Transformatorenkonstruktion leicht gemacht: Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung für Ihren Leistungstransformator

Ein Transformator kann wie ein einfacher Metallkasten aussehen. Aber in seinem Inneren funktioniert er nur, wenn er auf intelligente Weise zusammengesetzt wird. Dieser Prozess wird Transformatorenkonstruktion genannt. Ein Leistungstransformator ändert die elektrische Spannung, so dass sie höher oder niedriger ist. Dieser Artikel zeigt dir, wie man einen Transformator konstruiert. Wir werden die schwierigen Teile auf leicht verständliche Weise erklären. Sie erfahren etwas über den Kern, die Wicklungen und wie Sie Ihren Transformator so konstruieren, dass er gut funktioniert, ohne Energie zu verschwenden. Die Lektüre dieses Buches wird Ihnen helfen zu erkennen, was einen guten Transformator ausmacht. Es wird Ihnen auch zeigen, wie ein Ingenieur einen Transformator von Anfang an herstellt.

Was ist ein Leistungstransformator und was ist seine Aufgabe?

Ein Leistungstransformator ist ein elektrisches Gerät. Er überträgt elektrische Energie von einem Stromkreis zu einem anderen Stromkreis. Er kann dies ohne bewegliche Teile tun. Die Hauptaufgabe eines Transformators besteht darin, Spannung und Stromstärke zu ändern. Ein Transformator kann ein Aufwärts- oder ein Abwärtstransformator sein. Bei einem Aufwärtstransformator wird die Spannung erhöht. Ein Abwärtstransformator macht die Spannung niedriger. Dies ist in vielen elektrischen Systemen eine große Hilfe.

Der Transformator erfüllt seine Aufgabe mit Hilfe eines Magnetfeldes. Er besteht aus zwei Hauptteilen. Der eine Teil ist ein Magnetkern und der andere Teil ist eine Gruppe von Wicklungen. Es gibt mindestens zwei Wicklungen: die Primärwicklung und die Sekundärwicklung. Die Primärwicklung nimmt die Eingangsleistung auf. Die Sekundärwicklung gibt die Ausgangsleistung ab. Wenn eine Eingangsspannung an die Primärwicklung angelegt wird, erzeugt sie ein Magnetfeld, das sich im Inneren des Kerns verändert. Dieses Magnetfeld, der so genannte magnetische Fluss, erzeugt dann eine Spannung in der Sekundärwicklung. Das Besondere an einem Transformator ist die Tatsache, dass alle diese Teile zusammenarbeiten. Ein einfacher Transformator kann eine Menge Arbeit leisten.

Warum ist ein guter Transformatorentwurf für einen Ingenieur so wichtig?

Ein guter Plan für einen Transformator ist sehr wichtig, damit er sicher ist und seine Aufgabe gut erfüllt. Ein Transformator, der nicht gut geplant ist, kann große Probleme verursachen. Er kann zu heiß werden, Energie verschwenden und sogar ganz ausfallen. Ein Ingenieur muss bei der Konstruktion eines Transformators an viele Dinge denken. Das Hauptziel besteht darin, einen Transformator zu bauen, der die vorgesehene Energiemenge bewältigen kann. Außerdem muss er sehr gut funktionieren, ohne Energie zu verschwenden. Ein Transformator, der so gut funktioniert, spart sowohl Geld als auch Energie.

Eine gute Transformatorenkonstruktion stellt auch sicher, dass der Transformator viele Jahre lang funktioniert. Er muss in der Lage sein, mit der Wärme umzugehen, die er durch den Stromverlust erzeugt. Die Isolierung muss stark genug für die höchste Spannung sein, die er verwendet. Die Art und Weise, wie die Teile zusammengesetzt sind, muss korrekt sein. Ein guter Transformator ist ein Gerät, auf dessen Funktionieren man sich verlassen kann. Ein 100 kVA-Leistungstransformator beispielsweise muss sorgfältig geplant werden. Nur so kann sichergestellt werden, dass er diese Leistung über einen langen Zeitraum hinweg sicher handhaben kann. Die Aufgabe eines Ingenieurs besteht darin, die richtige Mischung aus Preis, Größe und Funktionstüchtigkeit für den endgültigen Transformatorentwurf zu finden. Das macht den Transformator zu einem nützlichen Teil eines elektrischen Systems.

Wie fängt man an, wenn man einen Transformator entwirft?

Um einen Transformator zu entwerfen, muss man zunächst wissen, was er leisten soll. Sie müssen die grundlegenden Details über den Transformator herausfinden. Diese Details sind der erste Schritt für die gesamte mathematische Arbeit. Wenn man sie nicht kennt, kann man keinen nützlichen Transformator bauen.

Hier sind die wichtigsten Dinge, die zu Beginn entschieden werden müssen:

• Eingangsspannung: Die Versorgungsspannung, die an die Primärwicklung angeschlossen wird. Dies ist die Spannung, die in den Transformator eingespeist wird.
• Ausgangsspannung: Die Sekundärspannung, die Sie vom Transformator erhalten müssen.
• Nennleistung (VA oder kVA): Sie gibt an, wie viel Leistung der Transformator bewältigen kann. Sie wird in Volt-Ampere (VA) gemessen. Ein kleiner Transformator kann 50 VA haben. Ein großer Leistungstransformator kann 100 kVA oder sogar mehr haben.
• Häufigkeit: Dies ist die Frequenz der elektrischen Stromquelle. In Nordamerika beträgt sie normalerweise 60 Hz. In Europa sind es 50 Hz. Der Transformator muss für den Betrieb bei einer bestimmten Frequenz ausgelegt sein.

Wenn Sie diese Informationen haben, können Sie beginnen, die anderen Teile des Transformators mit Hilfe von Mathematik zu berechnen. Anhand der Eingangs- und Ausgangsleistung können Sie beispielsweise herausfinden, wie viel Strom durch die Primär- und Sekundärwicklungen fließen wird. Diese ersten Schritte bilden die Grundlage für die gesamte Konstruktion des Transformators.

Was ist die richtige Art der Laminierung für Ihren Transformatorkern?

Der Magnetkern ist sozusagen das Herz des Transformators. Seine Aufgabe ist es, dem magnetischen Fluss zu zeigen, wohin er gehen soll. Er leitet ihn von der Primärwicklung zur Sekundärwicklung weiter. Das für den Kern verwendete Material ist entscheidend dafür, wie gut der Transformator funktioniert. Die meisten Trafokerne werden aus einem speziellen Material namens Siliziumstahl hergestellt. Dieses Material lässt ein Magnetfeld sehr leicht durch.

Der Kern besteht nicht aus einem einzigen Stück Stahl. Er ist aus vielen dünnen Blechen zusammengesetzt. Diese Bleche werden als Lamellen bezeichnet. Jedes Blech ist mit einer sehr dünnen Isolierschicht versehen. Dadurch wird sie von den anderen Blechen getrennt. Dieser Aufbau der Lamellen ist sehr wichtig. Sie trägt dazu bei, die Energiemenge zu verringern, die im Kern verschwendet wird. Diese verschwendete Energie wird als Kernverluste bezeichnet. Ein massiver Kern würde große elektrische Ströme in seinem Inneren fließen lassen. Dies würde eine Menge Wärme erzeugen und viel Energie verschwenden. Die dünnen Lamellen stoppen diese Ströme, so dass der Transformator viel besser funktioniert.

Wie ermitteln Sie die Windungszahlen für Ihre Spannung?

Die Spannung eines Transformators hängt vollständig von der Anzahl der Windungen in seinen Wicklungen ab. Der Zusammenhang zwischen der Eingangsspannung, der Ausgangsspannung und der Anzahl der Windungen ist sehr einfach. Dieser Zusammenhang wird als Windungsverhältnis bezeichnet. Hat die Sekundärwicklung mehr Windungen als die Primärwicklung, ist der Transformator ein Aufwärtstransformator. Hat die Sekundärwicklung weniger Windungen, handelt es sich um einen Abspanntransformator.

Um die Anzahl der Windungen zu ermitteln, verwenden Ingenieure eine Formel. Diese Formel wird oft als Transformator-EMK-Gleichung bezeichnet. Eine einfachere Art, darüber nachzudenken, ist "Volt pro Windung". Zunächst muss man herausfinden, wie viel Spannung eine einzelne Windung der Wicklung bewältigen kann. Wenn Sie beispielsweise feststellen, dass die Spannung pro Windung 0,5 beträgt, und Sie eine Primärwicklung für 120 Volt benötigen, würden Sie die Formel wie folgt berechnen:

Anzahl der Windungen = Wicklungsspannung / Volt pro Windung Anzahl der Windungen = 120 Volt / 0,5 = 240 Windungen

Sie bräuchten 240 Windungen für die Primärspule. Wenn Sie einen 12-Volt-Sekundärausgang wünschen, benötigen Sie 12 / 0,5 = 24 Windungen für die Sekundärwicklung. Diese Rechnung ist ein sehr wichtiger Schritt bei der Konstruktion eines Transformators.

Welcher Kupferdraht ist der richtige für Ihre Wickelvorrichtung?

Die Wicklung eines Transformators besteht aus einer Spule aus Draht. Dieser Draht, oder Leiter, ist fast immer aus Kupfer. Kupfer ist eine gute Wahl, weil es Strom sehr gut leitet und nicht zu viel kostet. Die Dicke des Kupferdrahtes, den Sie wählen, ist von großer Bedeutung. Die richtige Dicke hängt davon ab, wie viel Strom die Wicklung leiten muss.

Eine Wicklung, die viel Strom führt, muss einen dicken Kupferdraht haben. Für eine Wicklung, die nur wenig Strom führt, kann ein dünnerer Draht verwendet werden. Wenn Sie einen Draht wählen, der für die Stromstärke zu dünn ist, wird er zu heiß. Diese Hitze kann die Isolierung des Drahtes schmelzen. Dies kann zum Bruch des Transformators führen. Um die richtige Drahtgröße zu finden, müssen Sie zunächst den Primärstrom und den Sekundärstrom ermitteln. Dazu können Sie die Nennleistung (VA-Wert) des Transformators verwenden.

Diese Tabelle zeigt eine einfache Idee. Je größer der Strom ist, desto dicker muss der Draht sein. Durch die Wahl des richtigen Leiters wird sichergestellt, dass der Transformator die benötigte Leistung erbringen kann, ohne zu heiß zu werden. Das ist sehr wichtig für einen sicheren Transformator, auf den man sich verlassen kann.

Was sind Kernverluste und warum sind sie bei einem Transformator von großer Bedeutung?

Kein Transformator ist perfekt. Jeder einzelne Transformator hat einen gewissen Anteil an vergeudeter Leistung. Diese verschwendete Leistung wird in Wärme umgewandelt. Es gibt zwei Hauptarten von Verlusten in einem Transformator: Kernverluste und Kupferverluste. Es ist sehr wichtig, diese zu kennen, wenn man einen Transformator so konstruiert, dass er gut funktioniert.

Kernverluste sind Verluste, die im Magnetkern des Transformators auftreten. Sie werden durch das magnetische Feld im Inneren des Siliziumstahls verursacht, das sich ständig verändert. Diese Verluste treten immer dann auf, wenn der Transformator eingeschaltet ist. Das gilt auch dann, wenn an der Sekundärwicklung nichts angeschlossen ist. Die Verwendung dünner Bleche und eines guten Kernmaterials hilft, diese Verluste gering zu halten.

Kupferverluste sind Verluste, die in den Kupferwicklungen auftreten. Sie werden durch den Widerstand des elektrischen Drahtes verursacht. Wenn Strom durch den Draht fließt, erzeugt er Wärme. Dies wird auch als I²R-Verlust bezeichnet. Die Kupferverluste werden größer, wenn der Transformator mehr Arbeit leistet. Mehr Strom bedeutet mehr Wärme und mehr verschwendete Energie. Bei einer guten Transformatorenkonstruktion wird versucht, sowohl die Kern- als auch die Kupferverluste so gering wie möglich zu halten. So kann der Transformator besser arbeiten und verschwendet weniger Energie.

Wie verändert der Wicklungsaufbau die Funktionsweise eines Transformators?

Die Art und Weise, wie die Primär- und Sekundärwicklungen auf dem Kern angeordnet sind, wird als Wicklungsanordnung bezeichnet. Diese Anordnung kann die Art und Weise verändern, wie der Transformator seine Aufgabe erfüllt. Das Hauptziel besteht darin, die beste magnetische Verbindung zwischen der Primär- und der Sekundärspule herzustellen. Das bedeutet, dass ein möglichst großer Teil des magnetischen Flusses der Primärwicklung mit der Sekundärwicklung verbunden werden soll.

In der Regel wird die Sekundärspule direkt auf die Primärspule gewickelt. Dazwischen befindet sich eine Isolierschicht. Bei dieser Anordnung liegen die beiden Wicklungen sehr nahe beieinander. Dadurch wird der so genannte Streufluss verringert. Streufluss ist ein magnetisches Feld, das entweicht und sich nicht mit beiden Wicklungen verbindet. Eine gute Wicklungsanordnung verbessert die Spannungsregelung des Transformators. Die Spannungsregelung gibt an, wie stark die Ausgangsspannung abfällt, wenn der Transformator mit voller Leistung arbeitet. Eine gute Anordnung trägt dazu bei, dass er besser funktioniert, wenn sich die abgegebene Leistung ändert. Sie wirkt sich auch auf die Impedanz des Transformators und seine Leistung aus, damit die Eingangs- und Ausgangskreise getrennt bleiben.

Wie stellen Sie sicher, dass Ihr Stromtransformator kühl bleibt?

Die gesamte verschwendete Energie in einem Transformator wird in Wärme umgewandelt. Wenn diese Wärme nicht abgeführt wird, wird der Transformator immer heißer und heißer. Zu viel Wärme kann die Isolierung beschädigen. Dies kann zum Bruch des Transformators führen. Deshalb muss jeder Leistungstransformator über eine Möglichkeit zur Abkühlung verfügen. Welche Kühlmethoden verwendet werden, hängt von der Größe und Leistung des Transformators ab.

Bei kleinen Transformatoren genügt die Luft, die sich um sie herum bewegt, um sie kühl zu halten. Die Wärme wandert vom Kern und den Wicklungen zur Außenfläche und wird dann in die Luft abgeleitet. Bei größeren Transformatoren reicht das nicht aus. Ein größerer Leistungstransformator, z. B. ein 100-kVA-Gerät, kann mit Rippen an der Außenseite des Gehäuses ausgestattet sein. Diese Rippen bieten mehr Platz für die Luft, die sie berühren kann, was die Kühlung verbessert. Sehr große Transformatoren befinden sich oft in einem Tank, der mit einem speziellen Öl gefüllt ist. Das Öl saugt die Wärme des Transformatorkerns und der Wicklungen auf. Das heiße Öl bewegt sich dann umher und wird durch Luft oder Wasser gekühlt. Die Wahl der Kühlung des Transformators ist ein sehr wichtiger Teil der Transformatorenkonstruktion.

Wie prüft man am besten die fertige Transformatorenkonstruktion?

Nachdem ein Ingenieur die Planung des Transformators abgeschlossen und ihn gebaut hat, muss er getestet werden. Durch die Prüfung soll sichergestellt werden, dass der Transformator das tut, was er tun soll, und dass er sicher zu benutzen ist. Es gibt einige normale Prüfungen für einen Transformator.

Eine dieser Prüfungen ist die Leerlaufprüfung. Bei dieser Prüfung wird an die Primärseite eine Spannung angelegt, die Sekundärseite bleibt jedoch offen und ist nicht angeschlossen. Mit dieser Prüfung werden die Kernverluste des Transformators überprüft. Eine weitere Prüfung ist der Kurzschlusstest. Der Sekundärausgang wird mit einem dicken Draht verbunden, und an die Primärseite wird eine sehr geringe Spannung angelegt. Mit dieser Prüfung werden die Kupferverluste und die Impedanz des Transformators überprüft. Zum Schluss wird eine Prüfung der Spannungsregelung durchgeführt. Dabei wird geprüft, wie sich die Sekundärspannung bei Nulllast und bei Volllast verändert. Mit diesen Tests wird sichergestellt, dass der Transformator die richtige Spannung hat und so funktioniert, wie Sie es wünschen. Dies ist die letzte Prüfung für einen Transformator, der gut konstruiert wurde.

Das Wichtigste zur Erinnerung

• Beginnen Sie mit den wichtigsten Details: Bevor Sie einen Transformator entwerfen, müssen Sie die Eingangsspannung, die Ausgangsspannung, die Nennleistung (kVA) und die Frequenz kennen, die Sie benötigen.
• Der Kern ist sehr wichtig: Verwenden Sie für den Magnetkern hochwertige Siliziumstahlbleche, um den Magnetfluss zu lenken und die Kernverluste zu verringern.
• Die Anzahl der Umdrehungen bestimmt die Spannung: Die Anzahl der Windungen in der Primärwicklung im Vergleich zur Sekundärwicklung entscheidet über die Ausgangsspannung.
• Die Drahtstärke hängt von der Stromstärke ab: Der Kupferdraht für jede Wicklung muss dick genug sein, um den Strom zu bewältigen, damit er nicht zu heiß wird.
• Weniger Strom zu verschwenden ist ein großes Ziel: Eine gute Transformatorenkonstruktion macht sowohl die Kern- als auch die Kupferverluste so gering wie möglich, um Leistungs- und Wärmeverluste zu verringern.
• Die Einrichtung ist wichtig: Die Art und Weise, wie die Wicklungen auf dem Kern platziert sind, hat Einfluss auf die Funktionsweise des Transformators, seine Regulierung und die Höhe des Stromverbrauchs.
• Machen Sie immer einen Test: Das Testen Ihres fertigen Transformators beweist, dass er sicher funktioniert und alles tut, wofür er konzipiert wurde.