Der Transformator

Der Transformator
Aufbau
• Zwei Spulen liegen auf einem „Eisen-Kern“
• Der Eisen-Kern dient der Führung des
Magnetfelds
Wirkungsweise
• Zwei Spulen teilen sich den magnetischen Fluss
• „Primärspule“:
– Es liegt eine Wechselspannung an
– der Strom, und damit der magnetische Fluss, stellt
sich so ein, dass die induzierte Gegenspannung
gleich der Betriebsspannung ist
• „Sekundärspule“:
– liegt im magnetischen Fluss der Primärspule
– Der magnetische Fluss induziert eine Spannung
proportional zur Windungszahl
Selbst-Induktion an zwei Spulen
1
0
-1
0
-1
1
Selbst-Induktion an zwei Spulen
0
-1
0
-1
1
0
-1
0
1
-1
1
1
• Ein Transformator besteht aus einer
Primärspule (Feldspule) und einer
Sekundärspule (Induktionsspule).
• Ändert sich in der Primärspule der Strom
(Einschalten, Ausschalten,
Wechselstrom), so wird in der
Sekundärspule bei jeder Änderung eine
Spannung erzeugt.
• Ein gemeinsamer Eisenkern verstärkt den
Effekt.
Grundprinzip des Transformators (1)
Die Spule 1 (Primär-, Feldspule) kann ein Magnetfeld aufbauen, wenn sie von einem Strom
durchflossen wird. Dieses Magnetfeld durchsetzt auch Spule 2 (Sekundär,- Induktionsspule)
und kann in ihr eine Spannung induzieren.
(1) Ist der Schalter geöffnet, fließt kein Strom.
(2) Der Schalter wird geschlossen:
Spule 1 baut ein Magnetfeld auf; dieses
steigende Magnetfeld durchsetzt auch Spule 2.
In Spule 2 entsteht eine Induktionsspannung.
(3) Das Magnetfeld in Spule 1 ist voll aufgebaut und
ändert sich nicht mehr. In Spule 2 ändert es sich
ebenfalls nicht.
keine Induktionsspannung
(4) Der Schalter wird geöffnet.
In Spule 1 und 2 nimmt das Magnetfeld ab.
Es entsteht wieder eine Induktionsspannung.
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Grundprinzip des Transformators (2)
Ein Eisenkern in der Feldspule verstärkt
die Feldänderung.
• Beim Auf- und Abbau des Magnetfeldes werden
die Elementarmagnete im Eisenkern ausgerichtet
und verstärken so die Änderung des Gesamtfelds
der Spule.
• „Magnetfeldlinien werden gebündelt“
Dadurch ändert sich auch das Feld in Spule 2
stärker, was wiederum eine größere
Induktionsspannung ergibt.
Spule 2
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Grundprinzip des Transformators (3)
Zwei Spulen auf einem Eisenkern = Transformator
Besonders gut wird der Effekt, wenn Spule 1
und Spule 2 einen Eisenkern tragen und dieser
geschlossen wird. Die ringförmigen magnetischen
Feldlinien verlaufen dann vollständig im Eisenkern.
Eine solche Anordnung nennt man
einen Transformator.
Für einen Transformator gilt:
U1/U2 = N1 /N2 ,
Windungszahlen N
Energieübertragung:
U1 · I1 = η · U2 · I2
10
V: 2 Spulen mit N = 600
Unbelasteter Transformator
(im Sekundärkreis fließt kein Strom).
Np
Ns
Up in Volt
Us in Volt
Windungszahl der
Primärspule
Windungszahl der
Sekundärspule
Spannung an der
Primärspule
Spannung an der
Sekundärspule
300
300
5
300
600
5
300
900
5
300
1200
5
Die Spannungen verhalten sich wie die
Windungszahlen.
U1 : U 2  N1 : N 2
An den Spulen induzierte Spannungen
U1
N1
U2
N2
I1 u I2
Versuch
0
-1
0
1
-1
1
Der Transformator
F1
F1
F2
1F
1,0
2
0
0,0
1-
-0,5
t
2-
-1,0
00,1
0
0,00
2
0,25
4
6
0,50
X Axis Title
8
0,75
57,0
05,0
10
1,00
eltiT sixA X
X Axis Title
Der Transformator wird mit sinusförmigem Wechselstrom
betrieben
52,0
00,0
eltiT sixA Y
Y Axis Title
1
t
0,5
Induzierte Spannung
U1, IND
dI1
d
  L1 
 n1 
dt
dt
U 2, IND
d
 n2 
dt
U 1, IND
U 2, IND
L1
n1

n2
Änderung des magnetischen Flusses
in der Primärspule und in dieser
Spule selbstinduzierte Spannung, die
gleich der Quellenspannung ist
Induzierte Spannung in der zweiten
Spule
Die induzierten Spannungen
verhalten sich wie die
Windungszahlen
Selbstinduktivität der Primärspule
Belasteter Transformator
(im Sekundärkreis fließt Strom)
Die Leistung in der Primärspule ist gleich
der Leistung in der Sekundärspule plus
Verluste.
P1  P2  Verluste
2
Verlustleistung P=U.I=I.R.I=I .R
Für einen idealen (verlustfreien)
Transformator gilt dann etwa:
U 1  I1  U 2  I 2
oder
I1 : I 2  N 2 : N1
Die Ströme verhalten sich umgekehrt
wie die Windungszahlen.
Anwendungen:
• Hochspannungstransformator,
Hochstromtransformator (Schweißtrafo)
• Kleinspannungstrafos (Netzgeräte)
Hochspannungstransformator
2mm
230V~
600
Windungen
24000
Windungen
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Hochstromtransformator
Arbeit mit vergleichsweise geringen Spannungen:
Sekundärseitig fließt
ein großer Strom I2.
=> Reibungswärme
=> Der Nagel glüht auf
und schmilzt durch.
Solche Hochstromtransformatoren werden
beim Schweißen (U = 4 V)
oder Schmelzen von
Metallen eingesetzt.
Wasser kocht,
Metall schmilzt.
22
Hochspannungsübertragung
Verringerung der Leitungsverluste durch Hochspannung
UG = 22 kV
UL = 220 kV
UV = 220 V
PG = 110 MW
PL = 110 MW
PV = 110 MW
IG = 5000 A
IL = 500 A
IV = 500.000 A
Pth = 12,5 kW/km
Für 50km Leitungslänge: Pth = 625 kW ≈ 0,6% von PL
mit UL = 22 kV gerechnet: Pth = 62,5 MW ≈ 60% von PL
I = P/U
Leitungswiderstand: R = 0,05 Ω/km
Leitungsverlust: Pth = R ∙ I²
23
Hochspannungstransformator
n1= 600
n2 = 12000
U1 = 230V
U2 = ?
Wenn eine Wechselspannung
'hochtransformiert' werden soll,
dann muss die Sekundärspule viel
mehr Windungen aufweisen als die
Primärspule. Beim Experiment mit
den Hörnerbogen wird die
Spannung auf etwa 6 kV
hochtransformiert.
Soll auf der Sekundärseite dagegen ein
Starkstrom fließen, dann weist die
Sekundärspule nur wenige, aber sehr dicke
Windungen auf, damit der Widerstand sehr
klein ist. Die Sekundärspannung wird
herunter transformiert, im Gegenzug fließt
ein sehr großer
Sekundärstrom.(Schweißzangen,
Induktionsöfen)
Mit Hilfe von elektronischen Bauteilen ist es heute leicht möglich
Wechselstrom in Gleichstrom und umgekehrt Gleichstrom in Wechselstrom
zu wandeln.
Elektrischer Energietransport
Transformatoren sind auch
sehr bedeutsam bei Hochspannungsleitungen. Damit
kann elektrische Energie mit
geringen Verlusten über riesige
Entfernungen transportiert
werden. In einem
Modellexperiment wird die
Haushaltspannung von 230 V
an einer Seite der Übertragungsstrecke
hochtransformiert und nach
einer Strecke wieder auf 230 V
herunter transformiert.
Hochspannungsleitung
Um die üblichen Entfernungen von mehreren 100 km vom
Kraftwerk zum Kunden im Labor zu simulieren, sind im
Hochspannungsteil große Widerstände von insgesamt 4k 
eingefügt (nasse Schnur). Trotzdem betragen die
Übertragungsverluste weniger als ein Prozent. Eine
Modellrechnung verrät den Trick: Es kommt darauf an, die
Stromstärke möglichst weit herunter zu transformieren, denn
die Verlustleistung in den Hochspannungsleitungen sinkt mit
dem Quadrat des Abschwächungsfaktors. Die Hochspannung
(220 kV bzw. 380 kV) ist dabei nur die Konsequenz.
Weshalb Wechselstrom?
• Nur bei sinusförmigem Wechselstrom
– ist der zeitliche Verlauf der Spannungen in der
Primär- und Sekundärspule gleich
• denn die Sekundärspannung ist proportional zur
zeitlichen Ableitung des Stroms in der Primärspule
– Bei zeitlicher Ableitung bleibt die Sinus-Form –
bis auf eine „Phasenverschiebung“ erhalten
– Tesla und Westinghouse gegen Edison
U 1 n1

U 2 n2
Die Spannungen verhalten
sich wie die Windungszahlen