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Der Transformator |
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Beginnen wir doch gleich einmal mit dem Namen. Der Transformator ist so
bekannt geworden, dass wir uns kaum mehr Gedanken darüber machen, wie er
eigentlich zu diesem Namen gekommen ist. Der Begriff Transformator ist vom
lateinischen Wort transformare abgeleitet worden. Übersetzt bedeutet das
Wort umwandeln oder umformen. Somit wird damit eigentlich die Aufgabe
eines Transformators, der kurz auch Trafo genannt wird, erklärt.
Was
der Wandler nun bedeutet, kennen wir und daher habe ich vorher auch
erwähnt, dass der Strom- und der Spannungswandler eigentlich spezielle
Trans-formatoren sind. Nun wollen wir mit den Geräten beginnen, die
Leistungen
um-wandeln. Wir wissen nun, was der Name Transformator bedeutet, denn es ist ein Wandler. Sie standen ab 1885 zur Verfügung. Dies nachdem in Ungarn die ersten Patente an drei Herren erteilt wurden.
Das
waren neben Károly Zipernowsky (04.04.1853 – 29.11.1942), die Herren Miksa
Déri (27.10.1984 – 03.03.1938) und Ottó Titusz Bláthy (11.08.1860 –
26.09.1939). Vertrieben wurden diese ersten Transformatoren durch die
Firma Ganz + Cie in Budapest. Noch entsprach deren Transformator nicht den heutigen Modellen, aber am Prinzip hatte sich nicht viel geändert. Wichtig ist aber, dass diese Baugruppen nur mit Wechselstrom betrieben werden könnten. Da bei Drehstrom auch ein solcher fliesst, funktionieren sie auch jetzt. Lediglich bei Gleichstrom kann nicht mit diesem Bauteil gearbeitet werden. Anhänger dieer Spannung können sich einem anderen Thema zuwenden. Der Grund dafür ist simpel, denn Transformatoren funktionieren nur wenn sich die Magnetfelder der Leitungen verändern. Bleiben diese in Ihrer Polung identisch geht nichts.
Es
ist noch schlimmer, denn jetzt wirkt nur der ohmsche
Widerstand
der Leitungen. Wer einen Wandler an
Gleichstrom
anschliesst, erhält schlicht einen
Kurzschluss.
Das ist nicht der Zweck und damit kommt auch die Frage, warum das bei
Wechselstrom
nicht passiert.
Transformatoren gibt es in jeder Form und selbst die Ver-sorgung mit elektrischer Energie funktioniert bei den mei-sten Häusern mit Wechselstrom.
Sie
finden diese Bauteile nicht direkt vor, denn sie ar-beiten meistens
verdeckt und das durchaus sehr zuver-lässig, denn Schäden sind selten. Warum sich der Wechselstrom durchsetzen konnte, kann auf einfache Weise mit einem einzigen Wort beantwortet werden. Es gab den Transformator. Dadurch konnte man die Spannungen anpassen.
Waren diese hoch angesetzt, ergab das geringe Verluste. Die Anpassung der
Spannung
mit dem Transformator er-folgte nahezu ohne diese Verluste und das war
wichtig, denn die mühsam erstellte Energie will man nutzen. Ohne Verluste? Ja das Prinzip des Wandlers ist so genial, dass er hohe Leistungen umwandeln kann ohne dabei viel davon zu benötigen.
Aus
diesem Grund wird bei diesem Geräten eigentlich immer nur die übertragbare
Leistung
angegeben. Wie das gehen soll ist bereits im Begriff Transformator
enthalten, denn wir wandeln um und nutzen nicht. Die Verluste entstehen
durch die ohmschen
Widerstände
in den Leitungen.
Genau genommen arbeiten die meisten Transformatoren nach dem Prinzip des
Spannungswandlers. Doch letztlich spielt es kaum eine Rolle, denn der
Begriff Transformator ist ein so geläufiges Wort, dass niemand ernsthaft
von einem Wandler sprechen wird. Das ist wirklich nur eine Spinnerei der
Fachleute, die sich so etwas wichtiger geben wollen, als sie sind. Daher
denke ich, dass wir den Wandler ansehen sollten. |
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Das Funktionsprinzip |
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Die
Funktion eines Transformators basiert auf dem Prinzip des
Elektromagnetismus. Ganz einfach kann man sagen, dass man für einen
Transformator grundsätzlich drei Bauteile benötigt. Das sind zwei Spulen,
oder Wicklungen und einen Kern aus Eisen oder Ferrit. Wenn man das richtig
anordnet, entsteht ein funktionierender Transformator. Doch schauen wir
uns das Funktionsprinzip etwas genauer an und das beginnt bei den Worten,
die ich verwendet habe.
Das
ist wirklich etwas, das nur für die Leute ist, die sich mit
Transformatoren befassen müssen. Dort sind auch die Herren Tesla und Henri
keine unbekannten Personen. Wir hier wollen jedoch nicht so stark ins
Detail gehen, denn dann wird es für Laien zu kompliziert. Wenn wir die Spule ansehen wollen, müssen wir uns in einen anderen Bereich vor-wagen. Nehmen Sie mal das Nähkästchen Ihrer Frau zur Hand. Dort finden Sie den Faden, der auf einer Rolle aufgewickelt wurde.
Stellen Sie sich vor, der Faden wäre ein Draht aus Kupfer und schon haben
Sie eine elektrische Spule. Auch beim Faden spricht man von einer Spule.
Sie können es mit glauben, gewisse Spulen bei einem Transformator sehen
tatsächlich ähnlich aus. Diese Spulen, die auch Wicklungen genannt werden, bieten dem Strom, der sie durchfliesst einen gewissen Widerstand. Das ist soweit klar, denn wir wissen, dass ein Material einem Strom einen gewissen Widerstand bietet.
Das
ist in der Spule nicht anders, denn die Wicklung besteht aus einem
metalli-schen Draht. Verwendet wird meistens Kupfer, es kann aber auch
Aluminium ver-wendet werden. Wobei man klar dem Kupfer den Vorrang gibt.
Ich
hoffe doch, sie haben nun die Spule mit dem Faden noch nicht zu weit
weg-gelegt. Diese Spule hat in der Mitte ein Loch. In der Nähmaschine
stecken Sie nun die Spule mit dem Faden auf einen metallischen Dorn. Jetzt
stellen Sie sich vor, man bildet mit diesem Eisendorn einen Ring, wo man
zwei Spulen steckt. Natürlich macht das beim Faden keinen Sinn, aber beim
Transformator, denn dann spricht man von einem Kern.
Ob
dieser nun rund oder eckig ist, spielt für die Funktion des Transformators
keine Rolle. Es bleibt uns nun eigent-lich nichts anderes mehr übrig, als
die Funktion nun ge-nauer anzusehen. Dabei verwenden wir ein paar
Fach-begriffe. Die Primärwicklung: Die Primärwicklung ist der eigent-liche Eingang des Transformators. Diese Wicklung wird bei der Lokomotive mit dem Stromabnehmer und der Erd-ungsbürste verbunden.
Daher auch der Name Primärwicklung, denn sie liegt auf der ersten Seite
des Transformators. Wobei das eigentlich für die Funktion keine Rolle
spielt, denn man könnte den Transformator auch in die andere Richtung
betreiben.
Diese Primärwicklung, die auch Primärspule
genannt wird, erzeugt durch den
Strom,
der durch die Leiter fliesst ein Magnetfeld. Das passiert eigentlich bei
jeder Spule, die von Strom durchflossen wird. Dadurch entsteht im Kern aus
Eisen eine elektromagnetische Induktion. Der
Widerstand
in den Leitungen der Spule steigt dadurch an, so dass neben dem normalen
Widerstand auch ein induktiver Widerstand entsteht.
Wir
haben nun eine Spule, die durch die
Wechselspannung
ein magnetisches Feld erzeugt. Dieses magnetische Feld um die Leitungen
kennen Sie vielleicht und Sie fürchten sich bei der Hochspannungsleitung
über dem Dach davor, denn genau diesen Magnetismus nutzt man im
Transformator nun um die gewünschte Funktion zu erreichen. Das heisst, die
magnetischen Felder werden in den Eisenkern induziert. Daher wechseln wir
nun auch zum Eisenkern.
Sie
haben vielleicht im Fernsehen schon von solchen Magnetfeldern gehört.
Diese gibt es natürlich und wir leben nur auf diesem Planet, weil es diese
Magnetfelder gibt. Die Magnetfeldlinien treten beim Nordpol aus und bilden einen Kreis, der sie durch das All wieder zum Südpol führt. Diese Magnetfeldlinien verhindern, dass kosmi-sche Strahlung, wie der Sonnenwind, auf den Planeten treffen kann.
Bei
den Polen, wo die Linien eine Lücke bilden, können diese Strahlen in die
Atmosphäre eindringen und dort die bekannten Nordlichter bilden, die am
Südpol logischerweise Südlichter genannt werden. Diese Feldlinien entstehen nun auch in unseren Eisenkern. Es entsteht ein mag-netischer Fluss. Wie dicht dieser magnetische Fluss ist, hängt vom Metall und von den elektrischen Daten ab.
Wir
hier beschränken uns darauf, dass durch die Primärspule im Eisenkern ein
magnetischer Fluss entsteht. Die elektrischen Daten sind zum Beispiel die
Fre-quenz, denn je niederer diese
Frequenz
ist, desto schlechter sind die Induktion und daher der magnetische Fluss.
Hier liegt auch der Grund, dass ein Transformator, der für 50
Hertz
ausgelegt ist, unter 16.7 Hertz nur eine geringere
Leistung hat.
Durch die geringere Frequenz kann im Eisenkern nur ein kleinerer
magnetischer Fluss erzeugt werden. Will man einen Transformator für 16.7
Hertz bauen, benötigt man deshalb viel mehr Eisen. Dadurch steht mehr
Platz für den magnetischen Fluss bereit und der Transformator funktioniert
wieder richtig.
Daher kann der Transformator mit
Gleichstrom
nicht betrieben werden. Bei Gleichstrom entsteht trotz der Induktion im
Eisenkern kein magnetischer Fluss. Daher kann auch keine
Spannung
in die zweite Spule übertragen wer-den. Wie das geht, sehen wir uns an.
Die Sekundärwicklung: Die Sekundärwicklung ist die zweite Wicklung in einem Transformator. Durch den magnetischen Fluss im Eisenkern, wird nun in dieser Wicklung eine Induktion erfolgen.
Das
Prinzip funktioniert nun eigentlich umgekehrt zur Primärwicklung, wo mit
Hilfe der
Spannung
eine magnetische Induktion erfolgte. Jetzt erfolgt durch den magnetischen
Fluss eine elektrische Induktion und es entsteht eine Spannung.
Die Sekundärspule wird dabei eine
Wechselspannung
mit der gleichen Fre-quenz erzeugen. Der Grund ist simpel, denn die
Frequenz
hängt davon ab, wie oft in einer Sekunde der magnetische Fluss seine
Richtung ändert. Diese Richtungsänderungen sind aber von der Primärspule
und der dort anliegenden Frequenz vorgegeben. Daher kann in der
Sekundärwicklung des Wandlers nur die gleiche Frequenz entstehen.
Damit haben wir uns nun mit Fachbegriffen befassen müssen. Vereinfacht
ausgedrückt erzeugt die erste Spule eine Induktion. Diese führt zu einem
magnetischen Fluss, welcher dann eine zweite Induktion in der zweiten
Spule hervorruft. Für den Laien reicht es eigentlich, wenn er weiss, dass
im Eisenkern ein Magnetfeld entsteht. Warum das nun fliessen muss oder
nicht, ist schon etwas für Profis. Jedoch können Sie eine Berechnung
durchführen.
Der
Strom
der in dieser Leitung fliesst, liegt bei einem
Ampère.
Damit wird nun im Eisenkern ein magnetischer Fluss erzeugt. Dieser hat nun
Auswirkungen auf die zweite Spule. Bei der Sekundärspule haben wir 150 Windungen und so-mit eine Spannung von 150 Volt. Mit dem Strom passiert nun etwas ganz anderes, denn hier verläuft der Wert umgekehrt. Das heisst, wir erhalten mehr Strom, als in der Primärspule fliesst.
Wenn primär ein Ampère fliesst, erhalten wir sekundär 100
Ampère.
Diese Berechnung nennt man Transformator-formel. Den Grund dafür sehen
wir, wenn wir die
Leistung
dieses Transformators ansehen.
Die
vorhandene
Leistung in
der Primärwicklung rechnen wir daher 15 000
Volt
mal ein
Ampère,
so entsteht eine Leistung von 15 000 VA. Genau diese Leistung muss nun
auch auf der sekundären Seite anliegen. Wenn wir die Leistung durch die
Spannung
von 150 Volt teilen, erhalten wir 100 Ampère. Das stimmt jedoch nur
theoretisch, denn praktisch haben wir ohmsche
Widerstände
in den Spulen, aber auch im Eisenkern und somit einen Verlust.
Unser Transformator hat noch einen Nebeneffekt, den wir nicht
vernachlässigen dürfen. Berühren wir einen Draht der Sekundärspule und
stehen auf dem Boden unserer
Lokomotive passiert nichts.
Wir bekommen keinen Stromschlag, weil es zwischen der Sekundärspule und
dem Boden keine elektrische
Verbindung
gibt. Das macht man sich bei speziellen Transformatoren zu nutze. Deshalb
wollen wir uns nun ein paar Bauformen von Transformatoren ansehen.
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Die Bauformen |
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Den
vorher mit der Funktion beschriebenen Transformator, nennt man auch
Normaltransformator. Ein Transformator ist also normalerweise so aufgebaut
worden. Das heisst, er hat zwei Spulen, die elektrisch nicht miteinander
verbunden sind und einen gemeinsamen Eisenkern. Man nennt das auch eine
galvanische Trennung der beiden Spulen. Wir haben daher zwei komplett
voneinander getrennte
Stromkreise.
Es verwundert deshalb nicht, dass unser Transfor-mator das grösste und schwerste Bauteil bei einer Lokomotive ist.
Deshalb benötigen wir einen speziellen Ort um den Transformator zu
montieren. Das ist meistens in der Mitte der
Lokomotive. So ist die
Gewichtsverteilung möglichst gleichmässig. Bei modernen Lokomotiven, aber auch bei Trieb-wagen werden die Transformatoren unterflur mon-tiert. Das heisst, sie sind nicht mehr im eigentlichen Maschinenraum platziert, sondern unter dem Fahr-zeugboden aufgehängt.
Der
Vorteil dieser Bauweise ist, dass der Durchgang durch das Fahrzeug in
einem geraden Gang möglich ist. Einen Nachteil bildet jedoch die Gefahr
von Be-schädigungen durch im
Gleis
liegende Gegenstände. Soweit zu den normalen Transformatoren. Diese wer-den normalerweise so aufgebaut. Die nachfolgend aufgeführten Transformatoren haben allesamt eine spezielle Bezeichnung erhalten.
Wenn Sie deshalb einen Transformator für Ihre Modellbahn kaufen, können
Sie sicher sein, dass es sich um einen normalen Transformator handelt. Die
Vorschriften lassen dort nämlich nur einen der hier nachfolgend
beschriebenen Transformatoren zu.
Der Trenntransformator:
Beginnen wir mit dem speziellen Transformator, der mit dem vorgestellten
Standardmodell am nächsten verwandt ist. Speziell an ihm ist die Tatsache,
dass er keine Veränderung der
Spannung
bewirkt. Sie haben richtig gelesen, der Trenntransformator hat zwei
identische Spulen und bewirkt daher keine Änderung der Spannung. Nur,
warum baut man denn diesen Transformator überhaupt?
Es
gibt zwischen dem
Stromkreis
vor und nach dem Trenn-transformator keine elektrische
Verbindung.
Am besten erkläre ich das an einem Beispiel, das Sie besser verstehen
können. Gehen wir dazu in Ihr Bad. Sie liegen genüsslich in der Bade-wanne und daneben frisiert sich gerade Ihre Frau. Dabei ent-gleitet ihr der Föhn und fällt in Ihre Badewanne. Dabei passiert folgendes.
Der
Strom
im Föhn wird durch Ihr Badewasser mit der Erde ver-bunden und es fliesst
nun ein hoher Strom gegen die Erde ab. Der Grund dazu liegt im
Kraftwerk,
denn dort ist ein Leiter, der so genannte Nullleiter mit der Erde
verbunden. Sie erleiden dadurch einen tödlichen Stromschlag und Ihre Frau kann endlich den Hausfreund zu sich ziehen lassen. Das sind dann Ihr Pech und das Glück Ihrer Frau.
Zumindest dann wenn sie ihn hat absichtlich fallen lassen. Natürlich ist
das Beispiel frei erfunden und sollte nicht nachgeahmt werden. Gehen Sie
daher nie baden, wenn sich Ihre Frau frisiert. Sicher ist sicher, denn das
ist wirklich sehr gefährlich, es sei denn, man baut die Stromversorgung
für das Badezimmer speziell.
Haben Sie nun einen Trenntransformator in die Stromversorgung des
Badezimmers eingebaut, ist dessen zweite Spule nicht über einen
metallischen Leiter mit dem
Kraftwerk
verbunden, da die beiden Spulen keine elektrische
Verbindung
zu einander haben. Sie sind wie beim normalen Transformator galvanisch
getrennt, haben jedoch auf beiden Seiten gleiche Spannung. Der
Trenntransformator, trennt nun Ihr Badezimmer elektrisch vom
Hausanschluss.
Es
entsteht zwar ein
Kurzschluss
auf der Sekundärspule des Trenntransformators aber auch nicht mehr. Der
Trenntransformator schützt Sie aber nicht Ihre Frau, denn Sie können sie
nun zur Rechenschaft ziehen und rechtliche Schritte einleiten. Versuchen Sie es nicht, Ihr Haus hat sicher keinen Trenntransformator und Sie sollten aufpassen, wenn Ihre Frau die Haare trocknet und Sie in der Badewanne liegen.
Trenntransformatoren werden jedoch in öffentlichen Bä-dern für die
Beleuchtung
der Schwimmbecken verwendet. Bei speziellen Arbeiten, wo es eventuell für
den Arbeiter zu gefährlich werden kann, sind ebenfalls solche
Trenn-transformatoren sogar durch den Gesetzgeber vorge-schrieben. Solche Trenntransformatoren sind aber auch in Lokomo-tiven im Einsatz, denn ein Transformator mit zwei Spulen ist immer ein Trenntransformator, auch wenn er die Spannung umwandelt.
Deshalb merken Sie sich, dass ein Transformator mit zwei Spulen immer eine
galvanische Trennung ermöglicht. Es sei denn, Sie sind so blöd und
verbinden ein Kabel der sekundären Seite mit der Erde. Jedoch ist Ihnen
dann nicht mehr zu helfen.
Der Spartransformator:
Da Metalle schwer
sind, versucht man immer wieder Lösungen zu finden, um bei einem
Transformator Gewicht zu sparen. Daher blicken wir auf die Metalle, die in
einem Transformator verwendet werden. Der Kern ist aus Eisen und er kann
nicht verändert werden. Daher kann man nur beim Kupfer und dabei bei den
Spulen Gewicht sparen. Machen wir das, erhalten wir einen
Spartransformator.
Wie wir bereits wissen ist das der
Kupfer in den Wick-lungen. Die zweite Spule des Normaltransformators
er-setzt man durch eine sparsame Lösung und so wird eine Sparschaltung
vorgenommen. Diese sollten wir ansehen. Gerade bei Lokomotiven mit hohen Leistungen, wurde früher oft um jedes Gramm gekämpft. Wobei das nicht der einzige Ort für solche Wandler ist, denn Sie werden es kaum vermuten, aber in Ihrem Auto gibt es auch einen Transformator.
Diese Autotransformatoren sind jedoch genau gleich
auf-gebaut, wie der hier vorgestellte Spartransformator. Da-her werden
Spartransformatoren oft auch Autotransfor-mator genannt
Um nun die,
bei einem Transformator gewünschte Veränderung der
Spannung zu bewirken,
nutzt man eine Eigenschaft von Spulen, die in einem Transformator
verwendet wurden. Die Spannung wird innerhalb der Spule gleichmässig
verringert. Das heisst, je näher ich die Spannung in der Spule beim
Erdpunkt messe, desto geringer ist die gemessene Spannung. Die volle
anliegende Spannung ist nur an den beiden Enden der Spule vorhanden.
Ein Abgriff innerhalb einer Spule nennt man Anzapfung. Anzapfungen sind
daher nichts anderes, als Anschlüsse irgendwo innerhalb der Spule, wo man
eine Spannung abzapft. Dazu nehmen wir wieder unseren Transformator mit
den vereinfachten Werten. Ich hatte dort in der Primärspule 15 000
Windungen. Baue ich in dieser Spule nach 150 Windungen einen Anschluss
ein, habe ich die gleiche
Spannung wie auf der anderen Spule.
Womit wir eigentlich schon bei
der Regulierung der Fahrmotoren angelangt sind. Dazu kommen wir in diesem
Artikel aber erst weiter unten. Doch gehen wir zur klassischen Modellbahn,
wie es sie vielleicht bei Ihnen im Kinder-zimmer gibt. Der Modellbahntransformator: Transformatoren für Modellbahnen müssen sich an spezielle Vorschriften halten. Hier kommen daher Transformatoren mit zwei Wicklungen zum Einsatz.
So ist gesichert,
dass es keine Gefahr für die Kinder gibt. Es muss daher ein
Trenntransformator mit unterschiedlichen
Spannungen verwendet werden.
Ausnahmen von dieser Vorschrift gibt es keine, denn das ist der wichtigste
Teil des Transformators. Damit die Spannung für die Züge reguliert werden kann, wurde die Sekun-därspule dieser Modellbahntransformatoren speziell gefertigt. Die Wicklungen dieser Spule liegen im Transformator schön gereiht nebeneinander.
Zudem sind die
Drähte der Wicklung an der Oberfläche von der
Isolation
befreit. Das
Metall liegt daher blank an der Oberkante der Spule. Dort kann man nun die
verlangten
Spannungen abgreifen.
Das erfolgt
mit einem Schleifer, der über diese blanken Windungen verschoben wird.
Schliesst man nun an diesem Schleifer ein Kabel an, kann man
unterschiedliche
Spannungen abgreifen. Der Schleifer verschiebt sich auf
der Spule und je nach Stellung wird eine andere Spannung abgenommen. Wir
haben dadurch nahezu eine stufenlose Regelung der Spannung. Sie können die
Züge auf der Modellbahn damit regulieren und sich so am Betrieb erfreuen.
Ob Sie nun einen Modellbahntransformator, oder
eben die gleitende Ausführung haben, spielt keine Rolle, denn vom
grundsätzlichen Aufbau her gibt es keine Unterschiede. Damit sind wir nun am Ende der Sonderbauformen ange-langt. Die Transformatoren für die Modellbahn haben nun aber gezeigt, dass die Spule mit isoliertem Draht aufge-baut wurde.
Jede Lösung hat den gleichen Effekt bei der
Spannung zur
Folge. Jedoch müssen wir und nun noch mit der
Leistung des Gerätes
befassen, denn die Bauform hat doch Aus-wirkungen auf diese und Energie
sollte gespart werden, wo es nur geht. Die vorher berechneten Werte für unser Muster behan-delten nur die Leistung, die vom Transformator über-tragen werden kann.
Im Verhältnis ist der Ausgang mit
dem Eingang identisch. Diese Lösung ohne einen Bedarf beim Gerät ist
schlicht nicht möglich und jetzt kommen die Spulen in Spiel, denn diese
bestehen aus Kupfer, die
Elektrizität leiten. Wer sich damit schon befasst
hat, der weiss, dass das zu einem
Widerstand führt.
So wird in
einem ohmschen
Widerstand von Transformator eine
Leistung benötigt. Diese
ist jedoch so gering, dass sie in den Datenblättern nicht angegeben wird.
Bei einem Transformator ist wichtig, war er umwandeln kann und nicht das
was er selber verbraucht. Das grosse Problem ist, dass das Bauteil sehr
schwer ist und daher könnte man doch auch am Material etwas sparen. Das
geht, aber das ist ein eigenes Kapitel.
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