Elektrische Transformatoren: Struktur, Konstruktion, Anwendungen

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Was ist ein elektrischer Transformator?

Wie der Name schon sagt, überträgt ein elektrischer Transformator Energie. Eine formale Transformatordefinition lautet -

"Es ist ein Gerät, das elektrische Energie zwischen Stromkreisen überträgt."

Es ist ein passives Gerät. Es verwendet das Faradaysche Gesetz, um Energie ohne metallischen Kontakt zu übertragen. Elektrische Transformatoren sind eines der nützlichen und benötigten Geräte für die Energieverteilung.

Geschichte im Zusammenhang mit Transformatoren

Miksa Deri, Otto Blathy und Karoly Zipernowsky gelten als erste Designer des ersten Transformators. Sie implementierten auch Transformatoren für kommerzielle Systeme. Obwohl das Induktionsgesetz 1830 von Faraday und Rev. gegeben wurde. Die Induktionsspule wurde 1836 von Nicholas Callan erfunden. In der Zwischenzeit kam Thomas Alva Edison 1882 auf die Idee der Glühbirne.

Grundstruktur des elektrischen Transformatorss

Ein einphasiger elektrischer Transformator besteht aus drei Hauptkomponenten. Sie sind - Primärwicklungen, Sekundärwicklungen und der Magnetkern.

  • Primärwicklungen - Es ist der Teil, der mit der Quelle verbunden ist. Es besteht aus Drahtspulen. Hier entsteht zunächst ein magnetischer Fluss.
  • Sekundärwicklungen - Es ist der Teil, der mit der Last verbunden ist. Es besteht auch aus Spulen. Es gibt ein Windungsverhältnis, das die Anzahl der Windungen des Drahtes definiert, um die Spulen beider Wicklungen herzustellen. Wie bereits erwähnt, besteht keine metallische Verbindung zwischen Primärwicklungen und Sekundärwicklungen.
  • Magnetischer Kern - Es ist die Eisenstruktur, die sowohl die Primär- als auch die Sekundärwicklung umhüllt. Es ist ein weicher Eisenkern, der aus kleinen Elementen besteht, um die Verluste des Kerns zu verringern.
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Bildquelle - Fred die Auster, Transformatorfluss, CC BY-SA 4.0

Hoch- und Tiefbau von elektrischen Transformatoren

Der Aufbau elektrischer Transformatoren hängt davon ab, wie die Primär- und Sekundärwicklungen um die Eisenkernstruktur gewickelt sind.

Es gibt zwei Kategorien von Transformatoren. Einer ist der Closed-Core-Typ und ein anderer ist der Shell-Core-Typ.

A. Transformator mit geschlossenem Kern -

  • Hier werden beide Wicklungen von außerhalb des Kerns umwickelt. (Beide Wicklungen bedeuten - Primärwicklungen und Sekundärwicklungen). Bei dieser Konstruktion wickeln Wicklungen alle Beine des Kerns ein. Die Hälfte der Primärwicklungen und die Hälfte der Sekundärwicklungen werden an jedem Bein dicht übereinander gehalten. Der magnetische Fluss durchläuft diesen Prozess und erhöht die magnetische Kopplung. Diese Art von Transformator hat einen Nachteil, bekannt als - Leckstrom. "
Transformatorkern
Strukturen von Kerntransformatoren

B. Shell Core Transformer -

  • Bei diesem Typ befinden sich sowohl die Primär- als auch die Sekundärwicklung innerhalb des Eisenkerns. Hier bildet der Eisenkern eine schalenartige Struktur für die Wicklungen, weshalb er als Shell Core Transformer bezeichnet wird. Die Wicklungen teilen sich das gleiche Mittelbein, das eine doppelte Querschnittsfläche wie die Außenschenkel hat. Diese Art von Transformatoren überwindet das Problem des "Streuflusses".
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Shell-Typ-Transformatoren, Bildquelle - !Original:Konstante314Vektor: Wikimpan, Idealer Transformator, CC0 1.0
  • Wicklungen: Wicklungen sind der stromführende Teil des Transformators. Zur Herstellung der Wicklung der Wicklungen wird hauptsächlich Kupfer- oder Aluminiumdraht verwendet. Transformatorspulen und -wicklungen können in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden. Sie sind - Konzentrische Spulen und Sandwich-Spulen. Sandwich-Spulen werden im Allgemeinen in Shell-Transformatoren verwendet. Alternative Scheiben werden spiralförmig hergestellt.
  • Es gibt auch Spiralwicklungen, die in Niederspannungs- und Hochleistungsanwendungen eingesetzt werden. In jeder Art von Wicklungen befinden sich einige Isolatoren. Isolatoren sind eines der wichtigen Elemente für elektrische Transformatoren.
  • Kühlung:  Durch die Kühlung eines Geräts kann die Maschine mehrere Jahre lang einwandfrei arbeiten. Einige elektrische Transformatoren benötigen eine Zwangskühlung, andere sind selbstkühlend. Erzwungene Kühlung umfasst das Kühlen mit Öl, Wasser oder beidem. Große Transformatoren mit hohen Nennleistungen sind mit Transformatorölen gefüllt, die Wicklungen kühlen und isolieren. Einige Transformatoren sind zur Kühlung mit Gasen gefüllt.
  • Isolierung: Zwischen Wicklungen, zwischen zwei Wicklungen, zwischen Kern und Wicklungen ist eine Isolierung erforderlich. Papierschichten und Polymerfilme werden als Isolatoren verwendet. Große Isolatoren verwenden Transformatoröl als Isolationszwecke.
  • Buchse: Die Buchse ist ein hohler elektrischer Isolator, der es einem Leiter ermöglicht, durch eine Barriere zu gelangen. Große Transformatoren mit hoher Nennleistung haben Bashings aus Porzellan oder Polymeren.

Die Polaritätsprüfung von elektrischen Transformatoren

Die Polarität eines elektrischen Transformators ist definiert als die Richtung der induzierten EMK sowohl in der Primär- als auch in der Sekundärwicklung. Es gibt zwei Arten -

  • A. Additive Polarität
  • B. Subtraktive Polarität

A. Additive Polarität

- Bei dieser Art von Polarität sind in beiden Wicklungen die gleichen Polaritätsanschlüsse angeschlossen.

B. Subtraktive Polarität

- Bei dieser Art von Polarität sind in beiden Wicklungen Klemmen unterschiedlicher Polarität angeschlossen.

Was macht der Transformator?

Elektrische Transformatoren erhöhen oder verringern die zugeführte Spannung und den Strom. Es ändert weder die Frequenz noch die Leistung des zugeführten elektrischen Signals. Die Verwendung eines Transformators erfordert, dass Elektrogeräte eine bestimmte Spannung benötigen, die niedriger oder höher als die zugeführte Leistung ist. Zum Beispiel erlischt eine LED, die mit 1.5 Volt - 2 Volt arbeitet, wenn wir sie an ein normales Haushaltsnetzteil anschließen. Wir müssen also einen Abwärtstransformator verwenden, um die LED zu verwenden.

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Stromwandler, Bildnachweis - Hannes Grob, Stromwandler-17 hg, CC BY-SA 4.0

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Anwendung eines Transformators

Transformatoren haben viele Anwendungen in der heutigen Welt. Einige von ihnen sind -

i) Energieverteilung:

  • In den Kraftwerken wird eine große Spannung erzeugt. Wir können diese Spannung jedoch nicht direkt für unsere Haushaltsanwendungen verwenden. In dieser Zeit kommt ein Transformator in Aktion. Transformatoren haben die Spannung auf die erforderliche Spannung gesenkt. Dieser Transformatortyp ist bekannt als Leistungstransformatoren. Es gibt auch Transformatoren, die die Spannung erhöhen. Aufgrund dieses Transformatortyps ist es möglich, Häuser mit Strom zu versorgen.
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Transformatoren in der Energieverteilung, Bildquelle – High Contrast, Pylon-Transformator in Syrien, CC BY 3.0DE

ii) Elektronische Geräte:

  • Viele elektronische Geräte und Haushaltsgeräte verwenden Transformatoren entweder zum Erhöhen von Spannungen oder zum Verringern von Spannungen gemäß den Anforderungen.
Elektrischer Transformator
Transformatoren für elektronische Zwecke, Bildquelle - Elektriker im Ruhestand, SMPS-Transformatoren (Korea, um 2000) - Ansicht von unten, CC0 1.0

iii) Audio-Transformatoren:

  • Diese Art von Transformatoren ermöglicht es Telefonschaltungen, eine bidirektionale Konversation über ein einzelnes Kabelpaar zu ermöglichen. Sie sind auch Verbindungen zwischen Audiosystemen. Es kann verwendet werden, um die Impedanz anzupassen, wie ein Lautsprecher mit niedriger Impedanz mit Verstärkern mit hoher Impedanz angepasst werden kann.
  • Dreiphasentransformatoren haben eine breite Verwendung in industriellen Zwecken, wo Einphasentransformatoren nicht den Zwecken dienen können.
  • Messwandler kann zwei Geräte oder Systeme anhand ihrer Eigenschaften isolieren.
  • Hochfrequenztransformatoren oder HF-Transformatoren werden in radarähnlichen Geräten verwendet und finden Anwendung im Hochfrequenzbereich.
  • Impulstransformatoren werden zur Übertragung elektrischer Impulse in elektronischen Schaltungen, digitalen Schaltungen und in Energieverteilungs- und Steuerungssystemen verwendet.

Vor- und Nachteile der Verwendung eines Transformators

Vorteile von elektrischen Transformatoren

Transformatoren werden aufgrund ihrer Vorteile für verschiedene Zwecke verwendet. Einige der Vorteile sind -

  • Überträgt Kraft: Transformatoren ermöglichen die Übertragung von elektrischen Signalen über große Entfernungen. Der Widerstand der Übertragungsleitung wird nach dem Erhöhen der Spannung verringert und dies ist nur durch Transformatoren möglich. Somit ist der Stromverlust geringer und jeder Haushalt kann mit Strom versorgt werden. Andernfalls wäre der Widerstand so hoch, dass eine Versorgung unmöglich ist.
  • Kontinuierliche Arbeit: Transformatoren können über lange Zeiträume kontinuierlich arbeiten. Es muss nicht an einem Tag abschalten oder sich ausruhen.
  • Geringer Wartungsaufwand: Transformatoren arbeiten nicht nur kontinuierlich, sondern benötigen auch keinen hohen Wartungsaufwand. Das Prüfen des Öls und das Reinigen der Teile sind die einzige Wartung, die ein Transformator benötigt. Auch die Wartung kostet nicht viel und ist auch nicht zeitaufwändig.
  • Keine Verzögerung: Transformatoren haben keine Verzögerung beim Starten. Es nimmt sofort den Betrieb auf. Sobald ein Transformator implementiert ist, startet er sofort.
  • Effizient: Transformatoren erleiden zwar Verluste, sind aber für eine wirtschaftliche Verteilung effizient genug. Ein Wirkungsgrad von fast 95% ist erreichbar.

Nachteile der Verwendung von elektrischen Transformatoren

Einige Nachteile sind -

  • Größer: Es gibt zwar Transistoren mit kleiner Größe, aber mit zunehmender Nennspannung nimmt auch die Transformatorgröße zu. Nicht nur die Grundstruktur nimmt zu, sondern auch die Größe des Kühlsystems. Die Unterbringung nimmt also viel Platz in Anspruch.
  • Benötigt ein Kühlsystem: Transformatoren arbeiten kontinuierlich und erzeugen viel Wärme. Um effizient zu arbeiten, benötigt ein Transformator ein angeschlossenes Kühlsystem.
  • AC funktioniert nur: Der Transformator funktioniert nur für Wechselstrom oder Wechselspannung, da er zeitlich variierenden Strom benötigt, um einen magnetischen Fluss zu erzeugen. Durch Anschließen an eine Gleichspannung wird der Transformator durchgebrannt.

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