Wechselstromtechnik Teil 8: Anpassung durch Transformatoren, Abschnitt 1 Wozu braucht man Transformatoren?

Was ist ein Transformator?
Transformatoren wandeln elektrische Spannungen und Ströme um!

Sie funktionieren nur mit Wechselströmen, warum wird im nächsten Post klar.
Die Generatoren der Kraftwerke erzeugne bestimmte Spannungen, Geräte benötigen bestimtmer Spannungen für den Betrieb.

Wir werden sehen:

Für die Übertragung elektrischer Energie ist es sinnvoll, möglichst hohe Spannungen bei möglichst kleinen Strömen zu nutzen. Nur dabei sind die Verluste gering.
Hier haben sich Spannungen im Bereich vieler kV als sinnvoll eraus gestellt.

Im "Verbraucher" sollten die Spannungen möglichst klein sein, einmal, weil das die Bauteile einfacher in der Herstellung macht und zum anderen, weil das die Überlebenschancen für den Nutzer bei einer Fehlfunktion erhöht.
Schon früh hat man sich auf eine Wechselspannung von 220 ...230 V (Effektivwert) geeinigt, in manchen Ländern sogar nur auf 110 V.
Für moderne elektronische Geräte ist selbst das zuviel, sie arbeiten mit Gleichspannungen von einigen Volt!

Warum braucht man verschiedene Spannungen?

Spannungen können Leistungsbereiche regeln.

Für die elektrische Leistung P gilt ja: P = U*I.
Braucht ein Gerät z.B. eine Leistung von 100 W, so muss bei einer Spannung von 230 V ein Strom von 4,3 A fließen (nachrechnen!).

Spannungen geben also Leistungen  pro Ampere an, Ströme regeln dann den eigentlichen Leistungstransport.

Die Innenwiderstände in den Geräten legen fest, welche Ströme durchfließen können, d.h. sie regeln also die Leistungsaufnahme. Ein Elektroherd wird also einen kleinen Innenwiderstand haben, er braucht viel Strom und lässt ihn natürlich auch leicht fließen. Eine Stereoanlage hat einen großen Innenwiderstand, zum Betrieb reichen kleine Ströme aus.
Also:
Geräte mit unterschiedlichem Leistungsbedarf können durchaus mit der gleichen Spannung betrieben werden, wenn sie über angepasste Innenwiderstände den Stromfluss sinnvoll regeln können.

Schauen wir uns mal den unterschiedlichen Leistungsbedarf einiger Geräte an:

Smartwatch  MikroWatt

Taschenrechner: 20 mW
Beleuchtung 50 -100 W
TV 80 W
Mikrowelle kW

Elektroherd mehrere kW
Elektrolokomotive  5 MW

Alle diese Geräte mit der gleichen Spannung zu versorgen, wäre Unsinn, da funktioniert die Regelung durch Innenwiderstände nicht!

Gewitter im Taschenrechner und Supraleiter im ICE?
Die Halbleiter-Mikrochips in einer  Smartwatch und einem Taschenrechner würden bei Spannungen von 230 V bzw. gar kV kaputt gehen (die extrem schmalen Leitungen und kleinen Bauteile würden durch Spannungsüberschläge kaputt gehen) , da wird man höchstens mit einigen Volt arbeiten.

Wollte man eine Elektrolok mit 230 V betreiben, müssten da über 20 000 A fließen, da würden alle Kabel sofort durchglühen (es sei denn man würde Supraleiter nehmen...).
Die Elektrolok sollte also mit einer höheren Spannung betrieben werden, damit sinnvoll handelbare Ströme die zum Betrieb notwendige Leistung transportieren können.

Planung unserer Vorväter
Das alles war unseren Vorvätern zu Beginn des 20. Jahrhunderts schon klar, also meinen Großeltern udn euren Ur-Großeltern). Über Transformatoren wollten sie alle diese Spannungen bereitstellen. Da diese nur mit Wechselstrom arbeiten, entschieden sie sich die Stromnetze mit Wechselstrom zu betreiben und bei Bedarf diesen dann durch Gleichrichtung  in (pulsierenden) Gleichstrom umzuwandeln.
Wie wir das heute machen (Dioden aus pn-Halbleitermaterial, Brückenschaltung, Kondensator zum Glätten) haben wir ja schon früher gelernt).
Hierzu eine schöne Wiederholungsmöglichkeit:

 Gleichrichtung und Glättung

fremohemsbach

conrad

Heute könnten wir Gleichspannungen viel verlustfreier durch elektronische Schaltungen transformieren. In den Mini-Netzzteilen eurer Ladegeräte passiert das auch. Da sind keine Transformatoren mehr drin, sonst wären die viel größer und schwerer.
Und es gibt bei neuen Übertragungsstrecken  inzwischen auch Hochspannungsleitungen für Gleichstrom.

Die folgenden Darstellungen  geben einen groben Überblick über unser Stromnetz:

aus wikipedia

emf portal

Wir sehen also, dass Transformatoren ein ganz wichtiges Element in unserer technischen Kultur sind.
Deswegen, und weil man wichtige Aspekte der Induktion an ihnen wiederholt, und weil sie für die abiturrelevante Entdämpfung des Schwingkreises eine Rolle spielen, werden wir uns mit ihnen beschäftigen.
Themen:
Physikalische Erklärung
Hochspannungstrafo
Schmelztrafo
Berechnung eines Energieverlustes bei Überlandleitungen
Ausblick auf moderne Geräte