Transformatoren sind die bekanntesten Geräte in Energiesystemen. Sie sind groß, markant, im Prinzip einfach, erfordern aber viel Pflege und wirken dadurch deutlich massiver als „Kabel“. Im Stromnetzdiagramm dienen Transformatoren als Backbone-Knoten, während andere Geräte als deren Verbindungen dienen.

In diesem Artikel werden die Komponenten, Prinzipien, Funktionen, Klassifizierungen und Anwendungsszenarien von Transformatoren vorgestellt.

1.Zusammensetzung eines Transformators

Ein Transformator besteht im Wesentlichen aus einem Kern und Wicklungen.

Der Kern dient als Magnetkreispfad des Transformators, während die Wicklungen den Teil des Stromkreises darstellen und durch das Aufwickeln einer bestimmten Anzahl von Windungen aus emailliertem Draht hergestellt werden.

Die an die Stromquelle angeschlossene Wicklung wird als Primärwicklung, auch Primärspule genannt, bezeichnet. Die mit der Last verbundene Wicklung wird Sekundärwicklung, auch Sekundärspule oder sekundärseitige Wicklung genannt.

Die Grundformen von Kernstrukturen sind der herzförmige Kerntyp und der Schalentyp.

• Herzförmiger Kerntransformator

Die Säulen eines Kerntransformators-sind von Wicklungen umgeben. Vereinfacht gesagt umschließen die Wicklungen den Kern, was die Struktur relativ einfach macht und einfacher zu montieren und zu isolieren ist, weshalb Transformatoren häufig eine Struktur vom Typ Kern- verwenden.

• Transformator vom Typ Shell-

Bei einem Manteltransformator-umgibt der Kern die Wicklung. Manteltransformatoren vom --Typ haben eine hohe mechanische Festigkeit und hervorstehende Ecken, ihr Herstellungsprozess ist jedoch komplex und erfordert mehr Materialien. Sie werden normalerweise nur in Transformatoren mit niedriger{4}Spannung, hohem{5}Strom oder Leistungstransformatoren mit kleiner{6}Kapazität verwendet.

2.Grundlegendes Funktionsprinzip eines Transformators

Ein Transformator funktioniert nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion.

Wenn an beide Enden der Primärwicklung ein geeignetes Wechselstromnetzteil angeschlossen wird, entsteht unter der Einwirkung der Versorgungsspannung u₁, ein Wechselstrom i₀ fließt durch die Primärwicklung und erzeugt eine magnetomotorische Kraft in der Primärwicklung. Dadurch wird im Kern ein magnetischer Wechselfluss ϕ angeregt. Dieser Wechselfluss ϕ verbindet sowohl die Primär- als auch die Sekundärwicklung. Nach dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion werden induzierte elektromotorische Kräfte, z₁und E₂werden jeweils in der Primär- und Sekundärwicklung erzeugt. Unter dem Einfluss der induzierten elektromotorischen Kraft z₂, die Sekundärwicklung kann die Last mit Strom versorgen und so eine Energieübertragung erreichen.

Das Verhältnis der induzierten elektromotorischen Kräfte in der Primär- und Sekundärwicklung ist gleich dem Verhältnis der Windungszahlen in der Primär- und Sekundärwicklung. Die Größe der induzierten elektromotorischen Kraft e₁auf der Primärseite liegt nahe der angelegten Spannung u₁auf der Primärseite, während die Größe der induzierten elektromotorischen Kraft e₂auf der Sekundärseite liegt nahe der Ausgangsspannung u₂auf der Sekundärseite.

Durch einfaches ein- oder zweimaliges Ändern der Windungszahl der Primär- oder Sekundärwicklung kann daher die Ausgangsspannung u₂kann angepasst werden. Dies ist das grundlegende Funktionsprinzip eines Transformators, der das Prinzip der elektromagnetischen Induktion nutzt, um eine Wechselstromquelle mit einem Spannungsniveau in eine Wechselstromquelle mit derselben Frequenz, aber einem anderen Spannungsniveau umzuwandeln.

2.Grundfunktionen eines Transformators

Zu den Grundfunktionen eines Transformators gehören Spannungswandlung, Stromwandlung, Impedanzwandlung, Isolierung und Spannungsregelung.

Spannungstransformation: Transformatoren können die Spannung von Wechselstrom erhöhen oder verringern, um unterschiedlichen Stromanforderungen gerecht zu werden. Beispielsweise wird ein Aufwärtstransformator verwendet, um die Spannung eines Kraftwerks zu erhöhen, um den Energieverlust während der Übertragung zu reduzieren, während ein Abwärtstransformator verwendet wird, um die Hochspannung auf eine sichere Betriebsspannung abzusenken.

Stromtransformation: Durch die Änderung der Spannung verändert ein Transformator entsprechend auch den Strom. Nach dem Energieerhaltungssatz nimmt der Strom ab, wenn die Spannung steigt und umgekehrt. Aufgrund dieser Eigenschaft sind Transformatoren bei der Stromübertragung sehr wichtig, da sie Stromlasten effektiv verwalten können.

Impedanztransformation: Transformatoren können die Impedanz eines Stromkreises ändern und ihn so für verschiedene Lastbedingungen besser geeignet machen. Dies ist besonders wichtig bei Audiogeräten und anderen elektronischen Geräten, da es die Effizienz der Signalübertragung verbessern kann.

Isolierung: Transformatoren können eine elektrische Isolierung bieten und so die Sicherheit von Geräten und Benutzern schützen. Diese Isolierung kann verhindern, dass Hochspannung Niederspannungsgeräte beschädigt, und gewährleistet so den sicheren Betrieb der Geräte.

Spannungsregelung: Bestimmte Arten von Transformatoren (z. B. Sättigungsdrosseln) können zur Spannungsregelung eingesetzt werden, um die Spannungsstabilität aufrechtzuerhalten und die Zuverlässigkeit und Stabilität des Stromversorgungssystems sicherzustellen.

4. Klassifizierung von Transformatoren

4.1 Nach Kapazität klassifiziert

• Kleiner Transformator: Spannung unter 10 kV, Kapazität zwischen 1 und 500 kVA.

• Kleine und mittlere-Transformatoren: Spannung von 35 kV und weniger, Kapazität von 630 bis 6300 kVA.

• Große Transformatoren: Spannung von 110 kV und darunter, Leistung zwischen 8000 und 63000 kVA.

4.2 Nach Verwendung klassifiziert

• Leistungstransformator: Wird zum Erhöhen, Herunterstufen, Verteilen und Verbinden in Stromübertragungs- und -verteilungssystemen oder speziell als Transformatoren für Kraftwerke und Umspannwerke verwendet.

• Instrumententransformatoren: wie Spannungswandler und Stromwandler, die für Messgeräte und Relaisschutzgeräte verwendet werden.

• Leistungstransformator: Wird für die Steuerstromversorgung, Beleuchtung und Anzeigen allgemeiner mechanischer Geräte verwendet.

• Elektronischer Transformator: Wird in elektronischen Schaltkreisen wie Schaltnetzteilen, Audio-, Impuls- und Impedanzanpassungen verwendet.

• Prüftransformator: Kann Hochspannung erzeugen, um Hochspannungsprüfungen an elektrischen Geräten durchzuführen.

• Spezialtransformatoren: wie Elektroofentransformatoren, Gleichrichtertransformatoren, Spannungsregeltransformatoren usw.

4.3Klassifiziert nach der Anzahl der Phasen der Transformatorwicklungen

• Ein-Phasentransformator: Wird für ein-Phasenlasten und drei-Phasentransformatorbänke verwendet.

• Drei-Phasentransformator: Wird zum Erhöhen oder Verringern der Spannung in drei-Phasensystemen verwendet.

4.4Klassifiziert nach der Kühlmethode des Transformators

• Trockentransformator-: Gekühlt durch Luftkonvektion, wird im Allgemeinen für Transformatoren mit kleiner-Kapazität wie lokale Beleuchtung und elektronische Schaltkreise verwendet.

• In Öl-transformiert: Ein Transformator, der Transformatoröl als Isolier- und Kühlmedium verwendet, wobei der Kern und die Wicklungen vollständig in das Isolieröl eingetaucht sind.

4.5Klassifiziert nach Transformatorwicklungsverbindungstyp

• Doppelwicklungstransformator-: Wird zum Verbinden zweier Spannungsebenen im Stromnetz verwendet.

• Drei-Wicklungstransformator: Wird im Allgemeinen in regionalen Umspannwerken des Energiesystems verwendet, um drei Spannungsebenen zu verbinden.

• Spartransformator: Die Primär- und Sekundärwicklung sind zu einer Einheit zusammengefasst und dienen zur Verbindung von Stromnetzen mit unterschiedlichen Spannungen. Er kann auch als normaler Aufwärts- oder Abwärtstransformator verwendet werden.

4.6Klassifiziert nach der Betriebsfrequenz des Transformators

• Netzfrequenztransformator: Seine Betriebsfrequenz beträgt 50 Hz oder 60 Hz.
• Zwischenfrequenztransformator: Seine Betriebsfrequenz beträgt 400–1000 Hz.
• Audiofrequenztransformator: Seine Betriebsfrequenz beträgt 20 Hz–20 kHz.

• Überschallfrequenztransformator: Seine Betriebsfrequenz liegt über 20 kHz, im Allgemeinen nicht über 100 kHz.

• Hochfrequenztransformator: Ein Transformator mit einer Betriebsfrequenz von 20 Hz bis über 100 kHz.

5.Anwendungsszenarien von Transformatoren

5.1 Energiesystem

• Kraftwerke: Transformatoren werden verwendet, um die von Generatoren erzeugte Spannung zur Übertragung an das Stromnetz zu erhöhen und so die Stromübertragung über große Entfernungen zu ermöglichen.

• Umspannwerke: In Umspannwerken wandeln Transformatoren Hochspannungsstrom in Niederspannungsstrom um, um den Bedarf verschiedener elektrischer Geräte zu decken. Gleichzeitig können Transformatoren auch Funktionen wie Blindleistungskompensation und Spannungsanpassung übernehmen und so den stabilen Betrieb des Stromnetzes gewährleisten.

• Übertragungsleitungen: In Übertragungsleitungen werden Transformatoren verwendet, um die Spannung zu erhöhen, um Energieverluste zu reduzieren und so eine effiziente Stromübertragung über große Entfernungen zu erreichen.

5.2Zivilsektor

• Haushaltsstrom: Leistungstransformatoren wandeln Hochspannungsstrom in Niederspannungsstrom um, der für den Heimgebrauch geeignet ist, und sorgen so für den normalen Stromverbrauch der Bewohner.

• Aufladen von Batterien: Ob Laptop, Telefon oder Elektrofahrzeug, diese Geräte benötigen zum Betrieb Batterien, und zum Laden der Batterien ist ein Transformator erforderlich. Die Hauptfunktion eines Transformators besteht darin, die Spannung zu regulieren und zu verhindern, dass Leckströme oder Stoßströme durch die Geräte fließen.

5.3 Kommunikationsbereich

Kommunikationstransformatoren werden in Telefonendschaltkreisen und Fernleitungsprodukten eingesetzt, um die Qualität und den Zustand von Kommunikationsschaltkreisen zu regeln. Darüber hinaus werden Kommunikationstransformatoren häufig in Kabelmodems, Netzwerkkarten, Hubs, xDSL-Breitbandkommunikationsgeräten, Switches, Glasfaser-Transceivern, Routern, eingebetteten Systemen und VoIP-Netzwerkkommunikationsgeräten verwendet.

5.4 Sonstige Sonderanwendungen

• Audiogeräte: Audiotransformatoren werden häufig verwendet, um die durch einen Stromkreis fließenden Signale zu isolieren und dabei zu helfen, die Impedanzwerte von Quelle und Last anzupassen. Sie können auch unerwünschte oder verrauschte Signale eliminieren und das Eingangssignal filtern. Diese Arten von Transformatoren sind speziell für die Verarbeitung von Signalen im hörbaren Bereich, also Signalen mit Frequenzen zwischen 20 Hz und 20 kHz, konzipiert.

• Messgeräte: Strommesser, Spannungsmesser und verschiedene andere Messgeräte und -geräte verwenden typischerweise Transformatoren für den allgemeinen Betrieb. Beispielsweise sorgen Messstromwandler für die nötige Sicherheit im Stromkreis, indem sie das Messgerät vom Rest des Stromkreises isolieren und große Ströme unterdrücken oder auf optimale Werte heruntertransformieren, bevor sie dem Amperemeter zugeführt werden.

• Gleichrichtung: Gleichrichtertransformatoren können Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln, mit Anwendungen wie Motorsteuerung, Bergbau, Elektroöfen, Forschungs- und Entwicklungslabors, Hochspannungs-Gleichstromübertragung und mehr.