Transformatoren

Aufbau von Transformatoren

Abb.: Aufbau eines TransformatorsDie gegenseitige Induktivität zwischen zwei Stromkreisen ist hauptverantwortlich für den Betrieb eines Transformators. Ein gemeinsamer magnetischer Fluss, verbunden durch einen Eisenkern im Transformator, erhöht oder senkt die erforderliche Wechselspannung. Grundlegend besteht der Aufbau eines Transformators aus mindestens zwei Spulen (Primär- und Sekundärspule), welche elektrisch voneinander getrennt sind, jedoch magnetisch miteinander verbunden sind (siehe Abbildung).

Die magnetische Wirkung im Transformatorkreis (Eisenkern) wird durch zwei Strom durchfließende Spulen (Wicklungen) erzielt. Die Anzahl der Windungen der beiden Spulen bestimmt das Verhältnis zwischen der angelegten Eingangswechselspannung und der Ausgangswechselspannung. Im Beispiel der Abbildung wird eine Eingangsspannung von 240 Volt angenommen, bei einem Windungsverhältnis von 20:1, wird die Ausgangsspannung in 12 Volt transformiert.

Aufbau Einphasen- und Dreiphasen Transformatoren

Abb.: Wicklungsformen eines Transformators Die Anzahl der Spulen eines Transformators besteht bei einem Einphasen-Transformator aus zwei Spulen und einem Dreiphasen-Transformator aus drei Spulen. Neben der Anzahl der Spulen ist des Weiteren die Anordnung der Primär- und Sekundärspule unterschiedlich.

Anordnung der Primär- und Sekundärspule:

• Bei einem Einphasen Transformator sind Primär- und Sekundärspule auf jeweils einem Magnetkern gewickelt.
• Bei einem Dreiphasen Transformator sind Primär- und Sekundärspule auf dem gleichen Magnetkern gewickelt.

Aufbau des Magnetkerns bei Einphasen- und Dreiphasen Transformatoren

Neben der Anzahl- und Wicklungsform der Spulen kann auch der Aufbau des Magnetkernes ein Unterscheidungskriterium darstellen. Der Aufbau des Eisenkerns bestimmt die Größe eines Transformators und kann je nach Bauweise eine kompaktere Version darstellen. Bei Transformatoren gilt es weiterhin zu unterscheiden zwischen einem Kerntransformator und einem Manteltransformator.

Aufbau der Kern- und Manteltransformator:

• Bei einem Kern-Transformator liegen die Spulen auf allen Magnetkernen, zentral als Kern angeordnet.
• Bei einem Manetel-Transformator liegen die Spulen nur auf dem mittleren Magnetkern und sind von jeweils einem weiteren Magnetkern umgeben (Mantel).

Wirkungsweise von Transformatoren

Die Arbeitsweise des Transformators basiert auf der 1831 von Michael Faraday entdeckte elektromagnetische Induktion. Die Anzahl der Wicklungen auf einer Spule sind entscheidend für die Wirkungsweise des Transformators. Je nach Wicklung auf der Primär- und Sekundärspule kann die Wechselspannung gesteigert oder gesenkt werden. Unter idealen Voraussetzungen wird eine verlustfreie Spannungsübertragung im Transformator realisiert. In einem realen Transformator kommt es hingegen zu Verlusten bei der Übertragung. Verlustquellen können sein:

• Widerstände: In beiden Wicklungen der Spule treten Widerstände auf die zu Streuverlusten führen.
• Wirbelstromverluste: Durch die elektrische Leitung im Eisenkern erwärmt sich dieser und führt zu Energieverlusten.
• Ummagnetisierung: Durch das Ein- und Ausschalten des Transformators kommt es zum Energierverlust durch die Änderung der Magneteisungsausrichtung im Kern.
• Permeabilität: Die Magnetisierung der Spulen ist abhängig von Frequenz und Stärke des Magnetfeldes. Auch hier treten Ummagnetisierungsverluste auf.
• Sättigungseffekte: Die Materialbeschaffenheit limitiert den Höchstwert der Magnetisierung.

Transformatoren von Murrelektronik mit hohem Wirkungsgrad verringern die Verlusteffekte bei der Spannungsübertragung. Moderne Steuertransformatoren und Trenntransformatoren sind als Manteltransformatoren aufgebaut und erlauben einverbesserten Arbeitseinsatz mit erhöhtem Wirkungsgrad. Qualitative Materialien und eine saubere Verarbeitung senken Streuverluste und Ummagnetisierungsverluste.

Anwendungensbeispiele von Transformatoren

Eine der häufigsten Anwendungsgebiete für Transformatoren sind s.g. Trenntransformatoren, welche die Netzspannung 1:1 zwischen Primär- und Spannungsebene weiter geben sollen. Eingesetzt werden diese Trenntransformatoren als eine Schutztrennung (galvanische Trennung) zur Netzspannung. Auf diese Weise kann eine verstärkte Isolierung erzielt werden und schützt teure Produktionsanlagen vor einer Überspannung und Beschädigung. Trenntransformatoren sind als einphasige Transformatoren verfügbar, ausgelegt für 230 V sowie als Dreiphasen-Transformatoren für 400 V.

Neben den Trenntransformatoren werden zusätzlich auch gemeinsam kombinierte Steuertransformatoren eingesetzt. Steuer- und Trenntransformatoren, welche eine konstante Ausgangsspannung weitergeben sollen. In diesem Falle können bspw. konstant 230 Volt Wechselstrom (AC) abgegeben werden (siehe "Gleichstrom für die Industrie").

Eingangsspannung von Transformatoren

Die Eingangsspannung ist die elektrische Leistung die über die Primärspule den Transformator erreicht. Transformatoren können nur mit Wechselspannung (AC) betrieben werden. Auf einer Gleichstromquelle (DC) müssen zuvor entsprechende Wandler und Gleichrichter geschaltet werden. Beim Anlegen einer zu hohen Spannung auf die Primärspule können die Wickelungen zerstört werden. Jeder Transformator sollte daher eingangsseitig mit der für ihn vorgesehenen Spannung verbunden werden.

Ausgangsleistung von Transformatoren

Die Ausgangsleistung ist die elektrische Leistung, die einen Transformator über die Sekundärspule verlässt. Dem Trenntransformator kommt bei der Bemessung der Ausgangsleistung eine besonders hohe Anforderung an den Wirkungsgrad entgegen. Die Ausgangsspannung sollte im idealen Falle identisch der Eingangsspannung sein, da kein Transformator aber einen Wirkungsgrad von 1 erreichen kann, muss die Spannung innerhalb des Transformators leicht angehoben werden, um die gewünschte Nennspannung als Ausgangsleistung zur Verfügung zu stellen.

Besonderheiten von Transformatoren

Bei dem Einsatz von Transformatoren in der Praxis, gilt es bestimme Besonderheiten zu beachten, insbesondere die Umgebungstemperatur hat größeren Einfluss auf den Wirkungsgrad von Transformatoren. Auf Best4Automation finden sich spezielle Transformatoren für den Einsatz bei Umgebungstemperaturen von bis zu 60 °C, mit einer integrierten Luftkühlung. Ebenfalls die Höhe über dem Meeresspiegel hat Einfluss auf die Nennleistung, über 1000 m NN gibt ein Transformator erheblich weniger Leistung ab.