Das Gerät und das Funktionsprinzip des Transformators

Um eine elektrische Spannung einer Größe in eine elektrische Spannung einer anderen Größe umzuwandeln, also elektrische Energie umzuwandeln, verwenden Sie elektrische Transformatoren.

Ein Transformator kann nur Wechselstrom in Wechselstrom umwandeln. Um Gleichstrom zu erhalten, wird der Wechselstrom vom Transformator bei Bedarf gleichgerichtet. Zu diesem Zweck dienen sie Gleichrichter.

Auf die eine oder andere Weise funktioniert jeder Transformator (sei es ein Spannungswandler, ein Stromwandler oder ein Impulstransformator) aufgrund des Phänomens der elektromagnetischen Induktion, das sich gerade bei Wechsel- oder Impulsstrom in seiner ganzen Pracht manifestiert.

Transformatorgerät

In seiner einfachsten Form besteht ein Einphasentransformator nur aus drei Hauptteilen: einem ferromagnetischen Kern (Magnetkreis) sowie Primär- und Sekundärwicklungen. Grundsätzlich kann ein Transformator mehr als zwei Wicklungen haben, mindestens jedoch zwei davon. In manchen Fällen kann die Funktion der Sekundärwicklung durch einen Teil der Windungen der Primärwicklung übernommen werden (siehe Abb. Arten von Transformatoren), aber solche Lösungen sind im Vergleich zu den üblichen eher selten.

Der Hauptteil des Transformators ist ein ferromagnetischer Kern. Wenn der Transformator in Betrieb ist, befindet sich das sich ändernde Magnetfeld im ferromagnetischen Kern. Die Quelle des sich ändernden Magnetfelds im Transformator ist der Wechselstrom der Primärwicklung.

Sekundärwicklungsspannung des Transformators

Es ist bekannt, dass jeder elektrische Strom von einem Magnetfeld begleitet wird; Dementsprechend wird ein Wechselstrom von einem wechselnden (in Größe und Richtung ändernden) Magnetfeld begleitet.

Wenn wir also der Primärwicklung des Transformators Wechselstrom zuführen, erhalten wir ein sich änderndes Magnetfeld des Primärwicklungsstroms. Und so konzentriert sich das Magnetfeld hauptsächlich im Kern des Transformators. Dieser Kern besteht aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität, die tausendmal größer ist als die von Luft, sodass der Hauptteil des magnetischen Flusses auf die Primärwicklung entfällt genau im Kern geschlossen, nicht durch Luft.

Dadurch wird das magnetische Wechselfeld der Primärwicklung im Volumen des Transformatorkerns konzentriert, der je nach Betriebsfrequenz und Verwendungszweck eines bestimmten Transformators aus Transformatorstahl, Ferrit oder einem anderen geeigneten Material besteht.

Die Sekundärwicklung des Transformators liegt mit seiner Primärwicklung auf einem gemeinsamen Kern. Daher durchdringt das magnetische Wechselfeld der Primärwicklung auch die Windungen der Sekundärwicklung.

A Phänomen der elektromagnetischen Induktion es liegt einfach darin, dass ein zeitlich veränderliches Magnetfeld ein sich änderndes elektrisches Feld im Raum um es herum verursacht. Und da sich in diesem Raum um das sich ändernde Magnetfeld ein zweiter Spulendraht befindet, wirkt das induzierte elektrische Wechselfeld auf die Ladungsträger im Inneren dieses Drahtes.

Diese elektrische Feldwirkung verursacht bei jeder Windung der Sekundärspule eine EMF. Dadurch entsteht zwischen den Anschlüssen der Sekundärwicklung eine elektrische Wechselspannung. Wenn die Sekundärwicklung des angeschlossenen Transformators nicht belastet ist, ist der Transformator leer.

Betrieb des Transformators unter Last

Wird eine bestimmte Last an die Sekundärwicklung eines Betriebstransformators angeschlossen, entsteht durch die Last ein Strom im gesamten Sekundärkreis des Transformators.

Dieser Strom erzeugt ein eigenes Magnetfeld, das nach dem Lenzschen Gesetz eine solche Richtung hat, dass es der „Ursache, die es verursacht“ entgegenwirkt. Dies bedeutet, dass das Magnetfeld des Stroms der Sekundärwicklung zu jedem Zeitpunkt dazu neigt, das zunehmende Magnetfeld der Primärwicklung zu verringern oder das Magnetfeld der Primärwicklung zu unterstützen, wenn es abnimmt, es zeigt immer zum Magneten Feld der Primärspule.

Wenn also die Sekundärwicklung des Transformators belastet wird, entsteht in seiner Primärwicklung eine Gegen-EMK, die die Primärwicklung des Transformators dazu zwingt, mehr Strom aus dem Versorgungsnetz zu beziehen.

Transformationsfaktor

Das Windungsverhältnis der Primärwicklung N1 und der Sekundärwicklung N2 eines Transformators bestimmt das Verhältnis zwischen seinen Eingangsspannungen U1 und Ausgangs U2 und den Eingangsströmen I1 und Ausgangs I2, wenn der Transformator unter Last betrieben wird. Dieses Verhältnis heißt Übersetzungsverhältnis des Transformators:

Der Übersetzungsfaktor ist größer als eins, wenn der Transformator heruntertransformiert wird, und kleiner als eins, wenn der Transformator hochtransformiert wird.

Spannungswandler

Ein Spannungstransformator ist eine Art Abwärtstransformator, der Hochspannungskreise galvanisch von Niederspannungskreisen trennen soll.

Normalerweise bedeutet Hochspannung 6 Kilovolt oder mehr (an der Primärwicklung des Spannungswandlers) und Niederspannung bedeutet Werte in der Größenordnung von 100 Volt (an der Sekundärwicklung).

Ein solcher Transformator wird in der Regel verwendet zu Messzwecken… Es reduziert beispielsweise die Hochspannung der Stromleitung auf eine für die Messung geeignete Niederspannung und ist gleichzeitig in der Lage, die Mess-, Schutz- und Steuerkreise galvanisch vom Hochspannungskreis zu trennen. Diese Art von Transformatoren arbeitet normalerweise im Leerlaufmodus.

Als Spannungswandler kann grundsätzlich alles bezeichnet werden Leistungstransformatorzur Umwandlung elektrischer Energie verwendet.

Stromwandler

Bei einem Stromwandler ist die Primärwicklung, die meist nur aus einer Windung besteht, in Reihe mit dem Stromquellenkreis geschaltet. Bei dieser Windung kann es sich um einen Abschnitt des Stromkreiskabels handeln, an dem der Strom gemessen werden muss.

Der Draht wird einfach durch das Fenster des Transformatorkerns geführt und erhält diese einzelne Windung – die Windung der Primärwicklung. Seine vielwindende Sekundärwicklung ist mit einem Messgerät verbunden, das einen geringen Innenwiderstand aufweist.

Transformatoren dieser Art dienen zur Messung von Wechselstromwerten in Stromkreisen. Dabei sind Strom und Spannung der Sekundärwicklung proportional zum gemessenen Strom der Primärwicklung (Stromkreis).

Stromwandler werden häufig in Relaisschutzgeräten für Energiesysteme eingesetzt und weisen daher eine hohe Genauigkeit auf. Sie machen Messungen sicher, da sie den Messkreis zuverlässig galvanisch vom Primärkreis (normalerweise Hochspannung – mehrere zehn und hunderte Kilovolt) trennen.

Impulstransformator

Dieser Transformator dient zur Umwandlung einer Impulsform von Strom (Spannung). Kurze Impulse, normalerweise rechteckig, die an die Primärwicklung angelegt werden, sorgen dafür, dass der Transformator praktisch unter Übergangsbedingungen arbeitet.

Solche Transformatoren werden in Impulsspannungswandlern und anderen Impulsgeräten sowie in Differenzierungstransformatoren eingesetzt.

Die Verwendung von Impulstransformatoren ermöglicht eine Reduzierung des Gewichts und der Kosten der Geräte, in denen sie verwendet werden, allein aufgrund der höheren Umwandlungsfrequenz (zig und hundert Kilohertz) im Vergleich zu Netzwerktransformatoren, die mit einer Frequenz von 50–60 Hz arbeiten. Rechteckimpulse, deren Anstiegszeit viel kürzer ist als die Impulsdauer selbst, werden in der Regel mit geringer Verzerrung transformiert.