Elektrischer Transformator: Wie funktioniert er und wozu dient er?

Der elektrische Transformator ist eine der Hauptkomponenten im Stromnetz und gewährleistet dessen Versorgung und Effizienz.

Das Stromnetz ist ein komplexes Netzwerk aus Elementen, die miteinander interagieren, um einen stabilen und sicheren Energietransport zu gewährleisten und uns als Nutzern eine kontinuierliche Stromversorgung zu ermöglichen. Diese Verfügbarkeit ist für uns selbstverständlich, doch sie ist das Ergebnis jahrelanger Forschung und Entwicklung an all diesen Komponenten. Heute möchten wir uns auf die Funktionsweise eines dieser Schlüsselelemente konzentrieren: den Transformator, auch „Trafo“ genannt.

Bevor wir uns mit der Funktionsweise und Nutzung dieser Komponente des Stromnetzes befassen, ist es wichtig zu erklären, warum Strom transformiert werden muss. Der Grund dafür ist, dass die von Kraftwerken erzeugte Energie je nach Quelle mit niedriger oder mittlerer Spannung produziert wird. Um eine effiziente Übertragung durch das Stromnetz zu gewährleisten und Energieverluste während der Übertragung zu minimieren, muss sie auf Hochspannung angehoben werden. Hier kommt unser heutiger Protagonist ins Spiel: Er verhindert diese Energieverluste.

Mit anderen Worten: Der Transformator ist der Hauptgrund dafür, dass es möglich ist, elektrische Energie praktisch und wirtschaftlich über lange Strecken zu transportieren.

Um dies zu erreichen, passt der Transformator verschiedene Eigenschaften des Wechselstroms an, wie Spannung oder Stromstärke, während er die Frequenz und den größten Teil der Leistung konstant hält und einen Wirkungsgrad von 96 % bis 97 % erzielt. Dank des Prinzips der elektromagnetischen Induktion fließt Energie von einem Stromkreis zum anderen, ohne dass sich die Frequenz ändert. Dies verbessert die Sicherheit und Effizienz von Stromversorgungssystemen während des gesamten Übertragungsprozesses.

Somit können wir verschiedene Einsatzmöglichkeiten des Transformators identifizieren:

• Die Spannung innerhalb eines Stromkreises erhöhen oder verringern.
• Die Spannung aus der Erzeugung wird für die Übertragung und Verteilung angepasst.
• Zwei separate Stromkreise voneinander trennen und den Fluss von Gleichstrom zwischen ihnen verhindern.

Aus welchen Bauteilen besteht ein elektrischer Transformator?

Um all diese Funktionen zu erfüllen, verfügen Transformatoren über verschiedene Komponenten mit jeweils eigenen Aufgaben. Schauen wir uns die wichtigsten an.

• KernEs besteht aus einer Reihe von Magnetplatten, die als Träger für die Montage anderer Elemente dienen und einen Pfad für den magnetischen Fluss bieten.
• WicklungenHierbei handelt es sich um einen Draht oder Streifen, typischerweise aus Kupfer oder Aluminium, der in Form von Spulen gewickelt ist (eine für Hochspannung und eine für Niederspannung), die den Strom von einem Punkt zum anderen um den Kern herum transportieren.
• IsolatorenHierbei handelt es sich um Materialien, die die verschiedenen Transformatorkomponenten und deren Spannungen isolieren. Typischerweise wird ein System aus Papierschichten verwendet, die in Mineral- oder Pflanzenöl getaucht sind.
• GehäuseDies ist die Blechkonstruktion, die das äußere Gehäuse des Transformators bildet und alle Komponenten schützt.
• Steuer- und SensoreinheitDiese Komponente ist in technologisch fortschrittlicheren Transformatoren wie dem transforma.smart verfügbar und ermöglicht die Datenerfassung über den Betrieb des Netzes und des Transformators selbst sowie die digitale Steuerung des Geräts.

Wie funktioniert ein Transformator?

Trotz der technologischen Herausforderung, die die Konstruktion von Transformatoren mit sich bringt, ist ihre Funktionsweise im Vergleich zu anderen Elementen elektrischer Geräte relativ einfach, und es ist diese Einfachheit, die ihrem Erfolg zugrunde liegt.

Ein elektrischer Transformator verbindet zwei unterschiedliche Stromkreise über einen gemeinsamen magnetischen Kreis und nutzt dabei das Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Anders ausgedrückt: Ein Transformator nutzt seine beiden Wicklungen, um einen Doppelstromkreis zu erzeugen, der durch eine gemeinsame magnetische Verbindung (den Kern) verknüpft ist.

Der durch die Hochspannungswicklung fließende Strom erzeugt einen magnetischen Fluss, der den Kern durchdringt und in der Niederspannungswicklung unter Beibehaltung der Frequenz einen anderen Strom und eine andere Spannung induziert. Das Verhältnis der Spannungen in den beiden Wicklungen (Hoch- und Niederspannungswicklung) ist proportional zur Windungszahl jeder Wicklung.

Welche Arten von Transformatoren gibt es?

Je nach Funktion, Art des elektrischen Systems, Standort und Bauart lassen sich verschiedene Transformatorentypen unterscheiden. Im Folgenden sind die wichtigsten Typen nach Kategorien aufgeführt.

Elektrische Transformatoren nach Art des elektrischen Systems:

• EinphasigDas elektrische Verteilungssystem wird über einen einzelnen Leiter (Kabel) oder eine einzelne Phase realisiert.
• DreiphasenDas am häufigsten verwendete Verteilungssystem besteht aus drei Leitern oder Phasen. In diesem Fall setzt sich der Drehstrom aus drei einphasigen Wechselströmen gleicher Frequenz und Amplitude zusammen. Im Vergleich zum einphasigen Verteilungssystem sind die Kosten für die gleiche Menge an umgewandelter und erzeugter elektrischer Energie geringer.

Elektrische Transformatoren lassen sich je nach ihrer Funktion in zwei Typen einteilen: Aufwärtstransformatoren (zur Spannungserhöhung) und Abwärtstransformatoren (zur Spannungsreduzierung).

Elektrische Transformatoren nach Bauart:

• ölgetränktDies ist der am weitesten verbreitete Transformatortyp und hat sich zudem als der umweltfreundlichste erwiesen. Darüber hinaus weist er eine längere Lebensdauer als andere Transformatortypen auf.
• TrockentypDies ist eine technologische Alternative zu ölgekühlten Transformatoren und hat trotz des Verzichts auf Öl eine größere Umweltbelastung.

Elektrische Transformatoren nach Standort:

Elektrische Transformatoren können je nach ihrem Standort im Stromnetz unterirdisch oder oberirdisch angebracht sein.

• DraußenDiese Transformatoren sind sehr häufig an Strommasten entlang von Autobahnen, Straßen, Industriegebieten usw. zu finden. Sie sind robust gebaut, um je nach Installationsort verschiedenen Witterungsbedingungen standzuhalten.
• InnenbereichHierbei handelt es sich um Transformatoren, die in eigens dafür vorgesehenen Bereichen wie Beton- oder Metalltransformatorstationen zu finden sind, wo sie zusammen mit den anderen Komponenten, aus denen diese Stationen bestehen, ein eigenes Gehäuse haben.

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