Bei der Übertragung von elektrischer Leistung über lange Distanzen ist es von Vorteil, eine möglichst hohe Netzspannung zu gewährleisten. Wenn der Trafo nur 10 GradC kühler läuft, verdoppelt sich seine Haltbarkeit.
Ob es nun am Trafo liegt, läßt sich folgendermaßen feststellen: Man klemmt auf der Sekundärseite alles ab, was dranhängt und mißt erstmal die Leerlaufspannung.
Wenn man den Transformator nicht als Blackbox betrachten will, sondern seine Rückwirkungen auf elektrische Netzwerke berücksichtigen muß, ist das Ersatzschaltbild das richtige Hilfsmittel.
Weil auf der Sekundärseite allerdings kein Strom fließt, spricht du auch von einem unbelasteten Transformator.
Fließt auf der Ausgangsseite ein Strom, kannst du das Verhältnis der Ströme (IP und IS) dem Verhältnis der Windungen (NP und NS) gegenüber stellen.
Kühlungs- und Isolationsmedien
Ein Transformator wandelt eine Eingangswechselspannung, die an einer der Spulen angelegt ist, in eine Ausgangswechselspannung um, die an der anderen Spule abgegriffen werden kann.
Natürlich, Trafos haben eine Temperaturklasse und halten bei der Temperatur dann im Schnitt 10 Jahre.
Wenn du mehr über die Induktion und ihre genaue Funktionsweise wissen willst, schau gerne in unserem Video dazu vorbei!
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Infolge der Induktion entsteht in ihr dann eine Wechselspannung. Meistens sind die Wicklungen konzentrisch um den Kern angeordnet. Das Prinzip nennst du Induktion.
Transformatoren findest du hauptsächlich in Energieversorgungsanlagen, aber auch in technischen Geräten, wie zum Beispiel bei Netzteilen.
(00:32)
Ein Transformator (Trafo) besteht grundsätzlich aus zwei oder mehr Spulen aus isoliertem Kupferdraht und einem gemeinsamen Eisenkern.
Die Windungen auf jeder Seite bilden Wicklungen, die meistens nicht elektrisch miteinander verbunden sind (Ausnahme: Spartransformator). Die Leiter jeder Wicklung sind über das Magnetfeld, das den Kern durchflutet verkoppelt. das Produkt $U \cdot I$ bleibt gleich
!
Transformatoren funktionieren nur mit Wechselstrom, da sich das Magnetfeld ändern muss.
Sie dienen für gewöhnlich der Ein- oder Auskopplung von Signalen in elektrische Schaltungen.
Theoretisch kann man den Verbrauch der LED Lampen einfach addieren, um zu erfahren wieviel Watt der Trafo mindestens benötigt. Das Funktionsprinzip im Detail
Bild K.4: Einphasentransformator mit Wicklungen im Schnitt und Stromflußrichtungen
Wie man aus der obigen Abbildung entnehmen kann erzeugen Primär- und Sekundärwicklung Felder in unterschiedliche Richtungen.
Daher kann ein Transformator nur mit Wechselstrom funktionieren.
Um den Leerlaufstrom klein zu halten müßte der Transformator dann aus vielen sehr großen Drahtschleifen bestehen, die wiederum beträchtliche ohmsche Verluste erzeugen.
Bauweise
Aufteilung der Transformatoren in verschiedene Klassen
Transformatoren lassen sich abhängig von der Betrachtungsweise in verschiedene Gruppen aufteilen.
Dabei kann ein Transformator auch mehreren Gruppen gleichzeitig angehören:
Aus dem Durchflutungssatz läßt sich folgern, daß die magnetische Durchflutung entlang des Kerns 0 ist und er daher kein Feld enthält.
Mit ihm ist es möglich, eine Spannung in eine höhere oder niedrigere Spannung zu umzuwandeln. Die Leuchtdioden als Leuchtmittel sparen im Vergleich zu gewöhnlichen Glühlampen viel Energie und somit Stromkosten.
Das Magnetfeld im Kern nimmt mit steigender Belastung des Transformators nicht zu, weil der Strom in der Sekundärwicklung durch Induktion ein Gegenfeld zu dem belastungsabhängigen Strom auf der Primärseite aufbaut.
Daher wird wie oben beschrieben immer nur das Feld des Leerlaufstroms mit den entsprechenden Verlusten im Kern erzeugt.
Die Umwandlung in eine solche Spannung übernimmt ein Transformator.
Für die Geräte beim Endverbraucher ist eine so hohe Spannung allerdings nicht wirklich nutzbar, deswegen werden hier dann ebenfalls Transformatoren eingesetzt. Das bedeutet also:
1.) Anzahl der Sekundärwicklungen
Für die Berechnung der Sekundärwicklungen bietet es sich in diesem Fall an, den Zusammenhang zwischen Wicklungsanzahl und Spannung zu nutzen:
Da in diesem Fall die Anzahl der Sekundärwicklungen unbekannt ist, muss nach NS umgestellt werden.
Der Hauptunterschied ist die Umwandlung der Spannung mit oder ohne Verluste:
Andererseits kannst du auch zwischen einem unbelasteten oder belasteten Transformator unterscheiden, je nach dem, ob auf der Sekundärseite ein Strom fließt:
Bei einem idealen Transformator ist das Verhältnis der Wicklungszahlen der Primär- (NP) und Sekundärspule (NS) gleich dem Verhältnis der Eingangsspannung UP und Ausgangsspannung US.
Somit hängt die Spannung der Sekundärseite von der Spannung der Primärseite ab.
Spezialformen:
Du kannst für die Leistung an der Sekundärspule sagen, dass sie der Primärleistung multipliziert mit dem Wirkungsgrad entspricht:
Außerdem kannst du erkennen, dass beim Umwandeln neben elektrischer Leistung noch Verlustleistung entsteht.
Transformatoren spielen vor allem beim Energietransport vom Kraftwerk zum Endverbraucher eine wichtige Rolle.
Formel T.2: Wirkungsgrad einer Leitungsstrecke für die Energieübertragung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung
Bei dem Verbraucher muß die Spannung dann wieder heruntertransformiert werden, weil der Isolationsaufwand dort sonst zu hoch wäre. An der Primärseite des Transformators wird die Eingangsspannung angelegt.
... Dadurch kann der Transformator Energie übertragen. Dort kann somit die Ausgangsspannung US entnommen werden.
Das Wicklungsverhältnis der beiden Spulen (NPrimär und NSekundär) ist dabei ausschlaggebend, ob die Ausgangsspannung größer, beziehungsweise kleiner als die Eingangsspannung ist.
Achtung! Da eine Gleichspannung kein sich ständig änderndes Magnetfeld hervorruft, funktioniert ein Transformator ausschließlich mit Wechselspannung.
Verwendungszweck:
Der Transformator hat eine Primär- und eine Sekundärseite, die jeweils über eine ihrer Bemessungsspannung entsprechenden Anzahl an Windungen mit dem magnetischen Fluß durch seinen Kern verkettet sind.
Für NS ergibt sich demnach:
Wenn du nun noch die Werte aus der Aufgabenstellung einsetzt, ergibt sich für die Anzahl der Sekundärwicklungen:
2.) Primär- und Sekundärstrom
Beim zweiten Teil der Aufgabe müssen Primär- und Sekundärstrom, also IP und IS, ermittelt werden.