Referat Der Transformator - Theoretische Grundlagen / Aufbau

Der Transformator

Geschichte des Transformators

Transformator kommt vom lateinischen transformare = umformen, umwandeln. Als Kurzschreibweise wird oft "Trafo" verwendet, d.h. Umspanner. Er zählt zu den elektrischen Geräten und wird zur Erhöhung oder Herabsetzung elektrischer Spannung von Wechselströmen verwendet .

Die ersten Dreiphasen-Transformatoren-Modelle wurden bereits 1889 von M. von Doliewo- Dobrowolski entwickelt.

Theoretische Grundlagen / Aufbau

Der Transformator besteht im einfachster Fall aus zwei Spulen, der Primärspule und der Sekundärspule, die auf die Schenkel eines geschlossenen Eisenkerns (=Joch) gewickelt sind. Der Eisenkern ist aus magnetisierbaren und einseitig isolierten Blechen zusammengefügt um Wirbelströme zu vermeiden). In der Schwachstromtechnik werden nur Lufttransformatoren (Trockentransformatoren genannt) verwendet. In der Starkstromtechnik werden vorwiegend Drehstrom- oder Dreiphasentransformatoren verwendet. Es gibt viele Arten und Anwendungsgebiete von Transformatoren. Da wären z.B. Drehstrom-, Einphasen-, Ferrit-, Flach-, Klein-, Leiterplatten-, Netz-, Steuer-, Spezial-, Trenn- und Tockentransformatoren. Des weiteren gibt es noch Messwandler, Strom- und Spannungswandler und Spulen.

Funktionsweise

Die Wirkungsweise des Transformators beruht auf der elektromagnetischen Induktion. Er kann Spannungen erhöhen oder senken, je nach der Anordnung der Spulen und die Anzahl ihrer Windungen. Sie verhalten sich wie folgt: U1 : U2 = n1 : n2, wobei U die Spannung ist und n die Anzahl der Windungen. Bei der Anlegung einer elektrischen Wechselspannung U1 der Frequenz f an die Klemme der Primärspule fließende Wechselstrom (Primärstrom) der Stromstärke I1 induziert im Eisenkern einen zeitlich veränderlichen magnetischen Wechselfluß, der seinerseits gemäß dem Faradayschen Induktionsgesetz in der Sekundärspule eine ihrer Windungszahl n2 proportionale elektromotorische Kraft induziert, deren Frequenz gleich der von U1 ist und die an den Klemmen eine Spannung U2 bedingt. Ist der Transformator in  Betrieb, so gibt es zwei wesentliche Fälle zu unterscheiden:

Ist die Sekundärspule offen, so fließt in ihr kein Strom und der Transformator ist unbelastet. Der durch den Primärstrom hervorgebrachten magnetischen Fluß induziert in der Primärspule infolge der Selbstinduktion eine Spannung, die der angelegten Netzspannung entgegengerichtet und praktisch so groß wie diese ist. Außerdem fließt in der Primärspule der gegenüber der Spannung U1 in der Phase verzögerte sogenannte Leerstrom. Die beiden Spannungen unterscheiden sich durch die Windungszahlen n1 und n2. Außerdem sind im Leerlauf die induzierten Spannungen praktisch gleich den Spannungen an den Klemmen des Transformators.

Ist die Sekundärspule zu, so ist der Transformator belastet. Wird die Sekundärwicklung über einen Wechselstromwiderstand geschlossen, dann fließt beim Anlegen einer Spannung der primästrom I1 und der Sekundärstrom I2. Beide Ströme erzeugen in ihren Wicklungen magnetische Flüsse. Ein Teil des magnetischen Flusses wird bei Belastung aus dem Eisen hinausgedrängt, sodass ein leistungsmindernder Streufluß entsteht. Das Produkt aus Stromstärke I und der Spannung U bleibt immer gleich wenn man der Energieverlust bei der Übertragung außer Betracht zieht. Folglich sind die beiden Spannungen U1 und U2 umgekehrt proportional zu der Stromstärken I1 und I2. U1 : U2 = I2 : I1. Die Frequenz des Stromes bleibt auch gleich. Der Transformator ist folglich sowohl Stromwandler als auch Spannungswandler.