßt sich folgern, daß die magnetische Durchflutung entlang des Kerns 0 ist und er daher kein Feld enthält.

Aber das stimmt nicht ganz, weil die von der Primärseite erzeugte Durchflutung aufgrund des Leerlaufstroms doch geringfügig höher ist als die auf der Sekundärseite.

Spannungen und Ströme werden nach Formel T.1 entsprechend des Windungszahlenverhältnisses übertragen, was auf die Verkettung der magnetischen Wirkung durch elektrische Reihenschaltung zurückzuführen ist.

5. Grundlagen der technischen Realisierung

Unter den gegebenen Voraussetzungen nimmt ein T. die Gestalt an, die er heute hat:

• Stromleiter, die meist als zylinderförmige Wicklungen geformt werden und das Magnetfeld erzeugen und aufnehmen. Die Leiter jeder Wicklung sind über das Magnetfeld, das den Kern durchflutet verkoppelt. Meistens sind die Wicklungen konzentrisch um den Kern angeordnet.
• Einen Kern, der die Stromleiter umschließt, sowie auch die Leiter den Kern umschließen.
• Kern und Leiter sind aus Werkstoffen, die ihrem Verwendungszweck am ehesten gerecht werden (d.h. der Kern aus kornorientierten Trafoblechen und die Leiter aus Kupfer).
• Der Kern ist aus fertigungstechnischen Gründen oft eckig, folgt also nicht exakt dem Verlauf der Feldlinien. Die Drähte sind, weil sie aus dem flexiblen Metall Kupfer bestehen meistens kreisförmig um den Kern gewickelt (es gibt für kleine Leistungen auch rechteckige Spulen)

Wenn man den Transformator nicht als Blackbox betrachten will, sondern seine Rückwirkungen auf elektrische Netzwerke berücksichtigen muß, ist das Ersatzschaltbild das richtige Hilfsmittel.

6. Einige Fragen zum Thema Transformator

Warum sind in einem Transformator nur ganzzahlige Windungszahlen möglich?

Bei der Betrachtung eines Transformators darf man den Stromkreis nicht nur als Fluß zwischen zwei Punkten sehen, sonden man muß sich auf die gesamte geschlossene Leiterschleife beziehen.
Dann wird klar, daß man keine halben Leiterschleifen bilden kann, ohne den Kern zu durchbohren und den Leiter hindurch zu führen, was einen viel zu großen Aufwand bedeutet. Der Stromkreis kann den Kern sonst nämlich nur ganz umschließen, oder er kommt bloß in seine Nähe und erzeugt nur ein geringes lokales Streufeld im Eisen des Kerns.
Weil in bezug auf eine einzelne Windung nur die Abstufungen 0 oder 1 möglich sind, kann eine Wicklung unter dem Aspekt der magnetischen Verkopplung des Kerns mit dem Gesamtstromkreis nur aus einer ganzzahligen Anzahl von Windungen bestehen.
Bei einem Thomaregler wird diese Einschränkung letztlich durch das oben beschriebene Durchqueren des Kerns mit einem Leiter umgangen.

Warum sind die Eisenverluste nicht belastungsabhängig?

Das Magnetfeld im Kern nimmt mit steigender Belastung des Transformators nicht zu, weil der Strom in der Sekundärwicklung durch Induktion ein Gegenfeld zu dem belastungsabhängigen Strom auf der Primärseite aufbaut.
Daher wird wie oben beschrieben immer nur das Feld des Leerlaufstroms mit den entsprechenden Verlusten im Kern erzeugt.

Wieso sind kleine Transformatoren verhältnismäßig groß und schwer?

Kleinere Transformatoren erwecken häufig den Eindruck, daß sie für die geringe Leistung, die sie übertragen, zuviel Raum und Gewicht in Anspruch nehmen. Mit zunehmender Leistung steigt das Gewicht nämlich nicht linear sondern etwa mit , was dazu führt, das größere Transformatoren mehr Leistung pro Kilogramm bringen. Diese Gesetzmäßigkeit hängt damit zusammen, daß die Leistung eines Tranformators einerseits linear mit der Eisenquerschnittsfläche und andererseits linear mit dem Kupferquerschnitt zusammenhängt.
Bei Betrachtung des Leistungsanstiegs im Verhältnis zu einer einzelnen Größe (Kupferquerschnitt oder Eisenquerschnitt) kommt jeweils heraus, daß die Leistung stärker als das Gewicht, nämlich mit dem Faktor ansteigt.
Das ergibt sich daraus, das sowohl die Umfangslänge des Kerns, als auch die der Wicklungen nicht linear mit der jeweils anderen Querschnittsfläche steigt.

Dann müßte man Transformatoren möglichst groß bauen. Gibt es dafür eine obere Grenze?

Warum verzichtet man nicht einfach auf den Eisenkern, wo er doch nur Verluste erzeugt?

Um den Leerlaufstrom klein zu halten müßte der Transformator dann aus vielen sehr großen Drahtschleifen bestehen, die wiederum beträchtliche ohmsche Verluste erzeugen. Es könnte jedoch sein, daß die Leerlaufverluste etwas geringer ausfallen.
In jedem Fall würde ein solcher Transformator ein Streufeld, das nicht aktzeptabel ist, in die Umgebung abgeben.
Der Eisenkern wird also benötigt um möglichst kompakt den Raum um die Wicklungen herum zu überbrücken.

Kann man das Funktionsprinzip eines Transformators auch in der Hinsicht umkehren, daß man den Kern jeweils in mehreren Windungen um eine einzelne Leiterwicklung auf jeder Seite wickelt?

Ja, das geht.
Die Wicklungen bestehen dann aus Eisen, statt aus Kupfer, wodurch sie sehr schwer zu verarbeiten sind.