Transformator Funktion

Ein Trafo besteht aus einem magnetischen Kreis, dieser wird als Kern bezeichnet, und besitzt mindestens zwei Strom und Spannung durchfließende Wicklungen mit einer festgelegten Anzahl von Windungen. Die der elektrischen Spannung (Netzspannung) zugewandte Windungen wird als Primärseite (Primärspule) bezeichnet, die Seite mit dem Verbraucher und der elektrischen Last wird als Sekundärseite (Sekundärspule) bezeichnet. Die eingehende Leistung aus Strom und Spannung wird in eine ausgehende Leistung aus Strom und Spannung transformiert.

Ein Transformator besteht im Wesentlichen aus zwei oder mehreren Spulen sowie einem gemeinsamen Eisenkern. Bei einem Einphasentransformator wird oft nur eine Spule verwendet, bei höheren Leistungen werden zwei Spulen parallel oder in Reihe geschaltet. Der Dreiphasentransformator besteht aus drei Spulen, die jeweils nach der gewünschten Schaltgruppe miteinander verbunden werden. Die Wicklungen eines Trafos sind in der Regel aus isoliertem Kupferlackdraht gefertigt und befinden sich aufgewickelt auf dem Eisenkern, entweder auf einen separaten Spulenkörper oder mit Distanzstäben und Isolation unter Einhaltung von Luft- und Kriechstrecken. Dort wird die vorliegende Wechselspannung angeschlossen, es entsteht ein wechselndes magnetisches Feld. Der magnetische Fluss durchdringt die Sekundärspule mit Hilfe des Eisenkerns. An der Sekundärseite des Transformators kann somit die ausgangsseitige Wechselspannung (induzierte Spannung) mit dem gewünschten Wechselstrom entnommen werden. Das Wicklungsverhältnis der Primär- und Sekundärspule definiert, ob die Spannung am Ausgang kleiner oder größer ist als die Eingangsspannung. Ist die Windungszahl der Sekundärspule größer als die der Primärspule, so ist die Ausgangsspannung größer als die Eingangsspannung. Ist jedoch die Windungsanzahl der Sekundärspule geringer, dann ist die Ausgangsspannung kleiner als die Eingangsspannung. Entscheidend für die Veränderung der Leistung bzw. Wechselspannung und Strom ist das Verhältnis der Windungszahlen N1/N2. Die verwendeten Drahtstärke auf den Spulen wird über den Strom definiert.

Die Fertigungstechnik für den Kern und die verwendete Qualität des Trafokerns (Eisenkern) wirkt sich auf den magnetischen Kreis aus. Der magnetische Kreis eines Trafo (Magnetfeld) sollte idealerweise geringe Wirbelstromverluste erzeugen und geringe Ummagnetisierungsverluste (Hystereseverluste) besitzen. Ein weiterer Aspekt sind die Widerstände in der Wicklung eines Transformators. Nur mit lagenweise und geordneten Windungen auf der Primärspule und der Sekundärspule und dem besten Wicklungsmetall kann man die Wicklungsverluste reduzieren. Mit Anzahl der Windungen auf der Spule wird die Spannung geregelt. Die Stromstärke bestimmt den Durchmesser des Wicklungsmetalls.

Die Bauleistung eines Trafo wird in VA oder kVA ausgedrückt (VA ist die Bezeichnung für Voltampère und steht für die Maßeinheit der elektrischen Scheinleistung, kVA für Kilovoltampère).
Kupfer hat bis auf Silber den besten Leitwert mit γ = 56. Aluminium dagegen hat nur γ = 36. Aluminium folgt also mit etwa 35 Prozent Abstand. So ist Kupfer das beste Metall und Aluminium «nur» das zweitbeste der technisch und wirtschaftlich verwertbaren Leiterwerkstoffe für die elektrische Energie. Alle anderen Metalle kommen als Stromleiter nicht in Betracht, und Legierungen haben generell eine erheblich niedrigere Leitfähigkeit als reine Metalle. Silber oder Gold scheiden wegen des hohen Preises ganz aus.

Der Ideale Transformator ist nicht existent. Der ideale Transformator ist verlustfrei und wird lediglich als Modell zur Funktionsbeschreibung von Transformatoren eingesetzt. Bei einem idealen Transformator ist die Spannung an den Wicklungen aufgrund der elektromagnetischen Induktion proportional zur Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses sowie zur Windungszahl der Wicklung des Transformators. Das bedeutet, dass die Spannung an der Wicklung sich zueinander verhalten wie die Windungszahlen des Transformators. Wird an die Sekundärspule eine Maschine (Verbraucher) angeschlossen, so entzieht dieser dem Transformator an der Sekundärseite Energie. Der Stromfluss innerhalb eines Transformators funktioniert nach der Lenzschen Regel. Die Ströme in den Wicklungen sind also entgegengesetzt. Der Primärstrom in einem Trafo fließt bezogen auf den Kern rechts herum, der Sekundärstrom links herum. Bei einem idealen Transformator zeigt die Kombination der Gleichungen für die Spannungstransformation, dass die zugeführte Energie der Primärseite gleich das entnommen Energie der Sekundärseite ist. Das bedeutet das ein idealer Transformator in der Theorie keinen Wärmeverlusten unterliegt.

Die Unterschiede zu einem realen Transformator lassen sich wie folgt definieren. Ein realer Transformator hat Widerstände in der Wicklung, die zu Energieverlusten führen. Außerdem ist bei einem realen Transformator immer damit zu rechnen, dass die Ummagnetisierung sowie Wirbelströme ebenfalls zu Energieverlusten führen. Somit entstehen Kupferverluste (Widerstände in der Wicklung), Hystereseverluste (Ummagnetisierung) und Wirbelstromverluste (Verlust durch Wirbelströme). Außerdem treten immer Streuflüsse auf (der magnetische Fluss, welcher durch die Primärseite fließt, fließt nicht proportional durch die Sekundärseite). Außerdem hängt die Permeabilität eines Eisenkerns von der Stärke des Magnetflusses (magnetische Flussdichte) ab.

Im Allgemeinen unterscheidet man die Transformatoren nach ihrer galvanischen Trennung. Trenntransformatoren haben keine Verbindung zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite. Diese beiden Wicklungen sind voneinander getrennt. Bei Spartransformatoren greift die Sekundärseite auf dem primären Wicklungsteil ihre Spannung ab, hirt gibt es keine separate unabhängige Sekundärwicklung, somit liegt hier keine galvanische Trennung vor. Der Vorteil bei den Spartransformatoren liegt in der geringeren Baugröße zu Trenntransformatoren. Einen Einsatz von Spartransformatoren ist nur begrenzt möglich und muss im Einzelfall geprüft werden.

Der Transformator kann die Wechselspannung und den Wechselstrom zwischen Ein- und Ausgang verändern, er kann aber nicht die Frequenz verändern. Die eingehende Frequenz ist immer gleich der ausgehenden Frequenz. Transformatoren können auch für hohe Frequenzen berechnet werden.