Wofür sind Transformatoren: Gerät, Wirkungsweise, Zweck und Anwendung

Personen, die mit einem Elektriker nicht vertraut sind, wissen möglicherweise nicht, wozu ein Transformator dient und wie er aussieht. Die Rolle dieses Geräts für den technologischen Fortschritt kann als eine der am meisten unterschätzten angesehen werden, obwohl die Menschheit dank seiner Erfindung einen breiten Zugang zu Elektrizität erhielt. In mehr als 100 Jahren Evolution sind Transformatoren zu Schlüsselkomponenten nicht nur von Energiesystemen, sondern auch einer Vielzahl von elektronischen Geräten geworden.

Funktionsprinzip und Typen

Ein Transformator ist ein elektrisches Gerät, das Wechselstrom von einem Stromkreis auf einen anderen überträgt, während die ursprüngliche Frequenz beibehalten wird. Die Grundlage seines Designs ist ferromagnetischer Kern mit mehreren Drahtwicklungen. Die Eingangsspannung wird an die sogenannte Primärwicklung angeschlossen und die Ausgangsspannung an der Sekundärwicklung abgenommen.

Der Wechselstrom in der Primärspule induziert einen magnetischen Wechselfluss, der im Kern lokalisiert ist und bei jedem elektrischen Zyklus seine Richtung ändert. Es induziert auch einen Wechselstrom in jeder der Sekundärwicklungen.

Die verschiedenen Transformatortypen werden nach ihrer Bauart, Art der Stromversorgung, Kühlung usw. klassifiziert. Mehr Details:

• Nach Zielen. Hier werden zwei Haupttypen unterschieden - Aufwärts- und Abwärtsspannung. Es gibt auch Trenntransformatoren, deren Aufgabe es ist, Stromkreise galvanisch zu trennen, ohne die Parameter zu verändern.
• Nach Art des Essens. Unterscheiden Sie zwischen einphasig und dreiphasig. Drei separate einphasige, die in einem gemeinsamen Stromkreis verbunden sind, können als dreiphasig arbeiten.
• Übrigens zum Kühlen. Sie werden in natürliche und erzwungene, Luft und Öl unterteilt.

Die meisten Transformatoren auf der Welt sind einphasige, luftgekühlte, spannungsreduzierende Geräte. Aber die massivsten und stärksten von ihnen arbeiten nur, um die Spannung zu erhöhen.

Stromtransport

Kraftwerksgeneratoren erzeugen Strom bis zu mehreren zehn Kilovolt. Theoretisch kann es unverändert an die Verbraucher weitergegeben werden. Mit zunehmender Leistung der Quelle und der Transportentfernung wachsen jedoch auch die Probleme der Verluste für Heizdrähte. Bei bestimmten Werten kann die Energieübertragung selbst jede Bedeutung verlieren. Es gibt nur zwei Möglichkeiten, Verluste zu reduzieren:

• Verringerung des Widerstands der Drähte;
• eine Erhöhung der Spannung des übertragenen Stroms.

Die erste Methode wird implementiert, indem die Querschnittsfläche der Drähte vergrößert wird. Dies ist extrem teuer und technisch schwierig, da dadurch nicht nur die Kosten und das Gewicht der Leitungen selbst steigen, sondern auch die sie tragenden Strukturen verstärkt werden. Auf weite Strecken ist dies schlichtweg wirtschaftlich nicht rentabel oder sogar unrealistisch.

Im zweiten Fall nehmen nach dem Ohmschen Gesetz mit abnehmender Stromstärke die Verluste proportional zum Quadrat der Stromstärke ab. Dies ist im Hinblick auf die Reduzierung der Kapitalkosten für den Bau und die Wartung des Kraftübertragungssystems sehr attraktiv. Bei konstanter Leistung die Spannung anheben und gleichzeitig den Strom reduzieren – deshalb werden hier Transformatoren benötigt.

Da Hochspannungsstrom nicht direkt an Verbraucher verteilt werden kann, wird er auf die gewünschten Parameter gebracht mit Abwärtstransformatoren. Der Energietransport ist also ohne vorherige und nachfolgende Umwandlung nicht vollständig, daher ohne Leistungstransformatoren die Übertragung von Elektrizität über lange Distanzen in der modernen Welt unmöglich.

Spannungswandler in Stromkreisen

Elektrische Haushaltsnetze sind in Bezug auf Spannung und Frequenz des Wechselstroms standardisiert, aber angeschlossene Geräte benötigen möglicherweise völlig andere Leistungsparameter. Prozessoren und Elektronikkomponenten arbeiten beispielsweise nur mit Niederspannungs-Gleichstromkreisen. Damit die Vielseitigkeit der Quelle dem Betrieb der Geräte nicht im Wege steht, sind die angeschlossenen Geräte mit eingebauten oder externen Spannungswandlern auf Basis von Transformatoren ausgestattet.

Lineare oder konventionelle Netzteile verwenden Leistungstransformatoren. Sie sind hervorragend im Umgang mit schweren Lasten, haben aber einige nachteile:

• Große Abmessungen aufgrund der Frequenz des Netzes 50 Hz. Dies wirkt sich auf das Gewicht der Netzteile aus, zB bei einer Ausgangsspannung von 16 V werden pro Ampere Ausgangsstrom ca. 0,5 kg Masse benötigt.
• Relativ große Verlustleistung für Wärme und dadurch geringer Wirkungsgrad.
• Spürbarer Verbrauch im Leerlauf.

Aufgrund der aufgeführten Mängel wurden sie in Ladegeräten und Computertechnik von Impulswandlern abgelöst. In ähnlichen Netzteilen Strom gelangt durch einen Filter und eine elektronische Schaltung in den Transformator in Form eines Stroms mit sehr hoher Frequenz. Als Ergebnis wird die Leistungsübertragungseffizienz dramatisch erhöht. Somit sind Netzteile nach diesem Prinzip deutlich kleiner und leichter als herkömmliche Netzteile gleicher Leistung.

Vergleicht man jedoch Leistungstransformatoren mit schaltenden Stromrichtern, dann sind erstere eine kleinere elektromagnetische Störquelle, insbesondere im Hochfrequenzbereich. Diese Eigenschaft ist wichtig für ihren Einsatz in der audiophilen Technik, in Laborgeräten und Funkgeräten.

Die Umwandlung von Strom, um ihn von einem Erzeuger zu Verbrauchern zu übertragen, ist ein sehr umfangreiches, aber bei weitem nicht das einzige Anwendungsgebiet von Transformatoren. An den unwahrscheinlichsten Orten findet man eine große Vielfalt dieser Geräte – vom Tonabnehmer und Mikrofon über ein Schweißgerät bis hin zu leistungsstarken Messgeräten. Und als Netzspannungswandler umgeben Transformatoren überall einen Menschen.