Der Transformator ist ein Energieübertrager. Die Übertragung von der Primär- zur Sekundärseite geschieht durch den Magnetismus.
Die Primärspule nimmt den Wechselstrom I1 auf, und erzeugt ein magnetisches Wechselfeld Φ. Dieses induziert in der Sekundärspule eine Wechselspannung U2.
Die induzierte Spannung errechnet sich aus der Trafohauptformel (Induktionsgesetz):
Darin ist:
f ... die Netzfrequenz in Hz
... der Maximalwert der Induktion (Flussdichte) in T
AFe ... der Querschnitt des Eisenkerns in m2
N ... die Windungszahl der Spule
Die Magnetisierung des Eisenkerns folgt einer Hystereseschleife.
Die magnetische Kopplung zwischen Primär- und Sekundärspule ist entscheidend für die Wirksamkeit der Übertragung der Energie.
Je schlechter die magnetische Kopplung, desto höher ist die Kurzschlussspannung UK.
Die Verluste bei der Kopplung werden magnetische Streuung genannt und erzeugen keine Abwärme. Sie sind also Blindverluste.
Je größer die Kurzschlussspannung UK ist, desto mehr sinkt die Ausgangsspannung des Trafos bei Belastung.
a) Manteltrafo | b) Schenkeltrafo | c) Ringkerntrafo |
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eher kleine UK (= 10 bis 25%) | eher große UK ( = 60 bis 90%) | sehr kleine Streuung (kurze Eisenwege, Feldlinien bleiben im Spuleninneren) UK (unter 10%) |
spannungssteife Trafos (Netztrafos) | spannungsweiche Trafos (Schweiß- und Klingeltrafos | sehr spannungssteife Trafos (Netztrafos) |
Der Eisenkern ist kein massiver Eisenblock. Er besteht vielmehr aus einzelnen, geschichteten, Si-legierten Blechen, die gegeneinander isoliert sind. Damit werden Wirbelströme verhindert, die den Eisenkern zusätzlich aufheizen können.
Das Verhältnis zwischen den Windungen der Primärspule N1 und den Windungen der Sekundärspule N2 wird als Übersetzungsverhältnis bezeichnet.
Die Spannung wird im Verhältnis der Windungszahlen transformiert.
Der Strom wird im umgekehrten Verhältnis der Windungszahlen transformiert.
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
Verluste im Leerlauf 1/4 PVFe |
Verluste bei Belastung 3/4 PVCu |
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Leerlaufverluste entstehen hauptsächlich im Fe-Kern
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Bei Belastung steigt der Wirkstromanteil, was zu immer mehr Stromwärme führt. |
Der Trafowirkungsgrad liegt zwischen 70 und 95%, je nach Trafogröße. Die Verluste liegen also zwischen 15 und 30% im Normalbetrieb. Er hängt ab
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 Eisenkerns. Dieser wird bildlich gesprochen zu klein für die vielen Feldlinien. Also 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:
Die magnetische Kopplung wird dank der Streuung schlechter. So entstehen bei der Energieübertragung "Verluste", die keine zusätzliche Wärme erzeugen.
Große Streuung → große Kurzschlusspannung → großer Spannungsabfall bei Belastung → spannungsweich
Sie ist ein Maß für die Spannungsänderung bei Belastung.
Die Kurzschlussspannung hängt von der Streuung des Trafo ab, also von seiner Wicklungsanordnung und seiner Kernbauform.
Die Angabe von uK (klein geschrieben) erfolgt in % der Nennspannung.
Die Angabe von UK (groß geschrieben) erfolgt in V und stammt aus dem Kurzschlussversuch (siehe Laborübung).
Der Kurzschlussstrom kann mit Hilfe der Kurzschlussspannung berechnet werden.
UK ist die Hypotenuse des Kappschen Dreiecks:
Dieses Bild steht für ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 und zeigt eine UK in Volt!
Der Blindspannungsabfall resultiert aus der Streuung, er kann ja nur mit dem verlorenen Magnetismus zu tun haben und er ist 90° elektrisch phasenverschoben zu seinem erzeugenden Strom.
Der Wirkspannungsabfall resultiert aus dem ohmschen Widerstand der Spulen, er kann ja nur mit der verlorenen Wärmeenergie zu tun haben und ist phasengleich dem erzeugenden Strom.
Das Zeigerbild stellt somit die bekannten Verhältnisse an einer Quelle dar. Die Klemmenspannung U2 am Ausgang des Trafos ergibt sich aus der (zeichnerischen)Subtraktion der inneren Spannungsverluste UK von der Quellenspannung U1.
Die Phasenlage des Stromes kann sich auch so auswirken, dass die Ausgangsspannung erhöht wird.
Die Phasenlage des Laststromes ist ein entscheidender Faktor. Die Auswirkungen können in nachfolgender Lastkennlinie am besten verfolgt werden.
Es werden drei Einphasentransformatoren auf einem gemeinsamen Kern gebaut. Ein kompletter Trafo mit Primär- und Sekundärwicklung wird dabei auf einem Schenkel platziert. Die drei Schenkel werden durch ein Joch verbunden.
Die häufigste Bauform ist der Dreischenkeltrafo, er spart Eisen:
Das folgende Bild soll die Verteilung der Magnetischen Flüsse auf die Schenkel verdeutlichen.
Die Mantelbauform des Drehstromtrafos ist der Fünfschenkeltrafo.
OS....Oberspannung
US....Unterspannung
Das Profil der Schenkel wird bei größeren Trafos dem kreisförmigen Querschnitt der Schulenkörper angeglichen. Damit wird der Luftraum möglichst gut ausgenützt, was zu geringerer Streuung und kompakteren Abmessungen führt. Allerdings müssen für einen Kern viele verschiedene Blechschnitte erzeugt werden. | ![]() |
Durch die Blechung wird der Füllfaktor (Anteil des Eisens am Kernquerschnitt) etwa um den Faktor 0,9 reduziert (90%Eisen, 10%Isolierung).
Art | Stromdichte (in den Wicklungen) S in A/mm2 |
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Luftkühlung | 1,5 bis 3 |
&Ölkühlung |
3 bis 8 |
Bei Öl liegt auch die Durchschlagsfestigkeit ED höher als bei Luft:
Stoff | ED in kV/mm |
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Luft | 3,2 |
Öl | 4 bis 20 |
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Trafos müssen vor zu hoher Betriebstemperatur geschützt werden. Grund für höhere Temperaturen im Trafo können sein:
Bei Öltrafos ist der Einbau des Buchholzrelais zwischen Trafogehäuse und Ölausdehnungsgefäß möglich. Es arbeitet in zwei Stufen:
Die Zusammenfassung aller Schaltungen mit der gleichen Phasenverschiebung zwischen Sekundär- und Primärseite eines Trafos nennt man Schaltgruppen.
Dafür gilt folgendes Bezeichnungsschema:
Folgende Bedingungen zu Parallelschalten von Trafos sind einzuhalten:
Die drei Stränge auf dem gemeinsamen Kern beeinflussen sich gegenseitig. Bei sogenannter Schieflast werden die Schenkel unterschiedlich stark magnetisiert. Dabei kann ein Schenkel in Sättigung getrieben werden, was zu zusätzlichen Verlusten und einer wesentlichen Erhöhung der Temperatur führen kann.
Die folgende Bilderserie zeigt das Problem der unsymmetrischen Flüsse auf dem gemeinsamen Kern. Die unterschiedliche Feldlinienlänge lm ist eine Ursache der unsymmetrischen Leistungsübertragung.
Unten stehende Gegenüberstellung soll die Wirkung einer Schieflast veranschaulichen.
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Zick-Zack-Schaltung
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Durch den Einphasenstrom auf der Sekundärseite wird der Primärseite auch ein Strom in den anderen zwei Strängen aufgezwungen, die aber kein „Gegengewicht“ finden. Die Schenkel 1 und 2 werden weit stärker magnetisiert als der Schenkel 3. | Durch die Aufteilung der Sekundärwicklung auf verschiedene Schenkel kann das Gleichgewicht der Ströme wieder hergestellt werden. Die verschiedenen Schaltungen der Wicklungen auf der Primär- und Sekundärseite erzeugt unterschiedliche Phasenlagen. |
Sie besitzen eine Steuereinrichtung für die Einstellung des Schweissstromes. Ihre Leerlaufspannung darf höchstens 70V (Schutzkleinspannung für Kesselschweißtrafo) betragen. Der Schweißstrom kann durch
eingestellt werden.
Messwandler sind Trafos zu Messzwecken. Sie sind ein Glied in der Messkette und müssen somit eine entsprechende Genauigkeit besitzen. Die Genauigkeit der Wandler wird wie bei Messgeräten in Klassen angegeben, und teilen sich in Übertragungs- und Winkelfehler.
Auf dem Leistungsschild werden zum Beispiel folgende Kennwerte angegeben:
Die Sekundärspannung ist mit 100V genormt.
Er darf sekundärseitig
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Der Sekundärstrom von 1A oder 5A ist genormt. Die Sekundärseite
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Er besitzt nur eine Wicklung mit Anzapfung. Die Anzapfung kann fix oder verstellbar ausgeführt werden.
Die übertragene Energie geht nur über die obere Teilspule. Deswegen muß die gesamte Wicklung nur für die Bauleistung SB und nicht für die Durchgangsleistung SD gebaut werden. Somit kann Baumaterial eingespart werden. Es gilt: