Funktionsprinzip, Bauarten und Berechnung von Transformatoren in der Elektrotechnik.
ü = N₁/N₂ = U₁/U₂ = I₂/I₁Verhältnis der Windungen, Spannungen und Ströme
S = U × IDie Scheinleistung bleibt im idealen Trafo erhalten
Der Transformator ist eines der wichtigsten Bauelemente in der Elektrotechnik. Er ermöglicht die verlustarm Übertragung elektrischer Energie über weite Strecken und die Anpassung von Spannungsniveaus für verschiedene Anwendungen.
Das Prinzip beruht auf der elektromagnetischen Induktion: Ein wechselndes Magnetfeld in der Primärwicklung induziert eine Spannung in der Sekundärwicklung.
U₁ ─┬─────┐ ┌─────┬─ U₂
│ │ Φ │ │
N₁ ┌─┴─────────┴─┐ N₂
│ │ Eisenkern │ │
│ └─────────────┘ │
────┴─────────────────────┴────
Grundgleichungen (idealer Transformator):
| Typ | Leistung | Anwendung |
|---|---|---|
| Kleintransformator | bis 1 kVA | Netzteile, Beleuchtung |
| Verteiltransformator | 100-2500 kVA | Niederspannungsversorgung |
| Leistungstransformator | > 2500 kVA | Übertragungsnetze |
| Spartransformator | variabel | Spannungsregelung |
| Trenntransformator | variabel | Schutztrennung |
η = P₂ / P₁ = P₂ / (P₂ + P_Fe + P_Cu)
Typische Wirkungsgrade:
Die Kurzschlussspannung gibt an, welche Primärspannung nötig ist, um bei kurzgeschlossener Sekundärwicklung den Nennstrom fließen zu lassen.
u_k = U_k / U_N × 100%
Typische Werte:
Aufgabe
Ein Trafo soll 230 V auf 24 V umspannen. Wie groß ist das Übersetzungsverhältnis?
Lösung
Das Übersetzungsverhältnis beträgt etwa 9,6 : 1.
Aufgabe
Ein 230/24 V Trafo mit 100 VA versorgt eine Last. Wie hoch ist der maximale Sekundärstrom?
Lösung
Der maximale Sekundärstrom beträgt 4,17 A.
DIN EN 61558: Sicherheit von Transformatoren, Netzgeräten und ähnlichen Geräten
DIN VDE 0570: Nationale Ergänzungen zu Sicherheitsnormen
Der Trenntransformator nach VDE bietet Schutztrennung: Die Sekundärseite hat keinen Bezug zur Erde, wodurch bei einem einfachen Körperschluss kein gefährlicher Strom fließen kann.
Der Transformator wandelt Spannung und Strom um:
Grundformeln:
Verluste:
Bauarten:
Das Summen entsteht durch Magnetostriktion: Der Eisenkern verformt sich minimal im Takt der Netzfrequenz (50 Hz). Das Geräusch hat 100 Hz (doppelte Frequenz, da die Verformung bei jeder Halbwelle erfolgt). Hochwertige Trafos werden vergossen oder haben besser verschraubte Kerne.
Bedingt. Bei gleicher Spannung fließt bei 50 Hz ein höherer Magnetisierungsstrom, der Kern wird stärker gesättigt und der Trafo erwärmt sich mehr. Umgekehrt (50 Hz Trafo an 60 Hz) ist meist problemlos möglich.
Ein Spartransformator hat nur eine Wicklung mit Anzapfung. Primär- und Sekundärseite sind galvanisch verbunden. Vorteil: Kleiner und günstiger. Nachteil: Keine galvanische Trennung, daher nicht für Schutztrennung geeignet.