Aufbau. Zwei Spulen liegen auf einem Eisen-Kern Der Eisen-Kern dient der Führung des Magnetfelds

Transkript

1 Der Transformator

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3 Aufbau Zwei Spulen liegen auf einem Eisen-Kern Der Eisen-Kern dient der Führung des Magnetfelds

4 Wirkungsweise Zwei Spulen teilen sich den magnetischen Fluss Primärspule : Es liegt eine Wechselspannung an der Strom, und damit der magnetische Fluss, stellt sich so ein, dass die induzierte Gegenspannung gleich der Betriebsspannung ist Sekundärspule : liegt im magnetischen Fluss der Primärspule Der magnetische Fluss induziert eine Spannung proportional zur Windungszahl

5 Selbst-Induktion an zwei Spulen

6 Selbst-Induktion an zwei Spulen

7 Ein Transformator besteht aus einer Primärspule (Feldspule) und einer Sekundärspule (Induktionsspule). Ändert sich in der Primärspule der Strom (Einschalten, Ausschalten, Wechselstrom), so wird in der Sekundärspule bei jeder Änderung eine Spannung erzeugt. Ein gemeinsamer Eisenkern verstärkt den Effekt.

8 Grundprinzip des Transformators (1) Die Spule 1 (Primär-, Feldspule) kann ein Magnetfeld aufbauen, wenn sie von einem Strom durchflossen wird. Dieses Magnetfeld durchsetzt auch Spule 2 (Sekundär,- Induktionsspule) und kann in ihr eine Spannung induzieren. (1) Ist der Schalter geöffnet, fließt kein Strom. (2) Der Schalter wird geschlossen: Spule 1 baut ein Magnetfeld auf; dieses steigende Magnetfeld durchsetzt auch Spule 2. In Spule 2 entsteht eine Induktionsspannung. (3) Das Magnetfeld in Spule 1 ist voll aufgebaut und ändert sich nicht mehr. In Spule 2 ändert es sich ebenfalls nicht. keine Induktionsspannung (4) Der Schalter wird geöffnet. In Spule 1 und 2 nimmt das Magnetfeld ab. Es entsteht wieder eine Induktionsspannung. 8

9 Grundprinzip des Transformators (2) Ein Eisenkern in der Feldspule verstärkt die Feldänderung. Beim Auf- und Abbau des Magnetfeldes werden die Elementarmagnete im Eisenkern ausgerichtet und verstärken so die Änderung des Gesamtfelds der Spule. Magnetfeldlinien werden gebündelt Dadurch ändert sich auch das Feld in Spule 2 stärker, was wiederum eine größere Induktionsspannung ergibt. Spule 2 9

10 Grundprinzip des Transformators (3) Zwei Spulen auf einem Eisenkern = Transformator Besonders gut wird der Effekt, wenn Spule 1 und Spule 2 einen Eisenkern tragen und dieser geschlossen wird. Die ringförmigen magnetischen Feldlinien verlaufen dann vollständig im Eisenkern. Eine solche Anordnung nennt man einen Transformator. Für einen Transformator gilt: U 1 /U 2 = N 1 /N 2, Windungszahlen N Energieübertragung: U 1 I 1 = η U 2 I 2 10

11 V: 2 Spulen mit N = 600

12 Unbelasteter Transformator (im Sekundärkreis fließt kein Strom).

13 Np Ns Up in Volt Us in Volt Windungszahl der Primärspule Windungszahl der Sekundärspule Spannung an der Primärspule Spannung an der Sekundärspule

14 Die Spannungen verhalten sich wie die Windungszahlen. U : : U N N 2

15 An den Spulen induzierte Spannungen U 1 N 1 U 2 N 2 I 1 u I 2 Versuch

16 Der Transformator F1 F1 F2 1,0 0,5 t Y Axis Title 0,0-0,5 t -1, X Axis Title F1 Y Axis Title ,00 0,25 X Axis 0,50 Title 0,75 1,00 X Axis Title 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 Der Transformator wird mit sinusförmigem Wechselstrom betrieben

17 Induzierte Spannung U1, IND di1 L1 n1 dt U2, IND d dt d n2 dt Änderung des magnetischen Flusses in der Primärspule und in dieser Spule selbstinduzierte Spannung, die gleich der Quellenspannung ist Induzierte Spannung in der zweiten Spule U U 1, IND 2, IND n n 1 2 Die induzierten Spannungen verhalten sich wie die Windungszahlen L 1 Selbstinduktivität der Primärspule

18 Belasteter Transformator (im Sekundärkreis fließt Strom) Die Leistung in der Primärspule ist gleich der Leistung in der Sekundärspule plus Verluste. P 1 P 2 Verluste Verlustleistung P=U.I=I.R.I=I 2.R

19 Für einen idealen (verlustfreien) Transformator gilt dann etwa: U I U I 1 oder I 1 2 : : I N N 1 Die Ströme verhalten sich umgekehrt wie die Windungszahlen.

20 Anwendungen: Hochspannungstransformator, Hochstromtransformator (Schweißtrafo) Kleinspannungstrafos (Netzgeräte)

21 Hochspannungstransformator 230V~ 2mm 600 Windungen Windungen 21

22 Hochstromtransformator Arbeit mit vergleichsweise geringen Spannungen: Sekundärseitig fließt ein großer Strom I 2. => Reibungswärme => Der Nagel glüht auf und schmilzt durch. Wasser kocht, Metall schmilzt. Solche Hochstromtransformatoren werden beim Schweißen (U = 4 V) oder Schmelzen von Metallen eingesetzt. 22

23 Hochspannungsübertragung Verringerung der Leitungsverluste durch Hochspannung U G = 22 kv U L = 220 kv U V = 220 V P G = 110 MW P L = 110 MW P V = 110 MW I G = 5000 A I L = 500 A I V = A P th = 12,5 kw/km Für 50km Leitungslänge: P th = 625 kw 0,6% von P L mit U L = 22 kv gerechnet: P th = 62,5 MW 60% von P L I = P/U Leitungswiderstand: R = 0,05 Ω/km Leitungsverlust: P th = R I² 23

24 Hochspannungstransformator n 1 = 600 n 2 = U 1 = 230V U 2 =?

25 Wenn eine Wechselspannung 'hochtransformiert' werden soll, dann muss die Sekundärspule viel mehr Windungen aufweisen als die Primärspule. Beim Experiment mit den Hörnerbogen wird die Spannung auf etwa 6 kv hochtransformiert. Soll auf der Sekundärseite dagegen ein Starkstrom fließen, dann weist die Sekundärspule nur wenige, aber sehr dicke Windungen auf, damit der Widerstand sehr klein ist. Die Sekundärspannung wird herunter transformiert, im Gegenzug fließt ein sehr großer Sekundärstrom.(Schweißzangen, Induktionsöfen) Mit Hilfe von elektronischen Bauteilen ist es heute leicht möglich Wechselstrom in Gleichstrom und umgekehrt Gleichstrom in Wechselstrom zu wandeln.

26 Elektrischer Energietransport Transformatoren sind auch sehr bedeutsam bei Hochspannungsleitungen. Damit kann elektrische Energie mit geringen Verlusten über riesige Entfernungen transportiert werden. In einem Modellexperiment wird die Haushaltspannung von 230 V an einer Seite der Übertragungsstrecke hochtransformiert und nach einer Strecke wieder auf 230 V herunter transformiert.

27 Hochspannungsleitung Um die üblichen Entfernungen von mehreren 100 km vom Kraftwerk zum Kunden im Labor zu simulieren, sind im Hochspannungsteil große Widerstände von insgesamt 4k eingefügt (nasse Schnur). Trotzdem betragen die Übertragungsverluste weniger als ein Prozent. Eine Modellrechnung verrät den Trick: Es kommt darauf an, die Stromstärke möglichst weit herunter zu transformieren, denn die Verlustleistung in den Hochspannungsleitungen sinkt mit dem Quadrat des Abschwächungsfaktors. Die Hochspannung (220 kv bzw. 380 kv) ist dabei nur die Konsequenz.

28 Weshalb Wechselstrom? Nur bei sinusförmigem Wechselstrom ist der zeitliche Verlauf der Spannungen in der Primär- und Sekundärspule gleich denn die Sekundärspannung ist proportional zur zeitlichen Ableitung des Stroms in der Primärspule Bei zeitlicher Ableitung bleibt die Sinus-Form bis auf eine Phasenverschiebung erhalten Tesla und Westinghouse gegen Edison U U 1 2 n n 1 2 Die Spannungen verhalten sich wie die Windungszahlen