Grundlegende Informationen darüber, wie ein Transformator funktioniert, haben wir im vorherigen Artikel erläutert. Es lohnt sich jedoch, einige weitere Begriffe und Zusammenhänge zu vertiefen, um die Funktionen, die Wirkungsweise und den Aufbau dieser Geräte noch besser zu verstehen.
Wie wir wissen, besteht ein Transformator aus einem Kern, auf den die Primär- und die Sekundärwicklung aufgewickelt sind.
An den Klemmen der Primärwicklung liegt eine Wechselspannung U1 an, die in der Spule der Primärwicklung einen Stromfluss mit dem Wert I1 hervorruft.
Der elektrische Wechselstrom I1 erzeugt ein wechselndes Magnetfeld, dessen Feldlinien sich im ferromagnetischen Kern schließen. Dieser Kern stellt für das Magnetfeld einen wesentlich besseren Weg dar (er besitzt also eine höhere magnetische Permeabilität) als die die Spule umgebende Luft. Man sagt hier, dass im Kern der Fluss eines magnetischen Wechselfeldes verläuft.
Derselbe Fluss durchsetzt das Innere der Spule der Sekundärwicklung und induziert in ihr eine elektromotorische Kraft, die sich im Auftreten einer Wechselspannung an den Klemmen der Sekundärwicklung äußert (Phänomen der elektromagnetischen Induktion).
Derselbe Fluss durchsetzt auch die Spule der Primärwicklung und ruft in ihr eine elektromotorische Kraft hervor, die der Speisespannung entgegengerichtet ist (Lenzsche Regel).
Der Fluss des magnetischen Wechselfeldes ist für beide Wicklungen gemeinsam, und die induzierte elektromotorische Kraft ist für jede einzelne Windung gleich groß (Durchflutungsgesetz). Deshalb hängt die Spannung, die an den Klemmen der Sekundärseite auftritt, hauptsächlich vom Verhältnis der Windungszahlen in der Spule der Primärwicklung und in der Spule der Sekundärwicklung ab. Auf einfache Weise erhalten wir durch die unterschiedliche Windungszahl beider Wicklungen eine Spannungsänderung – also eine Transformation.
Abb. 1
R1 und R2 – Wicklungswiderstände
XΦ1 und XΦ2 – Streureaktanzen der Primär- und der Sekundärseite, die jene Anteile des magnetischen Flusses abbilden, die sich in einem Raum außerhalb der jeweils anderen Spule schließen (also hauptsächlich über die Luft)
E1 und E2 – induzierte elektromotorische Kräfte
Auf Grundlage der angegebenen Bezeichnungen werden folgende Grundbegriffe eingeführt:
n = Z1 / Z2 – Übersetzungsverhältnis (Windungsverhältnis)
Wenn der Magnetisierungsfluss für beide Wicklungen gemeinsam ist, so ist klar, dass er in jeder Windung dieselbe elektromotorische Kraft induziert. Daher lässt sich dasselbe Übersetzungsverhältnis auch als Verhältnis der elektromotorischen Kräfte angeben
n = E1 / E2
Mit der angegebenen Formel für das Übersetzungsverhältnis können wir die Werte der Elemente der Sekundärseite aus Abb. 2 auf die Primärseite umrechnen. Dann gilt:
U’2 = nU2 ; I’2 = I2/n ; R’2 = n2R2 ; X’Φ2 = n2 XΦ2
Dadurch entsteht das allgemein verwendete Ersatzschaltbild des Transformators.
Abb. 3:
