Transformatoren: Grundlagen und Funktionsweise

• Ein Transformator besteht aus zwei Spulen (Wicklungen) und einem Eisenkern.
• Der Eisenkern ist aus isolierten Blechscheiben zusammengesetzt, um Wirbelströme zu unterdrücken.
• Bei Hochfrequenz werden spezielle Magnetwerkstoffe anstelle von Blechen verwendet.

Funktionsweise

• An der Eingangswicklung N₁ (Primärwicklung) erzeugt eine Wechselspannung U₁ einen Wechselstrom I₁ (Primärstrom) und ein magnetisches Wechselfeld Φ im Eisenkern.
• Der magnetische Fluss Φ durchsetzt die Ausgangsspule N₂ (Sekundärspule).
• Periodische Flussänderungen in der Ausgangsspule erzeugen eine induzierte Wechselspannung mit gleicher Frequenz wie die Eingangsspannung.
• Die Wicklungen können unterschiedliche Spannungen haben (Oberspannungs- und Unterspannungswicklung = OS, US).
• Die Oberspannungswicklung kann Eingangs- (Primär-) oder Ausgangswicklung (Sekundär-) sein.
• Ein Transformator wandelt eine Wechselspannung in eine andere mit gleicher Frequenz um, wobei sich der Strom ändert.
• Transformatoren zur Leistungsübertragung werden als Umspanner bezeichnet.
• Transformatoren für Messzwecke bezeichnet man als Messwandler.
• Transformatoren zur Signalübertragung sind Übertrager.

Bauformen von Transformatoren

• Transformatoren unterscheiden sich in der Bauform des Eisenkerns und der Wicklungsart der Spulen.
• Es gibt Kerntransformatoren und Manteltransformatoren.
• Wechselstromtransformatoren in Kernbauweise haben zwei Kerne (Schenkel) mit Wicklungen, die durch ein Joch verbunden sind.
• In Mantelbauweise trägt der mittlere Schenkel beide Wicklungen.
• Äußere Schenkel umschließen die Wicklungen und bilden den Rückweg für das Magnetfeld.
• Es gibt Scheiben- und Zylinderwicklungen.
• Klemmenbezeichnungen sind eingangsseitig 1 U1, 1 U2 und ausgangsseitig 2 U1, 2 U2.
• Niederspannungswicklungen sind meist Zylinderwicklungen, Hochspannungswicklungen Scheibenwicklungen.
• Scheibenwicklungen unterteilen die Gesamtwicklung in isolierte Teilspulen, wodurch die Hochspannung besser verteilt, die Durchschlagsgefahr minimiert und Streufeldlinien übereinander gewickelt werden können.
• Die Oberspannungswicklung liegt außen für eine sichere Isolation von der Wicklung.

Verhalten bei Leerlauf

• Im Leerlauf (offener Sekundärkreis) wird eine Spannung in der Sekundärspule induziert, aber es fließt kein Strom.
• In der Primärspule heben sich die angelegte Primärspannung und die induzierte Gegenspannung auf.
• Die resultierende Spannung ist klein, wodurch nur ein geringer Strom fließt.
• Dieser Strom dient hauptsächlich zur Aufrechterhaltung des Magnetflusses und wird als Leerlaufstrom bezeichnet.
• Im Leerlauf wirkt der Transformator wie eine Drosselspule.

Beispielrechnung Leerlaufstrom

• Transformator im Leerlauf mit primärseitiger Spannung von 230 V.
• Die induzierte Spannung in der Primärwicklung beträgt 228,5 V.
• Der Drahtwiderstand der Primärwicklung beträgt 2,5 Ω.
• Der Leerlaufstrom beträgt (230 V - 228,5 V) / 2,5 Ω = 0,6 A.
• Der Strom ohne die induzierte Gegenspannung wäre 230 V / 2,5 Ω = 92A.

Leistung, Verluste, Wirkungsgrad

• Die abgegebene Leistung von Transformatoren wird in VA (Scheinleistung) angegeben, nicht in Watt (Wirkleistung).
• Induktive oder kapazitive Verbraucher belasten den Transformator mit Blind- oder Scheinleistung.
• Die Scheinleistung kann höher sein als die Wirkleistung, für die der Transformator ausgelegt ist.
• Überlastung kann zu Schäden durch Wärmeentwicklung führen.

Beispielrechnung Dimensionierung

• Ein Transformator speist 4 Motoren mit je 5 kW Aufnahmeleistung und cos φ = 0,8.
• Die benötigte Scheinleistung des Transformators beträgt:
  • Pges = 4 * 5 kW = 20 kW
  • Sges = 20 kW / 0,8 = 25 kVA
• Der Transformator muss für 25 kVA ausgelegt sein, obwohl die Wirkleistung nur 20 kW beträgt.

Verluste im Transformator

• Die Verluste setzen sich aus Kupferverlusten und Eisenverlusten zusammen.
• Kupferverluste entstehen in den Wicklungen durch Stromwärme und sind lastabhängig.
• Eisenverluste entstehen im Eisenkern durch Ummagnetisierung und Wirbelströme.
• Wirkungsgrad von Kleintransformatoren: 88 bis 92 %.
• Wirkungsgrad von Leistungstransformatoren: über 99 %.
• Der Wirkungsgrad ergibt sich aus dem Verhältnis von abgegebener Wirkleistung zu zugeführter Wirkleistung bei Nennlast.