Ein Transformator ist ein elektromagnetisches Gerät, das verwendet wird, um Wechselstrom einer Spannung und Frequenz in Wechselstrom einer anderen (oder gleichen) Spannung und der gleichen Frequenz umzuwandeln.
Inhalt
Das Gerät und der Betrieb des Transformators
Im einfachsten Fall Transformator enthält eine Primärwicklung mit der Windungszahl W1 und eine sekundäre mit der Windungszahl W2. Die Primärwicklung wird mit Energie versorgt, die Last ist mit der Sekundärwicklung verbunden. Die Energieübertragung erfolgt durch elektromagnetische Induktion. Um die elektromagnetische Kopplung zu verbessern, werden die Wicklungen in den meisten Fällen auf einen geschlossenen Kern (Magnetkreis) gelegt.
Wird an die Primärwicklung eine Wechselspannung U angelegt1, dann ein Wechselstrom I1, der im Kern einen magnetischen Fluss Ф der gleichen Form erzeugt.Dieser magnetische Fluss induziert eine EMK in der Sekundärwicklung. Wird an den Sekundärkreis eine Last angeschlossen, entsteht ein Sekundärstrom I2.
Die Spannung in der Sekundärwicklung wird durch das Windungsverhältnis W bestimmt1 und W2:
U2=U1*(W1/W2)=U1/k, wobei k ist Transformationsverhältnis.
Wenn k<1, dann U2>U1, und ein solcher Transformator heißt Step-up. Wenn k > 1, dann U2<U1, eine solche Der Transformator wird als Step-Down bezeichnet. Da die Ausgangsleistung des Transformators gleich der Eingangsleistung ist (abzüglich der Verluste im Transformator selbst), können wir sagen, dass Pout \u003d Pin, U1*ICH1=U2*ICH2 und ich2= Ich1*k=Ich1*(W1/W2). Somit sind bei einem verlustfreien Transformator die Eingangs- und Ausgangsspannungen direkt proportional zum Verhältnis der Wicklungswindungen. Und die Ströme sind umgekehrt proportional zu diesem Verhältnis.
Ein Transformator kann mehr als eine Sekundärwicklung mit unterschiedlichen Übersetzungen haben. So kann ein Transformator zum Betreiben von Haushaltslampengeräten aus einem 220-Volt-Netz eine Sekundärwicklung haben, beispielsweise 500 Volt zum Betreiben von Anodenkreisen und 6 Volt zum Betreiben von Glühkreisen. Im ersten Fall k<1, im zweiten - k>1.
Der Transformator arbeitet nur mit Wechselspannung - für das Auftreten von EMK in der Sekundärwicklung muss sich der magnetische Fluss ändern.
Arten von Kernen für Transformatoren
In der Praxis werden nicht nur Kerne der angegebenen Form verwendet. Je nach Verwendungszweck des Geräts können Magnetkreise auf unterschiedliche Weise ausgeführt werden.
Stangenkerne
Die Magnetkreise von Niederfrequenztransformatoren bestehen aus Stahl mit ausgeprägten magnetischen Eigenschaften.Um Wirbelströme zu reduzieren, wird das Kernarray aus separaten Platten zusammengesetzt, die elektrisch voneinander isoliert sind. Um mit hohen Frequenzen zu arbeiten, werden andere Materialien verwendet, beispielsweise Ferrite.
Der oben betrachtete Kern wird Kern genannt und besteht aus zwei Stäben. Bei Einphasentransformatoren werden auch Dreistab-Magnetkreise verwendet. Sie haben einen geringeren magnetischen Streufluss und einen höheren Wirkungsgrad. In diesem Fall befinden sich sowohl die Primär- als auch die Sekundärwicklung auf dem zentralen Stab des Kerns.
Drehstromtransformatoren werden auch auf Dreistabkernen hergestellt. Sie haben die Primär- und Sekundärwicklungen jeder Phase, die sich jeweils auf einem eigenen Kern befinden. In einigen Fällen werden Magnetkreise mit fünf Stäben verwendet. Ihre Wicklungen befinden sich auf genau die gleiche Weise - jede Primär- und Sekundärwicklung auf einem eigenen Stab, und die beiden äußersten Stäbe auf jeder Seite sind nur zum Schließen von Magnetflüssen in bestimmten Modi vorgesehen.
gepanzert
Im gepanzerten Kern werden Einphasentransformatoren hergestellt - beide Spulen befinden sich auf dem zentralen Kern des Magnetkreises. Der magnetische Fluss in einem solchen Kern schließt sich ähnlich wie bei einem Dreistab-Konstrukt – durch die Seitenwände. Der Streufluss ist dabei sehr klein.
Zu den Vorteilen dieser Konstruktion gehört ein gewisser Größen- und Gewichtsgewinn aufgrund der Möglichkeit einer dichteren Füllung des Kernfensters mit Wicklung, sodass es vorteilhaft ist, Panzerkerne für die Herstellung von Transformatoren mit niedriger Leistung zu verwenden. Dadurch ergibt sich auch ein kürzerer Magnetkreis, was zu einer Reduzierung der Leerlaufverluste führt.
Der Nachteil ist der erschwerte Zugang zu den Wicklungen für Revision und Reparatur sowie der erhöhte Aufwand bei der Herstellung von Isolierungen für Hochspannungen.
Ringförmig
Bei Ringkernen ist der magnetische Fluss im Inneren des Kerns vollständig geschlossen, und es gibt praktisch keinen magnetischen Streufluss. Solche Transformatoren sind jedoch schwierig zu wickeln, weshalb sie zum Beispiel in regelbaren Spartransformatoren mit geringer Leistung oder in Hochfrequenzgeräten, bei denen die Störfestigkeit wichtig ist, eher selten verwendet werden.
Spartransformator
In einigen Fällen ist es ratsam, solche Transformatoren zu verwenden, die nicht nur eine magnetische Verbindung zwischen den Wicklungen haben, sondern auch eine elektrische. Das heißt, bei Hochsetzstellern ist die Primärwicklung Teil der Sekundärwicklung und bei Tiefsetzstellern der Sekundärteil der Primärwicklung. Ein solches Gerät wird Autotransformator (AT) genannt.
Ein Abwärtsspartransformator ist kein einfacher Spannungsteiler – an der Energieübertragung zum Sekundärkreis ist auch die magnetische Kopplung beteiligt.
Die Vorteile von Spartransformatoren sind:
- kleinere Verluste;
- die Möglichkeit einer reibungslosen Spannungsregelung;
- kleinere Gewichts- und Größenindikatoren (ein Spartransformator ist billiger, er ist einfacher zu transportieren);
- geringere Kosten aufgrund der geringeren erforderlichen Materialmenge.
Zu den Nachteilen gehören die Notwendigkeit, eine Isolierung beider Wicklungen zu verwenden, die für höhere Spannungen ausgelegt sind, sowie die fehlende galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang, wodurch die Auswirkungen atmosphärischer Phänomene vom Primärkreis auf den Sekundärkreis übertragen werden können. In diesem Fall können die Elemente des Sekundärkreises nicht geerdet werden.Als Nachteil von AT werden auch erhöhte Kurzschlussströme angesehen. Bei dreiphasigen Spartransformatoren werden die Wicklungen normalerweise im Stern mit geerdetem Neutralleiter geschaltet, andere Anschlussschemata sind möglich, aber zu kompliziert und umständlich. Dies ist auch ein Nachteil, der den Anwendungsbereich von Spartransformatoren einschränkt.
Anwendung von Transformatoren
Die Eigenschaft von Transformatoren, die Spannung zu erhöhen oder zu verringern, ist in der Industrie und im Alltag weit verbreitet.
Spannungsumwandlung
An die Höhe der Industriespannung werden in verschiedenen Stufen unterschiedliche Anforderungen gestellt. Bei der Stromerzeugung ist der Einsatz von Hochspannungsgeneratoren aus verschiedenen Gründen unrentabel. Daher werden beispielsweise in Wasserkraftwerken Generatoren für 6 ... 35 kV eingesetzt. Um Strom zu transportieren, braucht man dagegen eine erhöhte Spannung – von 110 kV bis 1150 kV, je nach Entfernung. Außerdem wird diese Spannung wieder auf das Niveau von 6 ... 10 kV reduziert, an lokale Umspannwerke verteilt, von wo aus sie auf 380 (220) Volt reduziert wird und zum Endverbraucher gelangt. In Haushalts- und Industriegeräten muss sie ebenfalls abgesenkt werden, meist auf 3 ... 36 Volt.
Alle diese Operationen werden mit durchgeführt unter Verwendung von Leistungstransformatoren. Sie können trocken oder auf Ölbasis sein. Im zweiten Fall wird der Kern mit Wicklungen in einen Tank mit Öl gelegt, das ein Isolier- und Kühlmedium ist.
Galvanische Isolierung
Galvanische Trennung erhöht die Sicherheit von Elektrogeräten. Wenn das Gerät nicht direkt aus einem 220-Volt-Netz gespeist wird, bei dem einer der Leiter mit Masse verbunden ist, sondern über einen 220/220-Volt-Transformator, bleibt die Versorgungsspannung gleich.Bei gleichzeitiger Berührung von Erde und sekundär stromführenden Teilen des Stromkreises für den Stromfluss kommt es jedoch zu keinem Stromfluss und die Gefahr eines Stromschlags ist viel geringer.
Spannungsmessung
In allen elektrischen Installationen ist es notwendig, das Spannungsniveau zu kontrollieren. Wird eine Spannungsklasse bis 1000 Volt verwendet, werden die Voltmeter direkt an spannungsführende Teile angeschlossen. In Elektroinstallationen über 1000 Volt funktioniert das nicht – Geräte, die einer solchen Spannung standhalten, erweisen sich als zu sperrig und unsicher im Falle eines Isolationsdurchschlags. Daher werden in solchen Systemen Voltmeter über Transformatoren mit einem geeigneten Übersetzungsverhältnis an Hochspannungsleiter angeschlossen. Beispielsweise werden für 10-kV-Netze Messwandler 1:100 verwendet, der Ausgang ist eine Standardspannung von 100 Volt. Wenn sich die Spannung an der Primärwicklung in der Amplitude ändert, ändert sie sich gleichzeitig an der Sekundärwicklung. Die Voltmeterskala ist normalerweise im Primärspannungsbereich skaliert.
Der Transformator ist ein ziemlich komplexes und teures Element für die Herstellung und Wartung. In vielen Bereichen sind diese Geräte jedoch unverzichtbar und alternativlos.
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