Wie funktioniert ein Transformator?  Einfache Erklärung - Aufbau und Funktion
Ingenieurskunst - Patrick Sauter
https://www.youtube.com/watch?v=rTVu1lZMPG0

Transkript (automatisch erstellt)

0:00 Ohne die Entwicklung des Transformators würde vielleicht unser gesamtes Stromnetz heute auf Gleichstrom basieren.
0:08 Warum das so ist und wie ein Trafo funktioniert, erfahrt ihr in diesem Video. Und damit Hallo und herzlich willkommen bei Ingenieurskunst - dem Kanal für
0:24 technisches Verständnis und einfache Erklärungen, die jeder versteht. Transformatoren, oft auch in der Kurzform Trafos genannt,
0:35 sind aus unseren Stromnetzen nicht wegzudenken. Man findet sie in jedem Kraftwerk und an jeder Umspannstation und auch in vielen anderen elektrischen Geräten werden sie eingesetzt.
0:46 Anwendung finden sie immer dort, wo das Spannungsniveau einer Wechselspannung geändert werden soll. Also beispielsweise in der Umspannstation,
0:56 in der eine Hochspannungsleitung mit 110-300 kV Spannung ankommt und für das lokale Mittelspannungsnetz auf 10-30 kV heruntertransformiert wird.
1:07 Ein Transformator besteht in der Regel aus einem geschlossenen Eisenkern und Spulen. Der Einfachheit halber betrachten wir hier
1:15 einen einphasigen Transformator mit einem rechteckigen Eisenkern. Auf der sogenannten Primärseite ist dieser Eisenkern mit einem mit Isolationslack
1:25 beschichteten Kupferdraht bewickelt. In diesem Beispiel besteht die Spule aus 4 Leiterschleifen, die sogenannte Windungszahl N ist also 4.
1:35 Auf der anderen Seite, der sogenannten Sekundärseite befinden sich 8 Windungen, also N = 8.
1:44 Wird nun eine Wechselspannung mit der Amplitude U1 an Spule 1 angelegt, bewirkt diese entsprechend dem Induktionsgesetz einen wechselnden magnetischen Fluss im
1:56 Eisenkern. Dieser magnetische Fluss fließt aufgrund der deutlich größeren magnetischen Permeabilität zum größten Teil im Kreis durch den Eisenkern. Der Eisenkern
2:07 ist sozusagen ein magnetischer Leiter, vergleichbar mit einem Draht im Stromkreis. Dieser wechselnde magnetische Fluss geht durch
2:16 die Windungen auf der Sekundärseite und induziert hier eine Spannung U2. Vernachlässigt man Verluste durch den Wicklungswiderstand und magnetischem Streufluss,
2:27 der nicht durch den Eisenkern geht, erhält man die Gleichungen des idealen Transformators. Das Verhältnis der Spannungen U1 durch U2 ist gleich dem Verhältnis
2:38 der Windungszahlen N1 durch N2. Im Beispieltransformator ist die Ausgangsspannung U2 also doppelt so groß wie die Eingangsspannung U1, da N2 durch N1 gleich 2.
2:51 Dieser Zusammenhang liegt daran, dass in jeder Leiterschleife der gleiche magnetische Fluss herrscht und dadurch in jeder Leiterschleife
3:00 die gleiche Spannung induziert wird. Je mehr Leiterschleifen auf einer Seite sind, desto größer ist die Spannung auf dieser Seite im Verhältnis zur Spannung auf der anderen Seite.
3:10 Das Verhältnis aus den Windungszahlen N1 durch N2 wird dabei Übersetzungsverhältnis ü genannt. Beim idealen Transformator wird die gesamte Leistung von der Primärseite
3:23 P1 auf die Sekundärseite P2 übertragen. Der Wirkungsgrad beträgt also 100 %. Dadurch ergibt sich die Gleichung für die Ströme auf Primär und Sekundärseite -> U1 *I1 = U2*I2
3:40 Beim Beispieltransformator ist der Strom am Ausgang also halb so groß wie der Eingangsstrom. Während sich der Ausgangsstrom also mit dem Übertragungsverhältnis erhöht, verringert sich die
3:57 Spannung mit dem Faktor ü. Oder einfacher gesagt, je mehr Windungen auf der Sekundärseite, desto größer die Ausgangsspannung und desto kleiner der Ausgangsstrom, bei gleicher Primärwicklung.
4:10 Aus diesem Zusammenhang ergibt sich auch direkt die wichtigste Anwendung des Transformators. Mit einem Transformator kann sehr einfach die Amplitude einer Wechselspannung erhöht werden,
4:22 wodurch sich gleichzeitig die Amplitude des Stroms verringert. Dadurch ist es möglich Spannungen sehr hoch zu transformieren, beispielsweise auf bis zu
4:32 300 kV in unseren heutigen Übertragungsnetzen. Dadurch verringern sich die Ströme deutlich und damit auch die Verluste bei der Übertragung über lange Strecken. Am Ziel-Ort wird die
4:45 Spannung dann wieder mittels Transformator reduziert und die Energie dort genutzt. So wurde Ende 18-hundert auch der sogenannte Stromkrieg mithilfe des Transformators
4:59 entschieden. Dabei ging es um die Wahl zwischen Gleichstrom und Wechselstrom in Stromnetzen. Damals existierten bereits die ersten Gleichstromnetze
5:10 beispielsweise in New York. Aufgrund der hohen Übertragungsverluste konnten jedoch immer nur Verbraucher innerhalb von wenigen 100 m um das Kraftwerk herum versorgt werden.
5:21 Als dann, am 25. August 1891 in Deutschland dank eines Transformators eine Wechselspannung über 176 km von Lauffen zu einer internationalen Weltausstellung
5:36 in Frankfurt übertragen werden konnte, läutete dies den Sieg des Wechselstroms ein. Auf der Ausstellung wurden damit über 1000 Glühbirnen
5:45 sowie ein künstlicher Wasserfall betrieben. Mit dieser neuen Technologie war es möglich große Kraftwerke zu bauen,
5:53 beispielsweise Wasserkraftwerke an großen Wasserfällen und die elektrische Energie in Ballungsräume zu transportieren. Daher werden auch heute noch ein
6:04 Großteil aller elektrischen Netze weltweit mit Wechselstrom betrieben. Neben den zahlreichen Anwendungen im elektrischen Netz und der Energietechnik
6:13 werden Transformatoren auch in elektrischen Geräten selbst häufig eingesetzt. So nutzen Netzteile und Schaltnetzteilen beispielsweise zum Laden deines Smartphones oder deines
6:25 Laptops ebenfalls einen Trafo. Auch in der Signalübertragung sowie in der Messtechnik werden Transformatoren heutzutage eingesetzt.
6:34 Der Trafo ist also eine der wichtigsten technischen Errungenschaften für unsere elektrifizierte Welt und wird auch in der Zukunft weiterhin eine wichtige Komponente bleiben.
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