Einführung in Transformatoren und Standard E-I Konstruktion

Ein Transformator ist im Grunde ein sehr einfaches statisches (oder stationäres) elektromagnetisches Gerät, das nach dem Prinzip des Faradayschen Induktionsgesetzes arbeitet, indem es elektrische Energie von einem Wert in einen anderen umwandelt.

Ein Transformator tut dies, indem er zwei oder mehr Stromkreise über einen gemeinsamen magnetischen Schwingkreis verbindet, der durch den Kern des Transformators erzeugt wird. Ein Transformator funktioniert nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion in Form von gegenseitige Induktion.

Gegenseitige Induktion ist der Prozess, bei dem eine Drahtspule magnetisch eine Spannung in eine andere Spule induziert, die sich in ihrer Nähe befindet. Man kann also sagen, dass Transformatoren im “magnetischen Bereich” arbeiten, und ihr Name rührt daher, dass sie einen Spannungs- oder Strompegel in einen anderen “transformieren”.

Wie Transformatoren die Energieverteilung über große Entfernungen ermöglichen

Transformatoren sind wichtige Bausteine im elektrischen Netz für die Übertragung und Verteilung von Strom. Dank des Faraday'schen Gesetzes der magnetischen Induktion ist es mit dem Transformator möglich, Wechselspannungen auf jeden beliebigen Wert zu erhöhen oder zu senken.

Die erzeugten Wechselspannungen lassen sich mit Hilfe von Aufwärtstransformatoren leicht in viel höhere Spannungen umwandeln und dann über ein Netz von Masten und Kabeln über weite Strecken verteilen. Der Grund für die Umwandlung der Spannung auf ein viel höheres Niveau ist, dass höhere Verteilungsspannungen geringere Kupferverluste (I² × R) entlang des vernetzten Kabelnetzes bedeuten.

Die höhere Wechselspannung wird dann am Zielort auf eine viel niedrigere, sicherere und brauchbare Spannung reduziert, mit der die elektrischen Geräte in unseren Wohnungen und am Arbeitsplatz versorgt werden können.

Funktionsprinzipien von Transformatoren

Ein Transformator ist ein statisches elektrisches Gerät, das elektrische Energie (Wechselstrom) von einem Stromkreis auf einen anderen Stromkreis überträgt, ohne dass sich seine Frequenz ändert. In der Regel werden Transformatoren verwendet, um die Spannung von Wechselstrom in elektrischen Anwendungen zu erhöhen oder zu verringern.

Ein Einphasen-Spannungstransformator besteht im Wesentlichen aus zwei elektrischen Drahtspulen, von denen eine als Primärwicklung und eine weitere, die Sekundärwicklung. Die Primärseite des Transformators ist die Seite, die normalerweise Strom aufnimmt, und die Sekundärseite ist die Seite, die normalerweise Strom abgibt. Bei einem einphasigen Spannungswandler ist die Primärseite normalerweise die Seite mit der höheren Spannung.

Diese beiden Spulen stehen nicht in elektrischem Kontakt zueinander, sondern sind um einen gemeinsamen geschlossenen magnetischen Eisenkreis gewickelt, der Kernstück. Die beiden Spulenwicklungen sind durch den gemeinsamen Kern magnetisch miteinander verbunden, so dass elektrische Energie von einer Spule zur anderen übertragen werden kann. Dieser Weicheisenkern ist nicht massiv, sondern besteht aus einzelnen Blechen, die zur Kernstruktur zusammengefügt sind.

Ein Einphasentransformator kann die an der Primärwicklung anliegende Spannung entweder erhöhen oder verringern. Wenn ein Transformator verwendet wird, um die Spannung an seiner Sekundärwicklung im Verhältnis zur Primärwicklung zu erhöhen, wird er als Aufstockung Transformator. Wenn er dazu dient, die Spannung an der Sekundärwicklung gegenüber der Primärwicklung zu verringern, spricht man von einer Abstieg Transformator.

• Primärwicklung - erzeugt einen magnetischen Fluss im Kern, wenn er an eine elektrische Quelle angeschlossen ist (die Primärstrom).
• Sekundärwicklung - gibt die Sekundärstrom die durch den magnetischen Fluss im Kern erzeugt wird. 
• Transformatorkern - bietet einen niederohmigen Pfad, über den sich der magnetische Fluss von der Primär- zur Sekundärwicklung bewegen kann, wodurch ein geschlossener Magnetkreis entsteht.

Die Energieeffizienz eines Transformators hängt ab von Kernverluste und Kupferverluste in ihm. Der Kernverlust hängt von der Spannung und der Kupferverlust von der Stromstärke ab. Der Kernverlust wird weiter unterteilt in Hystereseverlust und Wirbelstromverlust und hängt lediglich von den magnetischen Eigenschaften des Kernmaterials und der Kernkonstruktion ab.

Für die meisten Transformatoren, die für den Einsatz in Wohnungen oder Büros konzipiert sind, wird eine von zwei Arten von Transformatoren verwendet. Sie können entweder mit einem E-I-Laminat oder eine Toroidal Kern.

Standard E-I Transformator Konstruktion

Bei einer E-I-Struktur werden die passenden “E”- und “I”-Komponenten aus dünnen, kornorientierten Elektrostahlblechen gestanzt, die später zu einem Kern gestapelt werden. Die Primär- und Sekundärwicklungen werden auf Spulen gewickelt. Mehrere Spulen werden auf Spindeln gesetzt und gedreht, um die Wicklungen aufzubringen.

Diese Methode der Verwendung von Spulenkörpern ermöglicht eine Automatisierung, die die Herstellungszeiten verkürzt, und bietet außerdem eine Isolierung zwischen den Wicklungen und dem Kern. Die E-I-Kernbleche werden innerhalb der Spulen gestapelt, um den Transformator fertigzustellen. Die einfache Konstruktion macht die Herstellung von Standard-E-I-Transformatoren sehr wirtschaftlich, was ihr Hauptvorteil ist.

Obwohl die Herstellung von Standard-E-I-Transformatoren wirtschaftlich ist, weisen sie einige Einschränkungen auf. Da die gestanzten Bleche gestapelt werden, um die Kernstruktur zu bilden, entsteht durch kleine Unvollkommenheiten und Grate an den Stoßkanten der Bleche ein effektiver “Luftspalt”, der die Betriebsflusswerte verringert. Die Entkopplung der Wicklungen ist bei linearen Konstruktionen üblicher, und infolgedessen sind Streuinduktivität und Streukapazität natürlich höher. Außerdem schwingen die losen Lamellen mit der Grundfrequenz, was zu einem störenden Brummen (mechanisches Rauschen) führt. All diese Nachteile führen zu einem größeren Transformator mit geringerem Wirkungsgrad.

Schlussfolgerung

Unsere moderne Welt der effizienten Stromverteilung über Städte und Kontinente hinweg wäre ohne elektrische Transformatoren nicht möglich. Die Standard-E-I-Konstruktion ist eine wirtschaftliche Lösung, die viele Anforderungen an die Energieumwandlung erfüllt, aber sie hat auch ihre Nachteile in Bezug auf Größe, Gewicht und Effizienz.

Im nächsten Teil unserer Serie über Ringkerntransformatoren werden wir die Konstruktion von Ringkerntransformatoren und ihre Leistungsvorteile gegenüber der Standard-E-I-Konstruktion erörtern.