Transformatorenkonstruktion

Dieser magnetische Kreis, der allgemein als „Transformatorkern“ bezeichnet wird, ist so konstruiert, dass er einen Pfad für den Fluss des Magnetfelds bereitstellt, der für die Induktion der Spannung zwischen den beiden Wicklungen erforderlich ist.

Diese Art der Transformatorenkonstruktion, bei der die beiden Wicklungen auf getrennte Schenkel gewickelt sind, ist jedoch nicht sehr effizient, da die Primär- und Sekundärwicklungen weit voneinander entfernt sind. Dies führt zu einer geringen magnetischen Kopplung zwischen den beiden Wicklungen sowie zu großen Mengen magnetischen Streuflusses aus dem Transformator selbst. Neben dieser „O“-Konstruktion gibt es verschiedene Arten von „Transformatorenkonstruktionen“ und Designs, mit denen diese Ineffizienzen überwunden werden können, so dass ein kleinerer, kompakterer Transformator entsteht.

Der Wirkungsgrad einer einfachen Transformatorenkonstruktion kann verbessert werden, indem die beiden Wicklungen in engen Kontakt zueinander gebracht werden, wodurch die magnetische Kopplung verbessert wird. Die Vergrößerung und Konzentration des magnetischen Kreises um die Spulen kann die magnetische Kopplung zwischen den beiden Wicklungen verbessern, hat aber auch den Effekt, die magnetischen Verluste des Transformatorkerns zu erhöhen.

Der Kern bietet nicht nur einen Pfad mit geringem Widerstand für das Magnetfeld, sondern ist auch so konstruiert, dass er zirkulierende elektrische Ströme im Eisenkern selbst verhindert. Zirkulierende Ströme, so genannte „Wirbelströme“, führen zu Erwärmung und Energieverlusten im Kern, die den Wirkungsgrad des Transformators verringern.

Diese Verluste sind hauptsächlich auf Spannungen zurückzuführen, die im Eisenkreis induziert werden, der ständig den von der externen sinusförmigen Versorgungsspannung aufgebauten magnetischen Wechselfeldern ausgesetzt ist. Eine Möglichkeit, diese unerwünschten Leistungsverluste zu verringern, ist die Konstruktion des Transformatorkerns aus dünnen Stahlblechen.

Bei allen Arten von Transformatoren besteht der zentrale Eisenkern aus einem hochpermeablen Material, das aus dünnen Siliziumstahlblechen hergestellt wird. Diese dünnen Bleche werden so zusammengesetzt, dass der erforderliche magnetische Pfad mit einem Minimum an magnetischen Verlusten entsteht. Der spezifische Widerstand des Stahlblechs selbst ist hoch, so dass Wirbelstromverluste reduziert werden, indem die Bleche sehr dünn sind.

Die Dicke dieser Stahltransformatorbleche variiert zwischen 0,25 mm und 0,5 mm, und da Stahl ein Leiter ist, sind die Bleche und alle Befestigungsbolzen, Nieten oder Schrauben durch eine sehr dünne Beschichtung mit Isolierlack oder durch die Verwendung einer Oxidschicht auf der Oberfläche elektrisch voneinander isoliert.

Transformatorkonstruktion des Kerns

Gemeinsam hängt die Bezeichnung der Konstruktion eines Transformators davon ab, wie die Primär- und Sekundärwicklungen um den zentralen Stahlblechkern gewickelt sind. Die beiden gebräuchlichsten und grundlegendsten Bauformen von Transformatoren sind der Transformator mit geschlossenem Kern und der Schalentransformator.

Beim Transformator mit „geschlossenem Kern“ (Kernform) sind die Primär- und Sekundärwicklungen außen um den Kernring gewickelt. Beim „Schalentransformator“ (Schalenform) verlaufen die Primär- und Sekundärwicklungen innerhalb des magnetischen Stahlkreises (Kern), der eine Schale um die Wicklungen bildet, wie unten dargestellt.

Transformatorkernkonstruktion

Bei beiden Arten der Transformatorkernkonstruktion verläuft der magnetische Fluss, der die Primär- und Sekundärwicklungen verbindet, vollständig innerhalb des Kerns, ohne Verlust des magnetischen Flusses durch Luft. Die Spulen sind nicht so angeordnet, dass die Primärwicklung auf einem Schenkel und die Sekundärwicklung auf dem anderen liegt, sondern die Hälfte der Primärwicklung und die Hälfte der Sekundärwicklung sind konzentrisch übereinander auf jedem Schenkel angeordnet, um die magnetische Kopplung zu erhöhen, so dass praktisch alle magnetischen Kraftlinien gleichzeitig durch die Primär- und die Sekundärwicklung verlaufen. Bei dieser Art von Transformatorenkonstruktion fließt jedoch ein kleiner Prozentsatz der magnetischen Kraftlinien außerhalb des Kerns, was als „Streufluss“ bezeichnet wird.

Transformatorkerne in Schalenbauweise überwinden diesen Streufluss, da sowohl die Primär- als auch die Sekundärwicklungen auf denselben mittleren Schenkel gewickelt sind, der die doppelte Querschnittsfläche der beiden äußeren Schenkel aufweist. Dies hat den Vorteil, dass der magnetische Fluss zwei geschlossene magnetische Pfade hat, um außerhalb der Spulen auf der linken und rechten Seite zu fließen, bevor er zu den zentralen Spulen zurückkehrt.

Das bedeutet, dass der magnetische Fluss, der um die äußeren Schenkel dieser Art von Transformatorenkonstruktion zirkuliert, gleich Φ/2 ist. Da der magnetische Fluss einen geschlossenen Weg um die Spulen hat, hat dies den Vorteil, dass die Kernverluste sinken und der Gesamtwirkungsgrad steigt.

Transformator-Schichtungen

Aber vielleicht fragen Sie sich, wie die Primär- und Sekundärwicklungen um diese geschichteten Eisen- oder Stahlkerne für diese Art von Transformatorenkonstruktionen gewickelt werden. Die Spulen werden zunächst auf einen Spulenkörper gewickelt, der einen zylindrischen, rechteckigen oder ovalen Querschnitt hat, der der Konstruktion des Blechkerns entspricht. Sowohl bei den Schalen- als auch bei den Kerntransformatorenkonstruktionen werden zur Montage der Spulenwicklungen die einzelnen Bleche aus größeren Stahlblechen ausgestanzt oder gestanzt und zu Streifen aus dünnem Stahl geformt, die den Buchstaben „E“, „L“, „U“ und „I“ ähneln, wie unten dargestellt.

Transformatorenkerntypen

Diese Blechstanzteile bilden, wenn sie miteinander verbunden sind, die erforderliche Kernform. So ergeben beispielsweise zwei „E“-Stanzteile plus zwei endständige „I“-Stanzteile einen E-I-Kern, der ein Element eines Standard-Transformatorenkerns in Schalenform bildet. Diese einzelnen Bleche werden bei der Konstruktion des Transformators eng aneinander gestoßen, um die Reluktanz des Luftspalts an den Verbindungsstellen zu verringern und eine hochgesättigte magnetische Flussdichte zu erzeugen.

Transformatorkernbleche werden in der Regel abwechselnd aufeinander gestapelt, um eine überlappende Verbindung zu erzeugen, wobei weitere Blechpaare hinzugefügt werden, um die richtige Kerndicke zu erreichen. Diese abwechselnde Stapelung der Bleche bietet dem Transformator auch den Vorteil, dass Streufluss und Eisenverluste reduziert werden. Die Konstruktion von E-I-Kern-Lamellen-Transformatoren wird vor allem in Trenntransformatoren, Aufwärts- und Abwärtstransformatoren sowie Spartransformatoren verwendet.

Transformatorwicklungsanordnungen

Transformatorwicklungen sind ein weiterer wichtiger Teil einer Transformatorenkonstruktion, da sie die wichtigsten stromführenden Leiter sind, die um die Lamellenabschnitte des Kerns gewickelt sind. In einem einphasigen Transformator mit zwei Wicklungen sind zwei Wicklungen vorhanden, wie dargestellt. Diejenige, die mit der Spannungsquelle verbunden ist und den magnetischen Fluss erzeugt, wird als Primärwicklung bezeichnet, und die zweite Wicklung als Sekundärwicklung, in der durch gegenseitige Induktion eine Spannung induziert wird.

Ist die sekundäre Ausgangsspannung geringer als die primäre Eingangsspannung, wird der Transformator als „Abspanntransformator“ bezeichnet. Ist die sekundäre Ausgangsspannung größer als die primäre Eingangsspannung, wird er als „Aufwärtstransformator“ bezeichnet.

Die Art des Drahtes, der als stromführender Hauptleiter in einer Transformatorwicklung verwendet wird, ist entweder Kupfer oder Aluminium. Aluminiumdraht ist zwar leichter und im Allgemeinen preiswerter als Kupferdraht, doch muss eine größere Querschnittsfläche des Leiters verwendet werden, um die gleiche Strommenge wie bei Kupfer zu übertragen, so dass er hauptsächlich in größeren Leistungstransformatoren eingesetzt wird.

Kleine kVA-Leistungs- und Spannungstransformatoren, die in elektrischen und elektronischen Niederspannungsstromkreisen eingesetzt werden, verwenden in der Regel Kupferleiter, da diese eine höhere mechanische Festigkeit und eine geringere Leitergröße haben als entsprechende Aluminiumtypen. Der Nachteil ist, dass diese Transformatoren mit ihrem Kern viel schwerer sind.

Transformatorwicklungen und -spulen können grob in konzentrische Spulen und Sandwichspulen unterteilt werden. Bei der Kerntransformatorenkonstruktion sind die Wicklungen in der Regel konzentrisch um den Kernschenkel angeordnet, wie oben gezeigt, wobei die Primärwicklung mit höherer Spannung über die Sekundärwicklung mit niedrigerer Spannung gewickelt wird.

Sandwich- oder „Pfannkuchen“-Spulen bestehen aus flachen Leitern, die spiralförmig gewickelt sind, und werden aufgrund der Anordnung der Leiter in Scheiben so genannt. Die abwechselnd angeordneten Scheiben werden spiralförmig von außen nach innen gewickelt, wobei die einzelnen Spulen übereinander gestapelt und durch isolierende Materialien wie Papier oder Plastikfolie voneinander getrennt sind. Sandwich-Spulen und -Wicklungen sind häufiger bei Kernkonstruktionen in Schalenbauweise anzutreffen.

Helical Windings, auch bekannt als Schraubenwicklungen, sind eine weitere sehr häufig verwendete zylindrische Spulenanordnung bei Niederspannungs-Hochstromtransformatoren. Die Wicklungen bestehen aus rechteckigen Leitern mit großem Querschnitt, die auf der Seite gewickelt sind, wobei die isolierten Litzen parallel und kontinuierlich über die Länge des Zylinders gewickelt sind, wobei zwischen benachbarten Windungen oder Scheiben geeignete Abstandshalter eingefügt sind, um die Zirkulationsströme zwischen den parallelen Litzen zu minimieren. Die Spule verläuft nach außen wie eine Spirale, die der eines Korkenziehers ähnelt.

Die Isolierung, die verwendet wird, um einen Kurzschluss der Leiter in einem Transformator zu verhindern, ist bei luftgekühlten Transformatoren normalerweise eine dünne Lack- oder Emailschicht. Dieser dünne Lack wird auf den Draht gestrichen, bevor er um den Kern gewickelt wird.

In größeren Leistungs- und Verteilungstransformatoren werden die Leiter mit ölgetränktem Papier oder Stoff voneinander isoliert. Der gesamte Kern und die Wicklungen werden in einen Schutzbehälter mit Transformatorenöl getaucht und versiegelt. Das Transformatorenöl wirkt als Isolator und auch als Kühlmittel.

Transformatorpunktausrichtung

Wir können nicht einfach einen laminierten Kern nehmen und eine der Spulenkonfigurationen darum wickeln. Wir könnten es tun, aber wir könnten feststellen, dass die Sekundärspannung und der Sekundärstrom nicht in Phase mit der Primärspannung und dem Primärstrom sind. Die beiden Spulenwicklungen haben eine eindeutige Ausrichtung der einen gegenüber der anderen. Jede Spule kann im oder gegen den Uhrzeigersinn um den Kern gewickelt sein. Um die relative Ausrichtung der beiden Spulen zu erkennen, werden „Punkte“ verwendet, um ein bestimmtes Ende jeder Wicklung zu kennzeichnen.

Diese Methode zur Kennzeichnung der Ausrichtung oder Richtung der Wicklungen eines Transformators wird als „Punktkonvention“ bezeichnet. Dann werden die Wicklungen eines Transformators so gewickelt, dass die richtigen Phasenbeziehungen zwischen den Wicklungsspannungen bestehen, wobei die Polarität des Transformators als die relative Polarität der Sekundärspannung in Bezug auf die Primärspannung definiert ist, wie unten gezeigt.

Transformatorenkonstruktion mit Punktorientierung

Der erste Transformator zeigt seine beiden „Punkte“ nebeneinander auf den beiden Wicklungen. Der Strom, der den sekundären Punkt verlässt, ist „gleichphasig“ mit dem Strom, der in den primärseitigen Punkt eintritt. Wenn also die Spannung am gepunkteten Ende der Primärspule positiv ist, ist auch die Spannung an der Sekundärspule am gepunkteten Ende positiv.

Der zweite Transformator zeigt die beiden Punkte an den gegenüberliegenden Enden der Wicklungen, was bedeutet, dass die Primär- und Sekundärspulen des Transformators in entgegengesetzter Richtung gewickelt sind. Dies hat zur Folge, dass der Strom, der den sekundären Punkt verlässt, um 180o „phasenverschoben“ ist mit dem Strom, der in den primären Punkt eintritt. Die Polaritäten der Spannungen an den gepunkteten Enden sind also ebenfalls phasenverschoben, so dass bei einer positiven Spannung am gepunkteten Ende der Primärspule die Spannung an der entsprechenden Sekundärspule negativ ist.

Die Konstruktion eines Transformators kann so beschaffen sein, dass die Sekundärspannung in Bezug auf die Primärspannung entweder „gleichphasig“ oder „phasenverschoben“ sein kann. Bei Transformatoren mit mehreren verschiedenen Sekundärwicklungen, von denen jede elektrisch voneinander isoliert ist, ist es wichtig, die Punktpolarität der Sekundärwicklungen zu kennen, damit sie in Reihenschaltung (die Sekundärspannung wird summiert) oder in Gegenreihenschaltung (die Sekundärspannung ist die Differenz) zusammengeschaltet werden können.

Die Möglichkeit, das Windungsverhältnis eines Transformators einzustellen, ist oft wünschenswert, um die Auswirkungen von Schwankungen der primären Versorgungsspannung, die Regelung des Transformators oder wechselnde Lastbedingungen zu kompensieren. Die Spannungsregelung des Transformators erfolgt im Allgemeinen durch Änderung des Windungsverhältnisses und damit des Spannungsverhältnisses, wobei ein Teil der Primärwicklung auf der Hochspannungsseite angezapft wird, was eine einfache Einstellung ermöglicht. Die Anzapfung wird vorzugsweise auf der Hochspannungsseite vorgenommen, da die Spannungen pro Windung niedriger sind als auf der Niederspannungssekundärseite.

Transformator Primäranzapfungsänderungen

In diesem einfachen Beispiel werden die Primäranzapfungsänderungen für eine Versorgungsspannungsänderung von ±5% berechnet, es kann jedoch jeder beliebige Wert gewählt werden. Einige Transformatoren können zwei oder mehr Primär- oder zwei oder mehr Sekundärwicklungen für verschiedene Anwendungen haben, die unterschiedliche Spannungen aus einem einzigen Kern liefern.

Transformatorkernverluste

Die Fähigkeit von Eisen oder Stahl, den magnetischen Fluss zu leiten, ist viel größer als in Luft, und diese Fähigkeit, den magnetischen Fluss fließen zu lassen, wird Permeabilität genannt. Die meisten Transformatorkerne werden aus kohlenstoffarmen Stählen hergestellt, die Permeabilitäten in der Größenordnung von 1500 aufweisen können, verglichen mit nur 1,0 für Luft.

Das bedeutet, dass ein Stahlblechkern einen magnetischen Fluss 1500-mal besser leiten kann als der von Luft. Wenn jedoch ein magnetischer Fluss in einem Stahlkern eines Transformators fließt, treten zwei Arten von Verlusten im Stahl auf. Die eine wird als „Wirbelstromverluste“ und die andere als „Hystereseverluste“ bezeichnet.

Hystereseverluste

Transformator-Hystereseverluste werden durch die Reibung der Moleküle gegen den Fluss der magnetischen Kraftlinien verursacht, die zur Magnetisierung des Kerns erforderlich sind und deren Wert und Richtung sich unter dem Einfluss der sinusförmigen Versorgungsspannung ständig erst in die eine und dann in die andere Richtung ändern.

Diese molekulare Reibung führt zu einer Wärmeentwicklung, die einen Energieverlust für den Transformator darstellt. Ein übermäßiger Wärmeverlust kann die Lebensdauer der bei der Herstellung der Wicklungen und Strukturen verwendeten Isoliermaterialien mit der Zeit verkürzen. Daher ist die Kühlung eines Transformators wichtig.

Außerdem sind Transformatoren für den Betrieb mit einer bestimmten Netzfrequenz ausgelegt. Eine Verringerung der Netzfrequenz führt zu einer erhöhten Hysterese und einer höheren Temperatur im Eisenkern. Eine Verringerung der Netzfrequenz von 60 Hertz auf 50 Hertz erhöht also die Hysterese und verringert die VA-Kapazität des Transformators.

Wirbelstromverluste

Wirbelstromverluste bei Transformatoren werden dagegen durch den Fluss von Umlaufströmen verursacht, die durch den magnetischen Fluss um den Kern in den Stahl induziert werden. Diese zirkulierenden Ströme werden dadurch erzeugt, dass sich der Kern gegenüber dem magnetischen Fluss wie eine einzelne Drahtschleife verhält. Da der Eisenkern ein guter Leiter ist, sind die von einem massiven Eisenkern induzierten Wirbelströme groß.

Die Wirbelströme tragen nicht zum Nutzen des Transformators bei, sondern wirken dem Fluss des induzierten Stroms entgegen, indem sie wie eine negative Kraft wirken, die eine Widerstandserwärmung und einen Leistungsverlust im Kern erzeugt.

Laminierung des Eisenkerns

Wirbelstromverluste in einem Transformatorkern lassen sich zwar nicht vollständig beseitigen, aber sie können durch Verringerung der Dicke des Stahlkerns stark reduziert und kontrolliert werden. Anstelle eines großen massiven Eisenkerns als magnetisches Kernmaterial des Transformators oder der Spule wird der magnetische Pfad in viele dünne gepresste Stahlformen aufgeteilt, die als „Bleche“ bezeichnet werden.

Die in einer Transformatorenkonstruktion verwendeten Bleche sind sehr dünne Streifen isolierten Metalls, die miteinander verbunden sind, um einen festen, aber geschichteten Kern zu erzeugen, wie wir oben gesehen haben. Diese Lamellen sind durch eine Lack- oder Papierschicht voneinander isoliert, um den effektiven Widerstand des Kerns zu erhöhen und dadurch den Gesamtwiderstand zu erhöhen, um den Fluss der Wirbelströme zu begrenzen.

Das Ergebnis dieser Isolierung ist, dass der unerwünschte induzierte Wirbelstromverlust im Kern stark reduziert wird, und aus diesem Grund ist der magnetische Eisenkreis eines jeden Transformators und anderer elektromagnetischer Maschinen alle laminiert. Die Verwendung von Blechen in einer Transformatorenkonstruktion verringert die Wirbelstromverluste.

Die Energieverluste, die sowohl durch Hysterese als auch durch Wirbelströme im magnetischen Pfad als Wärme auftreten, werden allgemein als „Transformatorkernverluste“ bezeichnet. Diese Verluste treten in allen magnetischen Materialien als Folge von magnetischen Wechselfeldern auf. Trafokernverluste sind in einem Transformator immer vorhanden, wenn die Primärwicklung unter Spannung steht, auch wenn keine Last an die Sekundärwicklung angeschlossen ist. Auch diese Hysterese- und Wirbelstromverluste werden manchmal als „Transformator-Eisenverluste“ bezeichnet, da der magnetische Fluss, der diese Verluste verursacht, bei allen Lasten konstant ist.

Kupferverluste

Aber es gibt noch eine andere Art von Energieverlusten bei Transformatoren, die „Kupferverluste“. Kupferverluste bei Transformatoren sind hauptsächlich auf den elektrischen Widerstand der Primär- und Sekundärwicklungen zurückzuführen. Die meisten Transformatorspulen bestehen aus Kupferdraht, der einen Widerstand in Ohm ( Ω ) hat. Dieser Widerstand steht den durch sie fließenden Magnetisierungsströmen entgegen.

Wenn eine Last an die Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen ist, fließen sowohl in der Primär- als auch in der Sekundärwicklung große elektrische Ströme, und elektrische Energie und Leistung (oder I2 R) gehen in Form von Wärme verloren. Im Allgemeinen variieren die Kupferverluste mit dem Laststrom, wobei sie bei Nulllast nahezu Null sind und bei Volllast, wenn der Stromfluss am höchsten ist, ein Maximum erreichen.

Die VA-Nennleistung eines Transformators kann durch eine bessere Konstruktion und den Bau des Transformators erhöht werden, um diese Kern- und Kupferverluste zu verringern. Transformatoren mit hohen Spannungs- und Stromwerten erfordern Leiter mit großem Querschnitt, um die Kupferverluste zu minimieren. Die Erhöhung der Wärmeableitungsrate (bessere Kühlung) durch Druckluft oder Öl oder durch Verbesserung der Isolierung des Transformators, so dass er höheren Temperaturen standhält, kann ebenfalls die VA-Bewertung eines Transformators erhöhen.

Dann können wir einen idealen Transformator so definieren, dass er Folgendes aufweist:

• Keine Hystereseschleifen oder Hystereseverluste → 0
• Unendlicher Widerstand des Kernmaterials, so dass keine Wirbelstromverluste auftreten → 0
• Null Wicklungswiderstand, so dass keine I2*R-Kupferverluste auftreten → 0

Im nächsten Lehrgang über Transformatoren werden wir die Belastung der Sekundärwicklung durch eine elektrische Last betrachten und die Auswirkungen einer „NO-Last“ und ein „EIN-Last“ angeschlossener Transformator auf den Strom der Primärwicklung hat.