Transformateurs - Indispensables pour la transmission de puissance
Transformatoren sind in vielen Bereichen unseres täglichen Lebens zu finden und sind für die Übertragung von elektrischer Energie von einem Netz auf ein anderes unerlässlich. Doch was ist ein Transformator genau und wie funktioniert dieser eigentlich?
Was sind Transformatoren?
Der Transformator ist ein elektrotechnisches Bauelement. Dieser besteht meist aus zwei oder mehreren Wicklungsspulen und einem verbindenden Kern. Wie der Name bereits beschreibt, transformiert der Trafo, auch Spannungswandler genannt, die Eingangsspannung zur gewünschten Spannung und gibt diese aus.
Oftmals kommen Transformatoren bei Maschinen zum Einsatz welche, z.B. aufgrund des Produktionslandes, eine andere Versorgungsspannung als das heimische Netz haben.
Wie funktioniert ein Transformator?
Wird eine Wechselspannung an der Primärspule angehängt, erzeugt diese ein Magnetfeld, welches auf den Transformatorkern übertragen wird. Der wechselnde magnetische Fluss wiederum induziert auf der Sekundärseite des Transformators eine Spannung (Induktionsgesetz). Dabei entspricht das Verhältnis von Eingangs- und Ausgangsspannung dem Verhältnis der Windungsanzahlen der beiden Spulen. So wird zum Beispiel bei einem Verhältnis 1:2 eine Eingangsspannung von 230 Volt in eine Ausgangsspannung von 115 Volt transformiert. Je nach Ausführung des Transformators kann die Ausgangsspannung somit kleiner, grösser oder gleich der Eingangsspannung sein. Eine wichtige Grösse bei der Berechnung eines Transformators ist hierbei die Bemessungsleistung.
Wer hat den Spannungswandler erfunden?
Der Trafo wurde im Jahre 1875 von Pawel Nikolajewitsch Jablotschkow erfunden als er eine verbesserte Kohlebogenlampe zu entwickeln versuchte. Für den Betrieb verwendete er eine Induktionsspule, welche vom Prinzip her bereits einem Trafo ähnelte. Da er sich aber nicht mehr weiter mit diesen Geräten beschäftigte, wurde das erste Patent für Transformatoren erst 1882 den beiden Erfindern Lucien Gaulard und John Dixon Gibbs zuerkannt.
1885 wurde dann der erste Transformator, wie wir ihn heute kennen, von den drei Ungaren Károly Zipernowsky, Miksa Déri und Ottó Titusz Bláthy patentiert. Das Unternehmen Ganz & Cie aus Budapest vertrieb diesen Transformator weltweit.
Wo werden Transformatoren eingesetzt?
Transformatoren werden in vielen Bereichen eingesetzt, wie zum Beispiel in Stromnetzen, in Elektromotoren, in elektrischen Anlagen und Geräten. Auch bei der Begrenzung von Einschaltströmen und der Leerlaufspannung werden Transformatoren eingesetzt.
Trafos dienen häufig der Spannungswandlung in Energieversorgungsanlagen. Aber auch zur Versorgung von Kleinspannungen werden Transformatoren in fast allen elektrischen und elektronischen Geräten eingebaut. Der Trafo findet sich somit auch in vielen Haushaltsgeräten wie dem Radio, in Beleuchtungen oder auch dem Computer wieder.
Dabei ist die benötigte Leistung der Transformatoren sehr unterschiedlich und reicht von wenigen VA bis zu mehreren KVA, im Mittelspannungsbereich sogar bis zu mehrerer MVA. Sie benötigen einen Transformator in kundenspezifischer Spezifikation oder mit diversen Zusatzfunktionen? Bei der EHS Switzerland AG können Sie Ihren Spezialtransformator konfigurieren und bestellen.
Wie berechne ich die Leerlaufspannung eines Transformators?
Die Leerlaufspannung (auch No-Load Voltage genannt) bei Transformatoren kann mithilfe der folgenden Formel berechnet werden:
Leerlaufspannung (V) = Spannungsverhältnis (Vp/Vs) x Primärspannung (Vp)
Dabei ist das Spannungsverhältnis (Vp/Vs) das Verhältnis der Spannungen zwischen Primär- und Sekundärwicklung des Transformators. Dieses Verhältnis kann entweder auf dem Transformator selbst oder in technischen Unterlagen nachgelesen werden. Die Primärspannung (Vp) ist die Spannung, die an der Primärwicklung des Transformators anliegt.
Beispiel:
Angenommen, das Spannungsverhältnis des Transformators beträgt 10:1 und die Primärspannung beträgt 230V. Dann kann die Leerlaufspannung wie folgt berechnet werden:
Leerlaufspannung = (10:1) x 230V = 2300V
Es ist zu beachten, dass die Leerlaufspannung nur die Spannung ohne Last darstellt und die tatsächliche Spannung, die an der Sekundärwicklung des Transformators anliegt, je nach Last und anderen Faktoren variieren kann.
Wie berechne ich die Scheinleistung eines Transformators?
Die Scheinleistung ist die zum Verbraucher zugeführte Wirkleistung, inkl. der nicht nutzbaren Blindleistung. Bei einem Transformator gibt die Scheinleistung den möglichen Ausgangsstrom zur Ausgangsspannung an.
Die Scheinleistung bei Dreiphasigen Transformatoren wird wie folgt berechnet:
S = U * I * √3
S: Scheinleistung
U: Ausgangsspannung des Transformators
I: Ausgangsstrom des Transformators
√3: Verkettungsfaktor der Dreiphasigen Spannung
Beim Ausrechnen der benötigten Scheinleistung wird immer mit der Ausgangsspannung des Transformators gerechnet.
Was ist der Unterschied zwischen einem belasteten und einem unbelasteten Transformator?
Ein Transformator ist belastet, wenn der Sekundärstromkreis geschlossen ist, beziehungsweise ein Verbraucher angeschlossen wurde. Das kann z.B. eine Lampe sein, oder auch eine komplette Produktionsanlage. Ab diesem Moment gibt der Spannungswandler elektrische Energie an den Verbraucher ab.
Ist der Sekundärstromkreis offen, weil z.B. kein Verbraucher angeschlossen ist oder auch ein Schalter offen ist, so ist er unbelastet, da er keine Energie abgibt.
Transformatoren Arten
Im Wesentlichen gibt es zwei Arten von Transformatoren: Trenntransformatoren und Spartransformatoren.
Trenntransformatoren haben voneinander getrennte Wicklungsspulen. Dadurch haben die Ein- und Ausgangsspulen keine elektrische Verbindung
-> Der sekundäre Stromkreis ist galvanisch getrennt vom primären Stromkreis.
Spartransformatoren bestehen nur aus einer Spule. Der Primär- und Sekundäranschluss sind somit elektrisch verbunden. Diese Transformatoren sind gut geeignet für Spannungsanpassungen, da die Baugrösse nur auf die Spannungsdifferenz zwischen Primär- und Sekundäranschluss ausgelegt werden muss und nicht für die komplette Verbraucherleistung.
Für eine galvanische Trennung des Sekundärnetzes sind diese Transformatoren nicht geeignet.
Was passiert, wenn ein Trafo überlastet wird?
Wird ein Transformator über längere Zeit überlastet wird dieser zu heiss. Dabei kann die Isolation der Spulendrähte durchbrennen und Kurzschlüsse können entstehen.
-> Der Trafo geht kaputt.
Zum Schutz vor Überlast muss der Transformator Eingangsseitig abgesichert werden, dies kann durch einen Trafo-Schutz erreicht werden. Zusätzlich können in den Wicklungsspulen Temperaturschalter eingebaut werden.
Wie erkenne ich, ob ein Transformator defekt ist?
Im ersten Schritt muss der Transformator vom sekundären Netz getrennt werden. Anschliessend kann mit einem Multimeter die Ein- und Ausgangsspannung gemessen werden. Stimmen diese mit den Angaben auf dem Typenschild überein funktioniert der Transformator korrekt.
Wenn weder am Eingang noch am Ausgang Spannung vorhanden ist, muss die Sicherung eingeschalten werden. 😉
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