Einphasentransformator

Trafoprinzip

Prinzip der Energieübertragung

Die Eingangsseite (= Primärspule) nimmt zur Erzeugung des Magnetischen Flusses Φ Strom aus dem Netz auf. Φ durchströmt den Eisenkern und damit auch die Sekundärspule, in der somit eine Spannung induziert wird. Diese induzierte Spannung kann an der Ausgangsseite abgegriffen werden kann.

Prinzip der Ruheinduktion

Wenn sich in einer Spule der Magnetische Fluss Φ (ΔΦ/Δt ist der mathematische Ausdruck
für den sich zeitlich ändernden
magnetischen Fluss Φ)
ändert
, wird zwischen den elektrischen Polen der Spule eine Spannung U0 induziert.

Für die Größe der induzierten Spannung schreiben wir das sogenannte Induktionsgesetz:

U0.......induzierte Spannung in V
N.........Windungszahl der Spule
ΔΦ / Δt.....Flussänderung in Weber/Sekunde

Flussänderung durch Wechselstrom

Das Bild zeigt am Beispiel zweier beliebiger Zeitpunkte t1 und t2, wie man sich die Flussänderung ΔΦ in der Sekundärwicklung zwischen den betrachteten Zeitpunkten vorstellen muss.

Aufbau und Wirkungsweise

Auf einem gemeinsamen Eisenkern sitzen zwei getrennte Spulen. Die Primärspule erzeugt aus Wechselstrom das Wechselfeld im Eisenkern. Die Sekundärspule induziert aus dem Wechselfeld eine Wechselspannung. Prinzipiell sind die Primär- und die Sekundärspannung 180° phasenverschoben. In der Praxis ist das erst wichtig, wenn mehrere Trafos zusammengeschaltet werden müssen.

Fe-Kern

Er besteht aus Blechen, die gegeneinander isoliert und mit Si-legiert sind. Dabei werden je nach Anforderung verschieden Blechschnitte verwendet. Wir unterscheiden

  1. EI-Kern
  2. UI-Kern
  3. Schnittbandkern
  4. Ringkern

Die Isolierung zwischen den Blechen soll Wirbelströme verhindern, da diese den Kern unnötig erhitzen würden.

Spulenarten

Röhren- oder Lagenwicklung

Sie wird bei kleinen Trafos häufig verwendet. Das Problem kann die hohe Lagenspannung werden (Summe der Windungsspannung pro Lage). Je höher die Spannung umso problematischer ist die Isolationsbeanspruchung der Lackdrähte. Ein Durchschlagen der Spannung kann durch einlegen von Lagenisolierungen verhindert werden.

Scheibenwicklung

Sie wird nur bei großen Trafos mit sehr hoher Spulenspannung (über 1kV) verwendet. Die benötigte Windungszahl wird in einzelnen voneinander isolierten Spulenkörpern untergebracht. Die gesamte Spule wird so in einzelne Scheiben zerlegt. So ist die Isolierung und die Kühlung zwar besser aber der Platz für die Kupferleiter wird dafür weniger.

Folienwicklung

Sie wird nur bei Trafos mit kleinen Spannungen aber großen Strömen verwendet (Schweißtrafos). Oft wird statt Cu Aluminiumfolie eingesetzt.

Übersetzungsverhältnis

Es gibt den Zusammenhang zwischen N1 und N2, U1 und U2, oder I1 und I2 an.

Das zeigt auf einfache Art den Zusammenhang der Größen bei einem "Idealen Trafo". Die Verluste interessieren uns dabei nicht.

Aus der Gleichung lässt sich für eine bestimmte übertragene Leistung für einen Trafo sagen:
Je höher die Spannung, desto mehr Windungen hat die Spule und desto kleiner ist der fließende Strom.

Ein Transformator überträgt elektrische Energie von der Primärseite zur Sekundärseite. Daher liefert die Ausgangsseite idealerweise die selbe Leistung, welche die Eingangsseite aufnimmt.

Leerlauf von Trafos

Wenn der Trafo keine Leistung abgibt, müsste er auch nichts aufnehmen. Trotzdem fließt ein kleiner Strom, der Leerlaufstrom I0. Der größte Teil des Leerlaufstromes (Im) magnetisiert den Eisenkern, ist also ein reiner Blindstrom. Ein kleiner Teil des I0 (der IFe) erwärmt aber den Eisenkern, er ist dagegen ein reiner Wirkstrom.

Die Aufteilung des Leerlaufstromes in einen Magnetisierungsstrom (=Blindstrom) und einen Heizstrom (=Wirkstrom) bedingt gedanklich die Parallelschaltung eines Wirk- und eines induktiven Blindwiderstandes.

Dadurch entsteht ein Stromdreieck (=bildliche Version des ersten Kirchoffschen Gesetzes). Das Zeigerdiagramm sieht folgendermaßen aus:

I0......entspricht dem Messwert des Leerlaufstromes
IFe....Wirkanteil des Leerlaufstromes (Fe-Heizung)
Iµ.....Blindanteil des Leerlaufstromes (Magnetisierung)

I0 ist 10 bis 20% des Primärnennstromes.

Leerlaufkennlinie oder Magnetisierungskennlinie eines Trafos

Die Messung zeigt, dass ab der Nennspannung des Trafos der Leerlaufstrom sehr viel stärker zu steigen beginnt. Wird die Spannung zu stark erhöht würde die Trafospule auch ohne Belastung verbrennen.

Begründung:
Ab der Fe-Sättigung kann die Gegenspannung nicht mehr steigen. Wird nun die angelegte Spannung trotzdem weiter gesteigert, erhöht sich die treibende Spannung und damit der Strom in der Spule übermäßig.

Leerlaufspannung U0

Sie entspricht der induzierten Spannung in der Sekundärwicklung des nicht belasteten Trafos. (manchmal U20 genannt). U20 hängt ab von

  • der magnetischen Flussdichte B
  • der Frequenz des Feldes f in Hz (entspr. der Änderungsgeschwindigkeit des magn. Flusses)
  • der Windungszahl der Sekundärspule N2
  • Da der Eisenkern durch den Wechselstrom der Primärwicklung auf einen Maximalwert magnetisiert wird, ist der höchste Wert des Magnetischen Flusses auf den Eisenquerschnitt bezogen zu berücksichtigen. () Das Induktionsgesetz kann jetzt als sogenannte Trafo-Hauptformel geschrieben werden:

    Verluste von Trafos

    Verluste werden immer in Form von Wärme abgegeben. Sie entstehen im Eisenkern und in den Wicklungen. Gäbe es keine Verluste, würde der Trafo im Leerlauf keinen Strom aufnehmen, weil er erst aktiv werden muss, wenn es Leistung zu übertragen gibt, also wenn er belastet wird.

    Wir unterscheiden

    /3
    Verluste im Leerlauf Verluste bei Belastung
    I0 ist ein Maß für die Leerlaufverluste. IN ist ein Maß für die Verluste bei Belastung.
    Leerlaufverluste entstehen hauptsächlich im Fe-Kern 1/3 Fe-Verluste
    Wirbelstromverluste Ummagnetisierungsverluste
    Gemindert durch:
    1. Legieren mit Si
    2. Lamellierung des Kernes
    3. Isolieren der Bleche
    Gemindert durch:
    1. Legieren
    2. Kornorientierung der Bleche (Spezialblech bei der Herstellung)
    Der Trafowirkungsgrad liegt zwischen 70 und 95%, je nach Trafogröße. Die Verluste liegen also zwischen 15 und 30% im Normalbetrieb. 2/3 Cu-Verluste

    Bei Belastung steigt der Wirkstromanteil, was zu immer mehr Stromwärme führt.

    Trafo bei Belastung

    Durch die Belastung fließt in der Sekundärspule ein Strom, der zum Magnetfeld der Primärspule (Φ1) ein Gegenfeld (Φ2) aufbaut. Damit steigt der magnetische Widerstand des Fe-Kerns. Im Eisenkern ist bildlich gesprochen weniger Platz für Feldlinien so beginnen sie sich über Luft zu schließen.

    Der Trafo beginnt zu streuen.

    Der Streufluss besteht aus Feldlinien, die sich in Luft schließen

    Durch Streuung wird weniger Energie von der Primär- zur Sekundärseite übertragen.

    Die Größe der Streuung hängt ab von:>

    • der Höhe der Belastung (I2)
    • der Art der Belastung (cosφ)
    • der Bauart des Eisenkerns

    Trafos können dank der Streuung die Ausgangsspannung und damit die Belastung auch "regeln".

    Man kann Trafos so bauen, dass sie ihre Spannung so lange wie möglich halten
    (= kleine Kurzschlussspannung spannungssteif)
    oder auch so,
    dass sie bei großen Strömen die Spannung herunterfahren und damit zu große Ströme verhindern
    (= große Kurzschlussspannungspannungsweich).

    Je größer die Streuung, desto größer ist die Kurzschlussspannung eines Transformators.

    Verwendung

    Spannungssteife Trafos

    Trafos zu Schutzzwecken müssen getrennte Wicklungen haben. Sie können als Trenntrafos (ü = 1:1) oder Kleinspannungstrafos (U2 = 65V/24V/12V/9V ...) verwendet werden. Auch Netztrafos für Erzeugung von Gleichspannungen sind spannungssteif, müssen aber nicht im selben Maße isoliert ausgeführt sein.

    Spannungsweiche Trafos

    Diese Trafos sind in der Regel kurzschlussfest und werden für Elektroschweißgeräte, Klingelanlagen oder auch Zündtrafos für Hochdrucklampen verwendet.