Donnerstag, 16. April 2020

Wechselstromtechnik Teil 8: Anpassung durch Transformatoren, Abschnitt 2 Transformatoren transformieren Spannungen

Hier könnt ihr noch einmal sehr schön die grundlegende Erklärung eines Transformators durch Induktion lernen U(bitte durchsehen und Notizen machen):

Von der Induktion zum Transformator

Ein Transformator besteht aus zwei Spulen. Die Spule, an der eine Wechselspannung angeschlossen wird, nennt man Primärspule PS, die andere Spule, an der man eine Spannung abgreifen kann, nennt man Sekundärspule SS.
Dann braucht er unbedingt noch einen geschlossenen Eisenkern. Im Experiment werdet ihr gleich sehen, wozu der gut ist.

Die Windungszahlen der Spulen sind in der Regel nicht gleich.
Wir nennen ns die Windungszahl der Sekundärspule und np diejenige der Primärspule:

 np = ns:  Die Sekundärspannung Us ist so groß wie die angelegte Primärspannung Up.
                Ist eigentlich unsinng, aber solche Transformatoren trennen Stromkreise, man nennt sie Trenntrafo.

ns > np: jetzt ist Us > Up, man sagt, die Spannung  wird hochtransformiert

ns < np: Jetzt wird die Spannung runtertransformiert (zeige ich im Experiment hier nicht).

Wir werden im Experiment sehen und dann bald durch eine einfache Herleitung begründen:

Das Transformationsverhältnis der Spannungen ist immer gleich dem Verhältnis der Windungszahlen (gilt für einen idealen Trafo, was das ist kommt am Ende der Reihe ganz kurz):

Us/Up = ns/np


Die beiden Bilder zeigen euch den Aufbau, anhand der Beschriftungen kann man sich schon die Erklärung vorstellen (Formeln kommen im übernächsten Post):

wiki
sps lehrgang
Versucht mal zu erklären, warum der Trafo nicht für Gleichstrom funktioniert..., da ist immer Us = 0!

Hier mal ein Trafo direkt an einem Kraftwerk: Der macht die Hochspannung für die Überlandleitungen!

siemens

Und nun zum ersten Versuch:

 Hier erst einmal einen Überblick über den Versuchsaufbau:


Ihr könnt die Windungszahlen des ersten Experimentes ablesen: 250 zu 1000, d.h. alle angelegten Spannungen werden vervierfacht, wenn...


ja, wenn der Trafo auch vollständig zusammengebaut ist...
das durch die Primärspule erzeugte Magnetfeld muss natürlich in der Sekundärspule ankommen...

Im nächsten Video hört ihr das typische Brummen eines Trafos..., wer noch alte Netzteile hat, sollte das kennen, sonst haltet mal die Ohren an ein Trafohäuschen (am Bebelplatz steht eins, da wird eine mittlere Spannung auf die Haushaltsspannung runtertransformiert)....


Im nächsten Post gibt erst noch mehr Experimente..., dann etwas Theorie und dann bringe ich euch durch Knallen zum Schmelzen...

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





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