Der TransformatorAufbau, Wirkungsweise und Konstruktion
Transformator – ein Begriff, dem Sie wahrscheinlich schon öfters begegnet sind. Schliesslich ist der Transformator ein wichtiges Bauelement der Elektrotechnik. Doch, was ist ein Transformator überhaupt und wie ist er aufgebaut? In diesem Blogbeitrag beantworten wir alle wichtigen Fragen rund um den Aufbau, die Wirkungsweise und die Konstruktion des sogenannten Trafos.
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Der Aufbau eines Transformators
Der Transformator ist ein elektrotechnisches Bauteil, welches eine elektromagnetische Kopplung zweier Spulen, auch Wicklungen genannt, verursacht. Im Ursprung ist der Trafo ein Spannungswandler und kann je nach Baugrösse kleinste Leistungen in der Mikroelektronik bis riesige Leistungen von Energiekraftwerken und Umspannungsnetzen übertragen.
Folgendermassen ist ein Transformator aufgebaut:
Neben dem eisenlosen Trafo besteht bei 99% das Herz des Transformators aus dem magnetisierbaren Metallkern. Eine Vielzahl an Metallen z.B. Eisenbleche, kristalline und nanokristalline Folien, Ferrit-(Sinterpulver) usw. kann als Kern verwendet werden. Aus welchem Grund Metalle für den Kern verwendet müssen, dazu kommen wir später in diesem Beitrag.
Des Weiteren besteht der Trafo aus einer Eingangsspule (auch primär genannt) und einer oder mehreren Ausgangsspulen (sekundär). Normalerweise ist die Anzahl der Spulen abhängig von der Anwendung. Üblicherweise hat ein Einphasen-Trafo zwei Spulen; eine für die Primärseite und eine für die Sekundärseite. Dementsprechend haben Dreiphasen-Trafos sechs Spulen; drei für die Primärseite und drei für die Sekundärseite. Bei speziellen Anwendungen, wie z.B. bei Lüfter Trafos, kommt es vor, dass es mehrere Spulen für Primär- und/oder Sekundärseite gibt.
Diese Spulen, vergleichbar mit einer Rolle Schnur, sind eine oder mehrere Wicklungen eines sehr gut leitfähigen nichtmagnetischen Werkstoffs, die um den Trafokern gewickelt werden. Die Anzahl der Windungen bestimmen die Spannungen und die übertragbaren Ströme an der Primär- und Sekundärseite. Dies kann anhand der auf der Seite aufgeführten Formel veranschaulicht werden.
Wichtig ist zu wissen, dass diese Formel nur für die Idealversion eines Transformatoren gilt. Das heisst, es gibt keine Verluste, was in der Realität natürlich nicht stimmt.
Kommen wir zurück zum Aufbau des Trafos: Um die Spulen zu wickeln, wird am häufigsten Kupfer in verschiedenen Formen (Folie, Runddraht, Flachdraht oder auch Litzen) verwendet. Die Wahl des Kupfers wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst. Beispiele dafür sind: Thermische Faktoren und Stromdichte, Frequenzen und mechanische Kräfte, Übertragungsgüte, Kosten oder die Verarbeitungsfähigkeit.
Runddrähte sind leicht zu wickeln und kostengünstig, werden aber ab einem grösseren Durchmesser wegen dem Platzbedarf (auch Füllfaktor genannt) gegenüber Flachdrähten unwirtschaftlich. Der Füllfaktor sagt aus, wie viel Leitermaterial in das Wickelfenster passt. Füllfaktor 1 heisst, dass das komplette Wickelfenster gefüllt ist mit dem Leitermaterial. Dies ist jedoch praktisch nicht realisierbar.
Metallfolie und Litze werden verwendet, um hohe Frequenzen zu übertragen. Sie bringen den Vorteil von geringeren thermischen Verlusten mit.
Ein weiteres einsetzbares Leitermaterial ist Aluminium. Im Vergleich zu Kupfer ist Aluminium günstiger und leichter. Der Nachteil am Einsatz von Aluminium ist eine schlechtere Leitfähigkeit, was zu höheren Wärmeverlusten führen kann.
Der Spulenleiter muss isoliert sein, damit keine Kurzschlüsse der einzelnen Windungen entstehen. Die Drähte sind oft mit einer sehr dünnen Lackschicht überzogen, damit trotzdem ein guter Füllfaktor erreicht werden kann. Zusätzlich sollte noch beachtet werden, dass ein guter elektrischer Isolator leider auch ein guter thermischer Isolator ist. Aufgrund dessen sollte auch die Isolierschicht nicht zu dick sein, weil sonst die produzierte Hitze schlechter entweichen kann.
Wirkungsweise des Transformators
Die Wirkungsweise des Transformators kann bereits von seinem Namen abgeleitet werden. Transformare ist Latein und bedeutet übersetzt «umwandeln». Die Aufgabe eines Transformators ist es also eine Eingangswechselspannung (Primärseite) in eine Ausgangswechselspannung (Sekundärseite) umzuwandeln.
Der Umwandlungsprozess basiert auf der magnetischen Kopplung zwischen Primär- und Sekundärseite. Die beste magnetische Kopplung und damit beste Übertragung einer gewünschten Leistung entsteht durch Nutzung eines Metallkerns, der magnetisch etwa 100'000 - mal leitfähiger als Luft ist . Er bündelt das Magnetfeld der Primärspule und kann es fast 1:1 wieder direkt an die Sekundärspule abgeben.
Dieses transformatorische Prinzip für die magnetische Übertragung von Energie, ist das doppelte Induktionsgesetz (Faraday’sche Gesetz). Es sagt vereinfacht aus, dass eine sich zeitlich ändernde Spannung in einer (Primär-) Spule einen magnetischen Fluss in einem durchflutetem permeablen (Trafo-) Kern erzeugt und dieser wiederum sich zeitlich ändernde magnetische Fluss in einer (Sekundär-) Spule eine Spannung verursacht. Die zeitliche Änderung der Spannung nennt man auch Wechselspannung. In Europa wechselt die Spannung im Energienetz z.B. mit der Frequenz von 50Hz, also 50-mal in der Sekunde. Als Vergleichbeispiele kann man bei der Eisenbahn schauen, sie fährt oft mit 16,7Hz oder der Armee-Ausrüstung, welche mit 200 oder 400Hz betrieben wird.
Gleichzeitig erklärt dieses Phänomen auch, warum ein Trafo nicht mit Gleichspannung funktioniert oder selbst auch keine Gleichspannung erzeugen kann.
Wichtig zu wissen ist, dass die Frequenz der Spannung und die Höhe der Primärspannung massgeblich über den Aufbau des Trafos entscheiden. Er kann nur in gewissen Grenzen beider Parameter arbeiten. Verändert man die Parameter zu stark, kann sich der Trafo selbst zerstören. So lässt sich zum Beispiel ein Standard 50Hz-Trafo nicht am Ausgang eines Frequenzumrichters oder bei 60Hz in den USA betreiben. Er würde zu heiss werden und “verbrennen“.
Diese sogenannten Arbeitsparameter werden hauptsächlich über die Materialeigenschaften des Eisenkerns, die Hysterese-Kennlinie eingestellt. Hier bildet die hohe magnetische Leitfähigkeit des Kernes eine wichtige Voraussetzung für eine gute Kopplung. Wie bereits beim Aufbau des Transformators beschrieben, ist die Wahl des Werkstoffes somit entscheidend für die Wirkungsweise des Trafos.
Während die Werkstoffwahl den Grundstein für eine gute Wirkungsweise legt, wird diese auch durch die Konstruktion beeinflusst. Wie, erklärt der folgende Abschnitt.
Konstruktion des Transformators
Hauptsächlich wird ein Trafo eingesetzt, um eine gegebene Eingangsspannung in eine definierte Ausgangsspannung, mit einer geforderten Leistung umzuwandeln. Wie wird ein solcher Transformator jedoch konstruiert?
Der erste Parameter bei der Auslegung eines Trafos ist die Grössenwahl des Eisenkerns, in Abhängigkeit von der zu übertragenden Leistung und der Frequenz der Primärspannung. Je mehr Eisenquerschnitt, von der Wicklung durchströmt wird, desto mehr Leistung kann er abgeben. Vergleichen wir dies mit einem Fluss gilt: umso grösser das Flussbett, desto mehr Wasser passt durch.
Aber auch die Kernverluste in Abhängigkeit zur Frequenz spielen eine grosse Rolle. Die spezifischen materialabhängigen Kern-Verluste, werden in der Regel immer in Watt/kg angegeben. Zum Beispiel hat ein 1kg Trafokern = 2.3 Watt Verluste, der doppelt so grosse Kern mit 2 kg = 4.6 Watt.
An dieser Stelle daher ein wichtiger physikalischer Hinweis: sobald der Trafo an eine Spannung geschaltet wird, wird der Trafokern durch die Wechselspannung ummagnetisiert und es entstehen immer die gleichen gewichtsbezogenen Kernverluste. Egal, ob der Trafo am Ausgang belastet wird oder nicht. Das heisst auch, der Kern wird warm bis heiss, auch wenn am Ausgang kein Strom fliesst!
Ein sehr verlustarmer kleiner Kern mit weniger Gewicht kann bei gleicher Leistung, wie ein grosser Kern, weniger Verluste (Wärmemenge) aber trotzdem eine höhere Oberflächentemperatur haben. Dementsprechend ist den Trafo mit der Hand messen ist kein Zeichen dafür, dass dieser schlecht sein muss.
Die Höhe der Induktion dieses Eisenkerns, also wieviel Windungen für welche Spannung benötigt werden, entscheidet nun über den Aufbau der Wicklung. Wichtig ist hier, dass der Eisenkern auch beim Gesetzgeber oder dem Betreiber erlaubten 10% Netzüberspannung keine Sättigung des Eisenkerns erreicht wird. Das würde zu einer thermischen Überlastung des Kernes führen. Weniger Windungszahl führt bei gleicher Spannung, zu mehr magnetischen Verlusten. Hier auch wieder der Vergleich zum Wasser: Presse ich mehr Wasser durch einen gleichen Querschnitt, entsteht mehr Druck und Temperatur.
Das Gleiche gilt dann übrigens sinnbildlich auch für die Wicklung des Trafos. Mehr Strom fordert mehr Wicklungsquerschnitt, also dickeren Draht, um die Temperaturen im Griff zu haben. Dickerer Draht benötigt aber auch wieder mehr Platz, der den Trafo grösser macht und kostenintensiver ist.
Das Windungsverhältnis zwischen Ausgangsspannung und Eingangsspannung wird Übersetzungsverhältnis genannt. Diese Proportionalität der Primärwicklung bestimmt die Ausgangswindungszahl. So hat ein 230V-Trafo mit 230 Primärwindungen am Ausgang mit 115 Windungen 115V Leerlaufspannung (z.B. für USA-Geräte).
Die wichtigsten Designparameter für die Qualität des Transformators sind heute immer mehr die Kernverluste, die Erwärmung der Wicklung und die optimierte Baugrösse.
Basierend auf diesen Voraussetzungen werden geeignete Kerne, Leiter, Leiterformen usw. gewählt. Als Basis für die Konstruktion dient die Berechnung des Transformators, welche auf den verschiedenen Formeln des Elektromagnetismus und der Thermodynamik basiert, wie im Abschnitt "Wirkungsweise des Transformators" genauer erklärt wurde.
Anschliessend werden die Fertigungsunterlagen erstellt, welche die genaue Fertigung darstellen. Das heisst, es wird festgelegt, welche Materialien und Bauteile verwendet werden und wie die Spule gewickelt wird (Art des Drahts, Windungsanzahl, wo es Luftkanäle gibt), wie der mechanische Aufbau des fertigen Trafos mit Fusswinkeln und Anschlüssen für den Kunden aussehen kann, usw. Zuerst werden die Wicklungen fertiggestellt, bei kleineren Trafos auf genormten Spulenkörpern aus einem hochspannungsfesten Isoliermaterial.
Dann wird der Kern durch und um die Spule(n) herum aufgebaut. Der Standard-Trafokern für unsere 50/60Hz - Frequenz wird meistens aus dünnen Trafoblechen geschachtelt. Der Grund dafür ist, dass in einem Trafokern neben dem gewünschten Magnetfeld, zur Übertragung der Energie auch Wirbelströme quer zur eigentlichen Flussrichtung fliessen. In einem massiven Eisenblock wirken diese ungehemmt und der Kern kocht schon bei etwa 0,5% Belastung. Abhilfe schaffen dünne isolierte Bleche, die diese Wirbelströme unterdrücken. Umso dünner diese Bleche sind umso weniger Wirbelverluste entstehen (am optimalsten sind kornorientierte Bleche).
Um die magnetischen (hochpermeablen) Eigenschaften noch zu verbessern, setzt man Zusatzstoffe wie Silizium zu oder verwendet andere Verfahren.
Es bilden sich dann so genannte «kornorientierte» grosse Magnetflächen (siehe Bild).
Hohe Frequenzen durchdringen leider auch diese Isoliersperre der Bleche und man setzt noch bessere und noch dünnere fast glasartige Metalle ein. Reicht das auch nicht mehr, gibt es Sintermetalle, sogenannte Pulverkerne. Metallpulver wird mit Klebstoff vermengt in eine Kern Form gegossen. Dabei sind die winzigen Pulverkugeln zueinander isoliert und verringern so die hochfrequenten Zusatzverluste. Die Entwicklung für grosse Leistungen steckt hier aber noch in den Kinderschuhen.
Wir hoffen, Ihnen mit diesem Beitrag einen Überblick über den Aufbau, die Wirkungsweise und die Konstruktion des Transformators geben konnten.