1 Einführung
Dieser Kurs ist einem universellen wie unverzichtbaren elektrotechnischen Bauelement
gewidmet. Dem Transformator.
In Abb. 1 ist symbolisch die Transformation von Strom und Spannung dargestellt.
Ohne Transformatoren wären ebenso unverzichtbare elektrotechnische Geräte, Hilfsmittel, Maschinen, Verkehrmittel aller Art u.v.m., in unserer modernen Welt technisch nicht umsetzbar.
Somit wäre unsere Welt nicht dieselbe wie wir sie heute kennen. Neugierig geworden?
Abb. 1: Der ideale Transformator - Messgrößen in Transformation
2 Wiederholung
Um einen fundierten Einstieg sowie die Grundlage für ein umfassendes Verständnis für diesen Kurs zu erhalten, raten wir Dir den folgenden Artikel zu wiederholen:
Siehe LINK: Elektromagnetismus - Der Transformator
Wir fassen zusammen . . .
Wir können Transformatoren ideal oder real betrachten
Transformatoren können unbelastet oder belastet sein
Transformatoren können Spannungen wie Ströme transformieren
1) Ideal oder Real
Eine eingespeiste Leistung wird vollständig an die Sekundärseite als abgegeben.
Der Wirkungsgrad beträgt somit % ( )
Eine eingespeiste Leistung wird nicht vollständig an die Sekundärseite als abgeben.
Es tritt eine Verlustleistung auf. Der Wirkungsgrad ist somit %
Abb. 2: Idealer vs. realer Transformator
2) Unbelastet oder Belastet
. . . fließt auf der Sekundärseite kein Strom .
Es ist kein elektrischer Verbraucher angeschlossen.
. . . fließt auf der Sekundärseite ein Strom .
Es ist damit ein elektrischer Verbraucher mit einem (Wirk- oder Schein-) Widerstand angeschlossen.
Abb. 3: Transformator unbelastet vs. belastet
3) Spannungs- und Stromtransformation
Die Spannung gibt aufgrund des Wicklungsverhältnisses die Spannung vor
Der Strom gibt aufgrund des Wicklungsverhältnisses den Strom vor
3 Aufgaben, Einsatzgebiete und Arten von Transformatoren
Welche Aufgaben hat ein Transformator?
Aus den vorangegenen Kursseiten können wir folgende Kernaufgaben ermitteln:
Spannungstransformation von einer höheren auf eine niedere Ebene und umgekehrt
Stromtransformation gegenläufig zu Punkt 1)
Allgemein damit eine regelbare Energie- und Leistungsübertragung
Galvanischer Trennung von Stromkreisen
Anpassung elektrischer Bau- und Schaltelemente an vorgegebene Strom- und Spannungsumgebungen
Spezialaufgaben wie z.B. Widerstandsanpassungen oder auch messregulatorische Aufgaben
Einsatzgebiete von Transformatoren
Aus der vorangeführten Auflistung von Kernaufgaben haben sich in der Hauptsache folgende Einsatzgebiete ergeben:
Einsatz in der Stromerzeugung
Stromtransport über große Entfernungen
Bereitstellung hoher Ströme in der Industrie (z.B. für Schweißroboter, Öfen . . .)
Bereitstellung von Hoch- wie Kleinspannungen
Einsatzgebiet in Geräten des Alltags (Beleuchtung, Haushalt, Werkzeuge, Computer, Audio . . .)
Gesicherte Stromversorgungen (Trennung von Stromkreisen)
Meßtechnik
Arten von Transformatoren
Transformatoren unterscheiden sich in der Hauptsache . . .
. . . in ihrer Größe (Leichtgewichte auf Schaltplatinen bis mehrere hundert Tonnen schwer)
. . . in ihrem Leistungsvermögen (Wenige Watt bis 1.000 kVA und höher)
. . . in ihrer Bauform (z.B. Kern- und Schalen-, auch Manteltransformatoren genannt)
. . . in der Art ihrer Kühlung (z.B. Luft, Wasser oder Öl)
Aufgrund der universellen Einsatzmöglichkeiten von Transformatoren, gibt es folglich auch unzählige Beispiele für Transformatoren. Nachfolgend stellen wir einige Exemplare vor, welche natürlich nur eine kleine Auswahl aller Möglichkeiten darstellen können.
4 Beispiele für groß wie klein
Groß- und Leistungstransformatoren
Wie im Namen schon richtigerweise verankert, können mit dieser Art von Transformatoren große Leistungen umgesetzt werden. In der Praxis werden diese auch mit oder nach der Energieerzeugung in der Energieübertragung zwischen den einzelnen Netzebenen oder Netzspannungsbereichen eingesetzt.
Die möglichen Leistungsbereiche wurden mit 1.000 MVA (für MegaVA Scheinleistung) längst überschritten. Diese Maschinen können mehrere hundert Tonnen wiegen, entsprechend größer die Ausmaße wie in nachfolgender Abb. 4 dargestellt.
Abb. 4: Schematische Darstellung eines Leistungstransformators
Kleintransformatoren
Das Gegenteil vorgenannter gefühlt riesiger Transformatoren stellen Kleintransformatoren dar.
Ein typischer Vertreter in nahezu jedem Haushalt zu finden, sind sogenannte Klingeltrans-formatoren wie in Abb. 5 exemplarisch dargestellt:
Abb. 5: Klingeltransformator für Montage auf Hutschiene
Jedes Haus und jede Wohnung ist üblicherweise mit einer Haustürklingel oder einer Türsprechanlage o.ä. ausgestattet. Diese werden i.d.R. mit Spannungen im Bereich von 8 . . . 24 V betrieben.
Um nun diesen Geräten diese Spannungen zur Verfügung stellen zu können, werden in z.B. deutschen Haushalten vorhandene 230 V durch Klingeltransformatoren von Ein- nach Ausgangsseite (herunter-) transformiert.
Verbaut wir diese Art von Transformatoren (Höhe knapp 9 cm) in den Zählerschränken oder Unterverteilungen der Häuser und Wohnungen, montiert auf sogenannten "Hutschienen" wie exemplarisch in Abb. 5 dargestellt.
Weitere typische Kleintransformatoren sind . . .
Licht- und Hallogentransformatoren
Print-, Leiterplatten- oder auch Platinentransformatoren
Spielzeug-, Sicherheits- und Schutztransformatoren zur Erzeugung sekundärseitiger Kleinspannungen, welche einen körperlichen Schutz bei unbeabsichtigter direkter senkundärseitiger Berührung bieten sollen.
Sonstige verbaute Kleingerätetransformatoren in vielerlei Anwendungen (klein im Sinne von Ausmaß und Leistung)
5 Beispiele für trennen und messen
Trenntransformatoren
Von der bisherigen Unterscheidung von groß oder klein oder jeglicher Spannungs-transformation, bieten Trenntransformatoren einen je nach Einsatz notwendigen und wichtigen Sicherheitsaspekt.
Eine Primärspannung wird der Sekundärseite galvanisch getrennt zur Verfügung gestellt. Dies oftmals im Spannungsverhältnis 1:1 ohne Transformation der Spannungen und Ströme.
Was die Verschaltung von Trenntransformatoren betrifft, sind definierte Neutral- oder auch Nullleiter in aller Regel nicht gegen Erde isoliert.
Welchen Vorteil bietet dies nun?
Wird ein Leiter der Sekundärseite (z.B. im Fehlerfall) unbeabsichtigt berührt, ist der Fehlerstrom über die berührende Person (gegenüber Erdpotential) in aller Regel relativ gering und somit der Schutz für diese Person relativ erhöht.
Die üblichen Schaltzeichen für Trenntransformatoren sind in Abb. 6 dargestellt
Abb. 6: Schaltzeichen für Trenntransformatoren
Messtransformatoren
Messtransformatoren werden sehr häufig auch als sogenannte Messwandler bezeichnet.
Diese kommen immer dann zum Einsatz wenn sehr hohe und damit ebenso gefährliche Spannungen oder Stromstärken gemessen werden müssen.
Um die Sicherheit wie Schutz von Personen und Meßgeräten im Umfeld von Hochspannungs- als auch Hochstromanwendungen zu gewährleisten, werden Messwandler eingesetzt.
Funktionsprinzip:
Die von Messwandlern durch Spannungs- als auch Stromtransformation erzeugte sekundäre Größe dient demnach direkt als Eingangsgröße eines nachgeschalteten i.d.R. empfindlichen Messgerätes. Vereinfacht betrachtet, wird der gemessene Wert dieser Sekundärgröße um den Faktor der Transformation korrigiert, woraufhin das Ergebnis die zu messende Primärgröße (Spannung oder Strom) darstellt. Das Produkt von Spannung U und Strom I stellt die Leistung P dar, womit damit auch Leistungen "direkt" in Primärkreisen gemessen werden können.
Abb. 7: Prinzipieller Aufbau einer Wechselstrommesszange nach dem Transformatorenprinzip
6 Zusammenfassung
Die nachfolgende Abbildung Abb. 8 stellt den riesigen Anwendungsbereich von Transformatoren dar, nahezu . . .
jeglicher Größe
jeglichem Leistungsbereich und
jeglichem Anwendungenbereich
. . . diese wir in nahezu jedem vorstellbaren elektrischen Gerät oder elektrischer Maschine der uns bekannten modernen technischen Welt nutzen.
Abb. 8: Anwendungsbereiche von Transformatoren
7 Aufgaben
Aufgabe 1:
In einem Schaltschrank (siehe Abb. A-1) soll mit einem geeigneten Messgerät die Wechselstromstärke in elektrischen Leitern gemessen werden. Die einzelnen Stromkreise sind mit jeweils 16 A abgesichert.
Welche Art von Transformator ist wahrscheinlich im Messgerät verbaut?
Abb. A-1: Bestückter Schaltschrank
Aufgabe 2:
In einem AKW (Atomkraftwerk) wird elektrische Energie in großer Menge erzeugt,
siehe die Darstellung in Abb. A-2
Diese soll über eine oberirdisch geführte Überlandleitung über eine längere Strecke möglichst verlustfrei geführt und übertragen werden.
Welche Art von Transformator vor der Übertragungsstrecke ist hierfür geeignet?
Abb. A-2: Schematische Darstellung Energieerzeugung und Energieübertragung
Aufgabe 3:
Transformatoren werden in vielfältiger Art und Weise auch in der industriellen Produktion eingesetzt. In der Metallverarbeitung, z.B. in der Autoindustrie, ist elektrisches Schweißen siehe Abb. A-3 (oft auch Widerstandsschweißen genannt), eine übliche Methode um Metalle fest und dauerhaft miteinander zu verbinden.
In Schweißgeräten sind Transformatoren verbaut. Welcher grundsätzlichen Art sind diese?
Hochspannungs- oder Hochstromtransformatoren?
Abb. A-3: Elektrisches Schweißen
Aufgabe 4:
Quellen:
https://pixabay.com
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