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Transformator

 

[zu lateinisch transformare »umwandeln«, »verwandeln«] der, -s/...'toren, Kurzwort Trafo, elektrische Maschine zur Umwandlung der elektrischen Spannung eines Wechselstroms in eine höhere oder niedrigere Spannung gleicher Frequenz. Einen Sonderfall stellt der Trenn- oder Isoliertransformator dar, der im Allgemeinen nur eine galvanische Trennung vom speisenden Netz bewirkt.

 

In seiner einfachsten Form als Einphasentransformator besteht der Transformator aus zwei Wicklungen, die auf den Schenkeln eines den magnetischen Kreis bildenden Eisenkerns angebracht sind. Der unbewickelte Teil des magnetischen Kreises wird Joch genannt. - Die beiden Wicklungen nennt man nach der Höhe ihrer Spannung Ober- oder Unterspannungswicklung beziehungsweise nach der Richtung des Energieflusses Primär- oder Sekundärwicklung, wobei die Energie von der Primär- zur Sekundärseite übertragen wird. Um eine möglichst verlustarme magnetische Kopplung zu erreichen, müssen die Wicklungen eng beieinander liegen. Sie werden als Zylinderspulen meist konzentrisch angeordnet und ineinander gesteckt, wobei die Unterspannungswicklung in Nähe des Kerns liegt, der geerdet wird. Der magnetische Kreis wird vom Wechselfeld durchsetzt; zur Vermeidung von Wirbelströmen ist er als »Paket« aufgebaut, das aus einzelnen, durch eine Lackschicht voneinander isolierten Blechen besteht. Je nach Ausführung unterscheidet man Kerntransformatoren und Manteltransformatoren. Beim Kerntransformator sind in der Regel beide Schenkel bewickelt, jeder trägt je eine Hälfte der Ober- und Unterspannungswicklung. Beim Manteltransformator ist nur ein Schenkel mit Ober- und Unterspannungswicklung bewickelt, und der magnetische Fluss teilt sich auf zwei Rückschlussjoche auf.

 

Für die Transformation des in den meisten industriellen Elektroenergiesystemen vorherrschenden Drehstroms benötigt man einen Drehstromtransformator (Dreiphasentransformator). Bei diesem bestehen die beiden Wicklungen aus je drei Wicklungssträngen, die in Stern- oder Dreieckschaltung betrieben werden und paarweise auf den Schenkeln eines gemeinsamen Eisenkerns untergebracht sind. Der Dreischenkeltransformator trägt auf jedem Schenkel des gemeinsamen magnetischen Kreises je Phase eine Ober- und Unterspannungswicklung. Der Fünfschenkeltransformator besitzt zusätzlich zwei unbewickelte Rückschlussschenkel, wodurch sich die Bauhöhe verringert. Statt eines Dreiphasentransformators können auch drei Einphasentransformatoren zu einer Transformatorbank zusammengeschlossen werden (v. a. bei hohen Leistungen).

 

Transformatoren kleiner und mittlerer Leistungen (bis rd. 1 MVA) werden als Trockentransformatoren ausgeführt, bei denen die beim Umformungsprozess entstehenden Wicklungs- und Ummagnetisierungsverluste in Form von Wärme unmittelbar an die umgebende Luft abgegeben werden. Leistungstransformatoren werden als Öltransformatoren ausgeführt, bei denen zur inneren Isolation Kern und Wicklungen vollständig von Transformatorenöl umgeben sind, das zugleich als Kühlmittel zur Abführung der durch Leistungsverluste entstehenden Wärme dient. Diese wird zunächst an das Öl und von dort entweder über eine durch Rippen oder Rohre vergrößerte Oberfläche des Gefäßes an die Luft oder durch einen mithilfe von Pumpen erzeugten Ölumlauf über besondere Kühler an die Luft oder an Wasser abgegeben.

 

Bei der Stromversorgung verwendete Transformatoren (Umspanner) sind u. a. die Aufspanntransformatoren, die Dreiwicklungstransformatoren mit einer zusätzlichen Tertiärwicklung zur Verbindung dreier Netze mit unterschiedlichen Spannungen sowie die Verteilungs- oder Abspanntransformatoren in Transformator- oder Umspannstationen zur Herabsetzung der Spannung. Stelltransformatoren werden für die stetige, seltener für die stufige Änderung der Sekundärspannung ausgeführt. Für die stufige Änderung wird die Sekundärwicklung mit entsprechenden Anzapfungen versehen, an denen die Spannungswerte abgegriffen werden können (Stufentransformator). Zu den Stelltransformatoren gehören Drehtransformator, Spartransformator mit teilweise blanker Wicklung und beweglichen Kohlerollen als Abgriff und Schubtransformator. Stelltransformatoren im Energieversorgungsnetz liefern als Quertransformatoren eine um 90º gegenüber der Netzspannung verschobene und als Reihentransformatoren eine in Phase liegende Zusatzspannung. Zur Erzeugung der beim Schweißen erforderlichen hohen Stromstärken (bis 1 000 A) wird der Schweißtransformator verwendet. Er weist eine stark fallende Strom-Spannungs-Kennlinie auf, die durch Anordnung der Wicklungen auf getrennten Kernen erzielt wird. Die Kopplung zwischen den Wicklungen kann durch einen beweglichen Streukern geändert werden, um dadurch die Kennlinie den jeweiligen Bedürfnissen anzupassen. Ein spezieller Transformator ist der Schutztransformator, der nur Schutzkleinspannung abgibt und besondere Anforderungen bezüglich der Isolation erfüllt, z. B. Klingeltransformator (Bemessungsspannung der Ausgangswicklung maximal 12 V) und Spielzeugtransformator (maximal 24 V). - In der Nachrichtentechnik dient der Transformator als Netztransformator oder als Anpassungstransformator (Übertrager).

 

Die Wirkungsweise des Transformators beruht auf der elektromagnetischen Induktion: Der bei Anlegen einer elektrischen Wechselspannung U₁ mit der Frequenz f an die Klemmen der Primärspule fließende Wechselstrom (Primärstrom) der Stromstärke I₁ induziert im Eisenkern einen zeitlich veränderlichen magnetischen Wechselfluss Φ₁, der seinerseits gemäß dem faradayschen Induktionsgesetz in der Sekundärspule eine ihrer Windungszahl N₂ proportionale elektromotorische Kraft (Wechselspannung) E₂ = —N₂ dΦ₁/ dt induziert, deren Frequenz der von U₁ gleich ist und die an den Klemmen eine Spannung U₂ bedingt. Der durch den Primärstrom hervorgebrachte magnetische Fluss Φ₁ induziert nun aber auch in der Primärspule infolge der Selbstinduktion eine elektromotorische Kraft E₁ = —N₁ dΦ₁/ dt, die der angelegten Netzspannung entgegengerichtet und praktisch so groß wie diese ist: E₁ ≈ —U₁. Da für die in der Primär- und Sekundärspule induzierten Spannungen

 

 

gilt, d. h. beide Spannungen sich durch die Windungszahlen N₁ und N₂ voneinander unterscheiden, und da außerdem im Leerlauf (offene Sekundärwicklung) die induzierten Spannungen praktisch gleich den Spannungen an den Klemmen des Transformators sind, folgt:

 

 

Ist hingegen die Sekundärwicklung über einen Wechselstromwiderstand Z₂ geschlossen, so fließt sekundärseitig ein Strom der Stromstärke I₂, der seinerseits einen dem Fluss Φ₁ entgegengerichteten magnetischen Fluss Φ₂ erzeugt. Es stellt sich insgesamt ein Magnetfluss ein, bei dem die Durchflutungen I₁ · N₁ und I₂ · N₂ praktisch gleich groß sind; es gilt daher:

 

 

Während sich beim Transformator also die Spannungen von Primär- und Sekundärseite wie die Windungszahlen verhalten, verhalten sich die Stromstärken der Ströme beider Seiten umgekehrt wie die Windungszahlen. Der Transformator ist folglich sowohl Strom- als auch Spannungswandler. Die abgegebene Leistung ist mit der Verlustleistung gleich der aufgenommenen Leistung. Bei Vernachlässigung der Verluste gilt U₁I₁ = U₂I₂ für die elektrischen Leistungen in beiden Wicklungen.

 

Literatur:

 

C. Aron: Der T. (1926, Nachdr. 1990);

 G. Aichholzer: Elektromagnet. Energiewandler. Elektr. Maschinen, T., Antriebe, 2 Tle. (Wien 1975);

 Werner Schulz: Netz-T. einfach berechnet (1983);

 D. Nührmann: Stromversorgungs-Praxis. T., Gleichrichter- u. Stabilisierungsschaltungen (1987);

 G. D. u. H. O. Häberle: T. u. elektr. Maschinen (²1990);

 H. C. Skudelny: Stromrichtertechnik (1993).

Transformator

 

[zu lat. transformare »umwandeln«] (Trafo), Gerät, das eine elektrische Wechselspannung in eine höhere oder niedrigere Spannung gleicher Frequenz umformt. Es besteht im Wesentlichen aus zwei separaten Spulen (schraubenartig gewickelter Kupferdraht) mit unterschiedlichen Windungszahlen, die sich auf einem gemeinsamen Eisenkern befinden. Die Spannungstransformation beruht auf der elektromagnetischen Induktion: Der durch eine angelegte Wechselspannung durch die eine Spule fließende Wechselstrom bewirkt im Eisenkern ein magnetisches Wechselfeld, das wiederum in der zweiten Spule eine Spannung hervorruft. Die beiden Spannungen verhalten sich dabei bezüglich der Stärke wie die Windungszahlen.

 

In der EDV finden sich Transformatoren v. a. als hauptsächliche Komponente von Netzteilen. Sie formen hier die Netzspannung in die Betriebsspannungen der Computer, Geräte und Bauteile um. Anschließend wird die angepasste Wechselspannung durch Gleichrichter in Gleichspannung umgewandelt.