Lernfeld 6 · Prüfung Teil 1

Transformatoren

Transformatoren verstehen: Übersetzung, Leerlauf- und Kurzschlussversuch, Kurzschlussspannung, Schaltgruppe, Verluste und Wirkungsgrad.

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Darum geht es

Ein Transformator überträgt elektrische Energie über ein magnetisches Wechselfeld von einer Wicklung auf eine andere. Der Kern aus dünnen, isolierten Blechen führt den Fluss und hält die Wirbelströme klein. Im Leerlauf verhalten sich die Spannungen wie die Windungszahlen, die Ströme unter Last umgekehrt. Weil nur ein sich ändernder Fluss eine Spannung induziert, arbeitet ein Transformator nur mit Wechselspannung.

Zwei Versuche beschreiben einen Transformator vollständig. Im Leerlaufversuch liegt Bemessungsspannung an, die Sekundärseite ist offen, gemessen werden die Eisenverluste. Im Kurzschlussversuch ist die Sekundärseite kurzgeschlossen, die Spannung wird bis zum Bemessungsstrom erhöht. Diese Spannung bezogen auf die Bemessungsspannung heißt relative Kurzschlussspannung $u_{k}$ . Sie bestimmt, wie stark die Spannung unter Last absinkt und wie groß der Kurzschlussstrom wird.

Bei Drehstromtransformatoren gibt die Schaltgruppe an, wie Ober- und Unterspannungsseite geschaltet sind und wie weit ihre Spannungen phasenverschoben sind, zum Beispiel Dyn5. Sollen Transformatoren parallel laufen, müssen Übersetzung, Kennzahl der Schaltgruppe und $u_{k}$ zusammenpassen. Eisenverluste sind nahezu lastunabhängig, Kupferverluste wachsen mit dem Quadrat des Stroms. Daraus ergibt sich der Wirkungsgrad, der bei großen Transformatoren über 98 % liegt.

Das solltest du dir merken

Spannungen verhalten sich wie die Windungszahlen, Ströme umgekehrt.
Leerlaufversuch liefert die Eisenverluste, Kurzschlussversuch die Kupferverluste und u_k.
Kleines u_k bedeutet harte Spannung und hohen Kurzschlussstrom.
Kupferverluste steigen mit dem Quadrat der Last, Eisenverluste bleiben fast gleich.
Den Sekundärkreis eines Stromwandlers nie im Betrieb öffnen.

Formeln

Übersetzungsverhältnis: $\frac{U _{1}}{U _{2}} = \frac{N _{1}}{N _{2}} = \frac{I _{2}}{I _{1}}$; $U$ Spannungen in V, $N$ Windungszahlen, $I$ Ströme in A; Index 1 Primär-, 2 Sekundärseite
Bemessungsstrom eines Drehstromtransformators: $I_{N} = \frac{S _{N}}{3 \cdot U _{N}}$; $S_{N}$ Bemessungsleistung in VA, $U_{N}$ Außenleiterspannung der betrachteten Seite in V
Dauerkurzschlussstrom: $I_{k} = \frac{I _{N}}{u _{k}}$; $u_{k}$ relative Kurzschlussspannung als Dezimalzahl, starres Vornetz angenommen
Wirkungsgrad: $η = \frac{P _{2}}{P _{2} + P _{0} + x ^{2} \cdot P _{k}}$; $P_{2}$ abgegebene Wirkleistung, $P_{0}$ Leerlaufverluste, $P_{k}$ Kurzschlussverluste, $x$ Auslastung

Typische Fehler in der Prüfung

Beim Drehstromtransformator den Faktor √3 im Bemessungsstrom vergessen.
Kupferverluste bei Teillast linear statt quadratisch umgerechnet.
Groß- und Kleinbuchstaben der Schaltgruppe den falschen Seiten zugeordnet.

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Zufallszahlen

Ein einphasiger Steuertransformator setzt $U_{1} = 400 V$ auf $U_{2} = 12 V$ herab. Die Primärwicklung hat $N_{1} = 460$ Windungen. Berechnen Sie die Windungszahl der Sekundärwicklung für den Leerlauf. Runden Sie auf ganze Windungen.

Tipps aus der Werkstatt

Leerlauf liefert Eisen, Kurzschluss liefert Kupfer: So behältst du die beiden Trafoversuche auseinander. Und bei Teillast nicht vergessen, dass die Kupferverluste mit dem Quadrat sinken, bei halber Last also auf ein Viertel.

Sitzt das Thema? Teste dich mit echten Prüfungsfragen.

17 Aufgaben zu „Transformatoren“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

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Grundlage: KMK-Rahmenlehrplan Elektroniker/-in für Maschinen und Antriebstechnik, Lernfeld 6 (Elektrische Maschinen herstellen und prüfen); DIN EN 60076-1. Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.