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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Transformatorverhalten


Autor: Sich Fragender (Gast)
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Hallo,

Wie verhält sich ein Transformator Sekundärseitig, wenn Primärseitig 
z.B.eine doppelt so hohe Spannung angelegt wird wie eigentlich 
vorgesehen.

In der Theorie gibt es eine einfache Formel die Besagt:

U1/N1 = U2/N2

Danach müßte Sekundärseitig der Trafo also bei doppelter Primärspannung 
die doppelte Sekundärspannung liefern. (theoretisch)

In der Realität wird man das so vermutlich nicht erleben.
Ein Trafo ist baulich für einen Eingangsspannungsbereich und einen 
Ausgangsspannungsbereich konzipiert.
Der Eisenkern ist so ausgelegt, dass der einen bestimmten magnetischen 
Fluß aufnehmen kann.

Wenn ich nun am Realen Trafo Primärseitig die Spannung langsam 
hochdrehe, dann stelle ich fest, dass der Sekundärseitig nur bis zu 
einem gewissen Grad die Ausgangsspannung nahezu linear zur 
Eingangsspannung hochlaufen lässt.

Ab einem gewissen Grad, ist es der Ausgangsspannung nicht mehr möglich 
anzusteigen. Obwohl die Primärspannung weiter hochgedreht wird.
Der Primärstrom steigt allerdings gewaltig an!
(Z-Dioden Verhalten)


Nun meine Frage.
Das langsame hochdrehen der Eingangsspannung hat gezeigt, das der Reale 
Bestimte Trafo ausgangsseitig max. ca.30% der nominalen Ausgangsspannung 
liefert, wenn die Eingangsspannung rücksichtsloß hochgedreht wird.
Dannach wird die Ausgangsspannung begrenzt und der Strom steigt an.
(Eisen ist vermutlich in Sättigung und kann nicht mehr Feldlinien 
aufnehmen.)

Wie sieht es aus, wenn die Eingangsspannung schlagartig um den Faktor 2 
des nominalen Eingangswertes erhöht wird?

Liefert der Trafo dann vielleicht für eine kurze Zeit Ausgangsseitig 
doch auch "kurz" das 2 Fache der nominalen Ausgangsspannung, bis der 
enorm erhöhte Strom der Primärseite die Sicherung schmeißt?

Wieviel % der nominalen Ausgangsspannung kann ein Trafo max. liefern?
Statisch habe ich ja selber festgestellt, dass der nur ca.20-30% mehr 
kann.
Wie ist das kurzzeitig zu sehen?

Autor: Bernhard R. (barnyhh)
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Das hängt alles von einigen Faktoren ab:
- Von dem, was der Konstrukteur des Trafos gedacht hat
- Von den Fertigungstoleranzen des individuellen Transformator-Exemplars
- Von der derzeitigen Primärspannung (Frequenz / Oberwellen)!

Also miß es individuell aus!

Bernhard

Autor: Peter R. (pnu)
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Da für die Spannung dB/dt verantwortlich ist, wird sich bei 
"kurzzeitigen" Änderungen die Spannungsgrenze nach oben verschieben. Bei 
100Hz kann ein für 50 Hz ausgelegter Transformator die doppelte 
Spannung/Windung vertragen ohne in Sättigung zu kommen.

Deshalb werden auch in der Flugzeug-Elektrik Bordnetze mit ca.400Hz 
verwendet, weil dann ein Motor/ein Trafo bei gleichem Gewicht die 
8-fache Leistung gegenüber 50 Hz übertragen kann.

Dementsprechend kann bei Impulsen die übertragene Spannung proportional 
zur "Frequenz" des Impulses ansteigen ohne dass Sättigung eintritt.

Bei Eisen nehmen aller dings die Wirbelstrom- und 
Ummagnetisierungsverluste sehr schnell zu, wenn die Frequenz gesteigert 
wird.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Dich Fragender,

> In der Theorie gibt es eine einfache Formel die Besagt:
>
> U1/N1 = U2/N2
>
> Danach müßte Sekundärseitig der Trafo also bei doppelter Primärspannung
> die doppelte Sekundärspannung liefern. (theoretisch)
>
> In der Realität wird man das so vermutlich nicht erleben.
>
> Ein Trafo ist baulich für einen Eingangsspannungsbereich und einen
> Ausgangsspannungsbereich konzipiert.
> Der Eisenkern ist so ausgelegt, dass der einen bestimmten magnetischen
> Fluß aufnehmen kann.
Die Kernsättigung, die Du ansprichst, hat vor allem einen Einfluß auf 
die Stromtransformation. Die Spannungstransformation ist davon erst in 
zweiter Linie betroffen.

Idealtypisch sieht es so aus, daß die Eingangsspannung entsprechend dem 
Induktionsgesetz vollständig in eine Änderung des magnetischen Flusses 
umgesetzt wird. Diese Flußänderung wiederum induziert im Primärkreis die 
transformierte Spannung. (Der Strom spielt bei dieser idealtypischen 
Betrachtung überhaupt keine Rolle, da er im Induktionsgesetz nicht 
vorkommt.)

Das Hauptproblem bei der Sättigung besteht in erster Linie darin, daß 
die Flußänderung in der Primärspule bei Sättigung nur durch einen sehr 
großen Primärstrom aufrecht erhalten kann. Kann die Quelle die 
Primärspannung aber erzeugen, so wird sie auch (weitgehend) richtig 
transformiert.

Es gibt zwei Effekte, die dazu führen, daß nicht die gesamte 
Eingangsspannung übertragen wird:
1. ein endlicher Widerstand der Wicklungen und
2. die Streuinduktivität der Primärwicklung

Die Effekte kannst Du Dir am Ersatzschaltbild des Trafos überlegen:
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Tr...

Sättigung bedeutet, daß die Hauptinduktivität sinkt (Lh1 wird klein). 
Dann fließt ein großer Primärstrom I1. Wird aufgrund der Sättigung der 
Primärstrom sehr hoch, so fallen an der Streuinduktivität und am 
ohmschen Widerstand große Spannungen ab. Diese Spannungen werden nicht 
transformiert. Trotzdem sind die Abweichungen bei der 
Spannungstransformation der Nebeneffekt, und die Abweichungen bei der 
Stromtransformation der Haupteffekt. (Die parasitären Bauteile auf der 
Sekundärseite spielen fast keine Rolle, da die Sekundärseite bei 
Sättigung keinen erhöhten Strom aufweist.)

Wenn Du wissen willst, wieviel Eingangsspannung wirklich in 
Flußänderungen umgesetzt werden, kannst Du einen dünnen Draht nehmen und 
ihn zusammen mit der Primärwicklung als unbelastete Meßwicklung um den 
Kern wickeln.
Jetzt kannst Du die
- Klemmenspannung an der Primärseite
- Spannung an der Meßwicklung
vergleichen. An dieser Messung siehst Du, wie effektiv die 
Spannungstransformation ist.


> Ab einem gewissen Grad, ist es der Ausgangsspannung nicht mehr möglich
> anzusteigen. Obwohl die Primärspannung weiter hochgedreht wird.
Hast Du die Spannung wirklich einmal nachgemessen? Ich denke viel eher, 
daß die Klemmenspannung in Wirklichkeit so gut wie gar nicht ansteigt, 
wenn Du "am Rädchen" drehst, weil die Quelle den dafür notwendigen Strom 
nicht aufbringen kann.

Welche Quelle verwendest Du? Etwa einen (handelsüblichen) 
Signalgenerator mit 50 Ohm Innenwiderstand?

> Der Primärstrom steigt allerdings gewaltig an!
> (Z-Dioden Verhalten)
Das ist der typische Sättigungseffekt. Durch die Sättigung erreicht der 
Kern näherungsweise ein µr --> 1.

> Nun meine Frage.
> Das langsame hochdrehen der Eingangsspannung hat gezeigt, das der Reale
> Bestimte Trafo ausgangsseitig max. ca.30% der nominalen Ausgangsspannung
> liefert, wenn die Eingangsspannung rücksichtsloß hochgedreht wird.
> Dannach wird die Ausgangsspannung begrenzt und der Strom steigt an.
> (Eisen ist vermutlich in Sättigung und kann nicht mehr Feldlinien
> aufnehmen.)
Du bist hier einem häufigen Irrtum aufgesessen, der auch in Schulen und 
Universitäten wirr gelehrt wird.

- Die induzierte Spannung und der Fluß stehen in einem Zusammenhang, der 
materialunabhängig ist. Die Klemmenspannung ist fast genauso groß wie 
die induzierte Spannung.
- Die Flußdichte und der Strom stehen jedoch in einem Zusammenhang, der 
sehr wohl materalabhängig ist.

> Wie sieht es aus, wenn die Eingangsspannung schlagartig um den Faktor 2
> des nominalen Eingangswertes erhöht wird?
Es geht nicht um Kurzzeitigkeit, sondern darum, daß Du eingangsseitig 
drei verschiedene Spannungen vorhanden sind:
a) der Nominalspannung des Signalgenerators ("vor" dem Innenwiderstand)
b) der Klemmenspannung und
c) der induzierten Spannung

Die Nominalspannung wird um den Spannungsabfall am Innenwiderstand der 
Signalquelle verringert. Daraus ergibt sich die Klemmenspannung. Diese 
wird reduziert um den ohmschen Spannungsabfall an den Wicklungen und der 
primären Streuinduktivität und ergibt die induzierte Spannung.


Gruß,
  Michael

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Sich Fragender (Gast)

>In der Realität wird man das so vermutlich nicht erleben.

Selten.

>Ein Trafo ist baulich für einen Eingangsspannungsbereich und einen
>Ausgangsspannungsbereich konzipiert.

Genau.

>Der Eisenkern ist so ausgelegt, dass der einen bestimmten magnetischen
>Fluß aufnehmen kann.

JA!

>Der Primärstrom steigt allerdings gewaltig an!
>(Z-Dioden Verhalten)

Klar, weil der Kern sättigt und dann praktisch nur noch wie Luft wirkt.


>(Eisen ist vermutlich in Sättigung und kann nicht mehr Feldlinien
>aufnehmen.)

Sehr richtig.

>Wie sieht es aus, wenn die Eingangsspannung schlagartig um den Faktor 2
>des nominalen Eingangswertes erhöht wird?

Genau so.

>Liefert der Trafo dann vielleicht für eine kurze Zeit Ausgangsseitig
>doch auch "kurz" das 2 Fache der nominalen Ausgangsspannung,

Nein.

>Wieviel % der nominalen Ausgangsspannung kann ein Trafo max. liefern?

Hängt von der Dimensionierung ab. Da die aber meist aus technischen wie 
ökonomischen Gründen knapp kalkuliert ist, wirst du nciht viel mehr al 
10% dort rauskriegen.

>Wie ist das kurzzeitig zu sehen?

Genau so.

Siehe Transformatoren und Spulen

MfG
Falk

Autor: Ulrich (Gast)
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Die Auslegung von Trafos ist recht unterschiedlich. Besonders kleine 
unter etwa 5 VA und solche für einen kleinen Ruhstrom weichen da ab.

Bei einem kleinen Trafo wird der Strom auf der Primärseite durch den 
relativ hohen Wicklungswiderstand begrenzt und die Spannung wird eher 
wenig (z.B. 30%) über den Nennwert gehen.

Bei einem kleinen Trafo für wenig Ruhestromverbrauch (z.B. für den 
Standby, um da sparsam zu sein) kann die Spannung auch mal fast das 
doppelte erreichen, denn die arbeiten bei Nennspannung noch weit unter 
der Sättigung.

Mehr als 10% über die Nennspannung wird in der Regel bei fast jedem 
Trafo kriegen können, denn etwas Tolleranz für Überspannung im Netz wird 
da schon mit drin sein. Auch wird der Verlust sonst viel zu hoch, wenn 
man im Normalbetreib schon so nahe an die Sättigung geht.

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Es gibt Trafos und Trafos. Neben der Transformation von Spannungen ist 
allen gemeinsam, dass sie die Leistung begrenzen muessen um Geraete zu 
schuetzen. Rein zufaelligerweise wollen die Einkaeufer den Guenstigsten, 
dh den Trafo mit einer Leistungsreserve gegen Null.
Das ist zB nicht der Fall wenn jemand eine Infrastruktur fuer eine 
Industrieanlage plant. Dort muss man eine gewisse Leistungsreserve 
haben. Nur schon einen neuen groesseren Trafo spaeter einbauen zu 
muessen kann ein Riesenaufwand sein. Auf die andere Seite muessen alle 
Schutzelemente in diesem Zweig die verfuegbare Leistung in diesem Zweig 
trennen koennen.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Verschneiter Tag (Firma: vorgestern) (hacky)

>Es gibt Trafos und Trafos. Neben der Transformation von Spannungen ist
>allen gemeinsam, dass sie die Leistung begrenzen muessen um Geraete zu
>schuetzen.

Unsinn. Dafür gibt es Sicherungen!

Autor: oszi40 (Gast)
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>Es gibt Trafos und Trafos.

Wicklungswiderstand, Isolation und Sättigung sind sicher wichtige 
Einflussfaktoren. Es kommt aber auch auf Betriebsdauer an! Es gab schon 
verrückte Leute, die haben Hochpannung mit für kurze Zeit dem 
Klingeltrafo erzeugt!  Kopfkratz...

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