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Titel / Referat: Transformator - ein Bauelement der Elektrotechnik

Schlagwörter: Wirkungsweise, Definition, Bauweise, idealer und realer Transformator, belasteter und unbelasteter Transformator, Verwendung und Nutzen des Transformators Hausaufgabe, Referat

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Vortrag Physik

Der Transformator

Gliederung:

  1. Definition
  2. Aufbau
  3. Wirkungsweise
  4. idealer und realer Transformator
  5. belasteter und unbelasteter Transformator
  6. Verwendung und Nutzen des Transformators


1. Definition
“Ein Transformator (kurz Trafo ) ist eine elektrische Baugruppe aus zwei oder mehr Spulen auf einem gemeinsamen weichmagnetischen Eisenkern. Mit Hilfe von Transformatoren lassen sich elektrische Spannungen herauf- oder heruntertransformieren das heißt erhöhen oder verringern und damit den technischen Erfordernissen anzupassen.“


2. Aufbau

  • Primärspule (Feldspule)
  • Sekundärspule (Induktionsspule)
  • geschlossener Eisenkern (lamelliert)
  • keine elektrisch leitende Verbindung zwischen beiden Spulen
  • Unterscheidung der Transformatoren nach der Bauform in
    • Kerntransformatoren
    • Manteltransformatoren
    • Ringtransformator


3. Prinzip und Wirkungsweise

  • bei Stromdurchgang durch eine Spule erzeugte Magnetfeld > durchsetzt die andere Spule möglichst vollständig
  • Unterstützung durch Kern aus ferromagnetischem Material
  • Spulen mit Windungszahlen N1 und N2 umgreifen ein gemeinsames Magnetfeld
  • Eisenkern > Verstärkung des Magnetfeldes
  • an Primärspule Wechselspannung mit U1 > induzierte Spannung
    (= der Flussänderung durch alle N1-Windungen)
    (erzeugt ein sich ständig änderndes Magnetfeld)
  • Flussänderung induziert in Sekundärspule eine Wechselspannung (abhängig von der Windungszahl N2)
    (über geschlossenen Eisenkern > magnetisches Wechselfeld in andere Spule übertragen)
  • Verhältnis der Spannungen gleich dem Verhältnis der Windungen
  • Minuszeichen > Ausdruck der Gegenläufigkeit der Spannungen
  • nur bei Wechselstrom
    > bei Gleichstrom: keine periodische Änderung des magnetischen Flusses, deshalb keine Induktion in der Sekundärspule
  • Stromkreis mit Primärspule > Primärstromkreis mit Primärstromstärke I1
  • Stromkreis mit Sekundärspule > Sekundärstromkreis mit Sekundärstromstärke I2


Besonderheit des Eisenkernes

  • Entstehung von Wirbelströmen
  • Induktionsströme in anderen Leitern, bei verändertem umfassten Magnetfeld
  • lenzsches Gesetz: Ursache der Entstehung entgegen > würde


4. idealer und realer Transformator

idealer Transformator

  • Umwandlung von elektrischer Energie des Primärkreises in elektrische Energie des Sekundärkreises
  • im Idealfall: gesamte elektrische Energie des Primärkreises in elektrische Energie des Sekundärkreises umgewandelt
    > idealer Transformator als Modell
  • dem Primärkreis zugeführte Energie gleich der im Sekundärkreis nutzbaren Energie
    > keine Energieverluste
  • ohmscher Widerstand beider Spulen Null
  • keine Verluste im Eisenkern durch ständige Ummagnetisierung
  • im Eisenkern keine Wirbelstromverluste
  • keine Streuverluste > gesamter magnetischer Fluss durchsetzt beide Spulen in gleicher Weise


realer Transformator

  • dem Primärkreis zugeführte Energie ist größer, als die im Sekundärkreis nutzbare
    > Umwandlung eines Teils der Energie in thermische Energie
  • Entstehung von Wirbelströmen, können zur Erwärmung führen
  • Wirkungsgrad bei etwa 98% bei guten Transformatoren, abhängig von der Belastung
  • Wirkungsgrad: η= P2/P1
    > Der Wirkungsgrad des Transformators ist gleich dem Quotienten aus den Wirkleistungen P (so wie normale Leistung P=U*I) im Sekundär- und Primärstromkreis.
  • ohmscher W-ohmscher Widerstand: Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie 
    -> Wirkwiderstände iderstand: Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie 
    -> umgesetzte Leistung > Wirkleistung


Phasenverschiebung:

  • Sinuswellen passieren nicht gleichzeitig ihren Nullpunkt
  • durch kapazitive und induktive Verbraucher verursacht
  • Spule: Spannung eilt Strom voraus



5. belasteter und unbelasteter Transformator

  • unbelasteter Transformator: (siehe Powerpoint)
  • im Sekundärstromkreis fließt kein Strom
  • I2 = 0
  • kein gerät angeschlossen
  • Transformator im Leerlauf
  • Spannungsübersetzung: Spannungen U wie die Windungszahlen N der Spulen
    U1/U2=N1/N2
  • belasteter Transformator (siehe Powerpoint)
  • im Sekundärstromkreis fließt ein Strom
  • I2 > 0
  • mit Verbraucher
  • Stromstärken verhalten sich umgekehrt wie die Windungszahlen
    I1/I2=N1/N2
  • Gesetz umso besser erfüllt, je stärker die Belastung ist
  • je größer Sekundärstromstärke, umso größer Belastung des Transformators
  • am größten bei der Verbindung der Enden der Sekundärspule > Kurzschluss


unbelasteter idealer Transformator (Spannungswandler)

  • Primärspule > ständige Induktion einer Spannung, wirkt der Spannung und Spannungsquelle (nach lenzschem Gesetz) entgegen
  • Primärspule: U1=-N1*(dΦ/dt) (Induktion einer Spannung in Primärspule > wirkt ihrer Ursache entgegen > lenzsches Gesetz)
  • Sekundärspule: U2=-N2*(dΦ/dt) (Sekundärspule mit gleichem sich ändernden Magnetfeld)
    U1/U2=N1/N2
  • Beim unbelasteten Transformator verhalten sich die Spannungen annähernd wie die Windungszahlen der Spulen


Die Rückwirkung

experimentell: bei Vergrößerung de Belastung und Erhöhung der Sekundärstromstärke > Vergrößerung der Primärstromstärke

  • bezieht sich auf Beeinflussung der Primärstromstärke durch den Sekundärstromkreis
  • Ursache:
    • mit dem Sekundärstrom verbundener magnetischer Fluss im Eisenkern
    • wirkt nach lenzschem Gesetz dem primären magnetischen Fluss entgegen
    • Verringerung des Gesamtflusses im Eisenkern > kleinere Induktionsspannung in der Primärspule
    • wirkt der angelegten Spannung entgegen
    • somit Vergrößerung der Primärstromstärke


6. Verwendung und Nutzen des Transformators

  • Kernstück von Netzgeräten und Netzadaptern (Fernseher, elektrische Klingel, Zündanlagen im Kfz, Fehlstromschutzschalter, Schweißgeräte)
  • beim betrieb des Stromverbundnetzes (Hochspannungstransformatoren; so hoch transformiert > elektrische Energie mit möglichst wenig Verlusten zu Verbrauchern)
  • Netztransformatoren
  • Hochspannungstransformatoren
  • Fernleitung elektrischer Energie (Leistungstransformatoren des Energienetzes)
  • Verwendung im Bereich von einem Kilowatt: vor einem Gleichrichter
  • Verwendung im Bereich bis zu 100 Watt: Kopplung von elektronischen Schaltkreisen mit Lautsprechern in Radios, Fernsehgeräten, Stereoanlagen
  • Verwendung im Bereich von wenigen Miliwatt: UKW- Frequenzen, Hochfrequenzen und Zwischenfrequenzen miteinander zu koppeln (in Abstimm- oder Resonanzschaltungen)


Der Hochstromtransformator

  • zum Elektroschweißen
  • kleine Spannungen – sehr hohe Stromstärken (einige hundert bis tausend Ampere)
  • Sekundärspule mit wenigen Windungen dicken Drahtes
  • beim Schweißvorgang: ein Ende der Sekundärspule mit Metallgegenstand verbunden
  • anderes Ende: mit Schweißelektrode (mit Griff haltbar)
  • Schweißstelle mit Elektrode verbunden > Sekundärstromkreis geschlossen
  • sehr hohe Stromstärke > Metall an der Berührungsstelle glüht
  • beim Abheben > Lichtbogen
  • Metall der Schweißelektrode wird flüssig, tropft auf die zu verbindenden Stellen
  • beim Entfernen der Schweißelektrode: Stromkreis unterbrochen


Hochspannungstransformator

  • Benzin-Luft-Gemisch > durch Funken gezündet
  • Funkenüberschlag > an Zündkerzen sehr hohe Spannung nötig
  • durch Zündspule (Hochspannungstransformator)
  • Primärspule mit geringen Windungszahl
  • mit Unterbrecher: an Batterie angeschlossen
  • Sekundärspule an Zündkerze
  • durch Unterbrecher: Primärstromkreis laufend ein-/ausgeschaltet
  • Ausschalten: starke Änderung des Magnetfeldes
  • Induktion der in der Sekundärspule benötigten Spannung zum Zünden


Fernleitung elektrischer Energie (Netztransformatoren)

  • Generatoren mit Spannungen bis zu 20 kV
  • durch Transformatoren auf 220/380 kV hochtransformiert
  • durch Freileitungen über große Entfernungen transportiert
  • bis Hunderte Kilometer
  • Drähte: mit elektrischem Widerstand
  • umso größer, je länger die Leitung
    Leitungswiderstand > Umwandlung in thermische Energie, Erwärmung der umgebenden Luft
  • Stromstärke herabsetzen, Spannung erhöhen
  • danach: schrittweises heruntertransformieren der hohen Spannungen in der Nähe von Städten 

 

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