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gehe zu Transformator-Anwendungen Teil 1 Einführung In diesen Kapiteln soll es um Anwendungen des
Transformators ge- hen, d.h. man sollte
sich vorher mit dem Kapitel „Transformator“
be- schäftigt haben. Es kann auch
nichts schaden, sich noch einmal die „Kapitel zur Induktion“ anzusehen. Es wird um zahlreiche Anwendungen gehen, von
denen wir einige be- sonders intensiv behandeln werden. Im ersten
Kapitel geht es um „das induktive Laden“, „das Induktionskochfeld“
und der „Stromtransport über Hochspannungsleitungen“. Zusätzlich
werden wir uns in einem zweiten Kapitel „Metalldetektoren“,
„FI-Schutzschalter“, „Zündspulen“, „Tachometer“, „Materialprüfung“, „Pinch-Effekt“, „Schweißen“ und „Schmelzen“ widmen. Außerdem werden einige übliche Schulversuche
erwähnt werden. Induktives
Laden Beim induktiven Laden wird der Akku eines
elektrischen Gerätes über Induktion aufgeladen. Die „Ladestation“ hat
dabei die Form eines Transformators. Es gibt also eine Feldspule
(Primärspule) und eine Induktionsspule (Sekundärspule). Der
Primärspule wird der Wechsel- strom zugeführt, der dann
in der Sekundärspule den Akku auflädt. Da der Induktionsstrom natürlich auch ein
Wechselstrom ist, muss noch eine elektronische Schaltung (Dioden)
eingefügt werden, damit sich ein Gleichstrom
ausbildet. Prinzipieller
Aufbau Die folgende Abbildung zeigt noch einmal den
prinzipiellen Aufbau beim induktiven Laden.
Um eine möglichst gute Übertragung zu
gewährleisten, sollten die Ab- stände möglichst gering sein. Im besten Fall
werden die beiden Spulen über einen gemeinsamen Eisenkern gelegt
(elektrische Zahnbürste). Man kann die Übertragung auch durch
Resonanzschwingkreise ver- bessern (resonante induktive Kopplung). Die
Schwingkreise arbeiten mit der Übertragungsfrequenz und verbessern
den Übertragungsgrad, so dass man auch größere Entfernungen
zwischen den Spulen haben darf (PKW Ladung). Das Prinzip zeigt diese Abbildung:
Quelle: wikipedia Video Das folgende Video von Benno Köhler zeigt
einmal das Prinzip des in- duktiven Ladens und auch die
zugehörige Elektronik. Da das Video nicht mit Worten untermauert
wird, erfolgt ein Kommen- tar von mir.
Kommentar: zunächst wird das Prinzip des
Transformators erklärt. Man sieht an der Glühlampe, dass ein Wechselstrom
übertragen wird, wenn ein Wechselstrom zugeführt wird. Bei Gleichstrom auf der
Primärseite (ca 1:50) leuchtet die Lampe nicht. Wenn der Eisenkern geschlossen wird
(ca. 2:30) funktioniert die Energie- übertragung besser. Der
Wechselstrom wird am Oszilloskop
sichtbar gemacht (ca. 2:55). Durch die Diode auf der
Sekundärseite wird nur eine Stromrichtung durchgelassen. Es tritt ein pulsierender
Gleichstrom auf. Um diesen zu glätten, wird ein Kondensator parallel verschaltet. Je
höher die Kapazität des Konden- sators ist, umso besser
funktioniert die Glättung und man hat einen perfekten Gleichstrom vorliegen. Mit diesem kann man
dann den Akku aufladen. Am Schluss sieht man das geöffnete Ladegerät
mit Transformator (oben), Kon- densator (unten mittig),
Diode (unten links). Bemerkung: In Wirklichkeit wird eine
Kombination aus vier Dioden benutzt, so dass jede Richtung durchgelassen wird. Link
hierzu: Gleichrichter Beispiele Einige Beispiele für das
„Induktive Laden“ sind das Aufladen von elek- trischen Zahnbürsten, von
modernen Handys und von Fahrzeugen. Elektrische
Zahnbürste Wenn man eine elektrische Zahnbürste öffnet,
findet man im Netzteil die Primärspule und im Unterteil der Bürste
die Sekundärspule. In der folgenden Abbildung einer geöffneten
Zahnbürste kann man dies gut erkennen.
Quelle: wikipedia In einem Kapitel bei wikipedia
wird auch ein einfacher Schulversuch gezeigt, der den Aufbau der elektrischen
Zahnbürste nachstellt, aber genauso gut auf jede induktive Ladung
anwendbar ist. Hier der Aufbau dazu.
Quelle: wikipedia (ergänzt durch Benennungen) Handy-Ladung Auch bei
Handys gibt es neuerdings die Möglichkeit des kabellosen Aufladens,
wobei sich hier der QI-Standard
durchsetzt. Bei diesem Standard
wird eine resonante Kopplung vorgenommen. Man legt das Handy
einfach auf eine Ladeschale und braucht sich um nichts mehr kümmern (s.Video
5 Liste). Über die Vor- und Nachteile kann man sich im wikipedia-Artikel informieren. Die folgende
Abbildung zeigt den Aufbau noch einmal.
Ladung
Elektrofahrzeuge Neben dem Laden an Ladesäulen wird auch am
induktiven Laden von PKWs und LKWs geforscht. Hierzu gibt es auch
schon einige Ver- suchsstrecken. Das Laden im stationären
Zustand ist schon weit ge- diehen, wohingegen sich das
Laden während der Fahrt noch in der Entwicklung befindet. Besondere Herausforderungen sind wohl der
große Abstand und die gute Positionierung zwischen den Spulen. Beim
stationären Laden ist eine Spule in die Fahrbahndecke eingelassen
(öffentlicher Verkehr) oder es gibt eine Ladeschale an festen
Ladestationen (z.B. für Privat- haushalte). Hier einmal ein paar Abbildungen für feste
Ladestationen: Das Laden im Fahrbetrieb ist deutlich
komplexer und wird z.Z. noch intensiv erforscht. Es könnte eine
Alternative zum E-Highway dar- stellen, bei dem
Oberleitungen für die Stromzufuhr sorgen. Um das Laden im Fahrbetrieb zu ermöglichen, sollen
sogenannte „elektrische Autobahnen“ entstehen, bei denen im Straßenbelag eine
lange Reihe von Feldspulen verbaut wird, die dann die
Induktionsspule im Boden des Fahrzeuges mit Strom versorgen. Die beiden Abbildungen stellen den E-Highway
und die elektrische Autobahn gegenüber.
weitere
Beispiele Stark verbreitet ist das induktive Laden auch
beim Betrieb von auto- nomen Fahrzeugen, z.B. in
der Lagerhaltung (Video
7 Liste). Auch im medizinischen Bereich bietet sich das
induktive Laden an, da hier sehr viel Rücksicht auf die Hygiene
genommen werden muss. Es gibt z.B. Blutdruckmessgeräte, die
induktiv geladen werden. Natürlich wäre es auch sehr nützlich bei
Akku-Geräten, die sich im Körper eines Patienten befinden. Inzwischen
gibt es z.B. induktiv auf- ladbare Herzschrittmacher. Um bei modernen Knie- und Beinprothesen ein
mögliches Kleidungs- stück nicht ablegen zu müssen, gibt es auch
hier für den Akku der Elektronik ein induktives Ladegerat (s.Ottobock). Induktionskochfeld Als Alternative zu den bisherigen Kochfeldern
setzt sich in letzter Zeit immer mehr das Induktionskochfeld durch. Der Aufbau entspricht einem Transformator mit
einer hohen Windungs- zahl auf der Primärseite und geringer
Windungszahl (Topfboden) auf der Sekundärseite, so dass nach dem
Transformatorgesetz für die Stromstärken sehr hohe Stromstärken auf der
Sekundärseite, also Aufbau Folgende Abbildung zeigt einmal den Aufbau im
Schema.
Funktion
Technische
und physikalische Ergänzungen Da es sich um einen Induktionsvorgang
handelt, sollte natürlich die Übertragung des sich schnell wechselnden
Magnetfeldes möglichst gut erfolgen. Daher muss der Topfboden aus
ferromagnetische Anteil- en, meist Edelstahl, bestehen. Durch das
ferromagnetische Material wird das Magnetfeld in diesem Material
gebündelt und streut nicht so stark wie bei Kupfer oder Aluminium. Eisen hat auch den Vorteil des recht hohen spezifischen
Widerstandes (ρFe = 0,1 Ω ∙ mm2/m) gegenüber Kupfer (ρCu
= 0,017 Ω
∙ mm2/m) bzw. Aluminium (ρAlu = 0,028 Ω ∙ mm2/m). Dadurch ist der
elektrische Wider- stand größer und es tritt vermehrt Reibungswärme auf. Neben der Widerstandwärme kommt auch Hysteresewärme vor, die durch das Umklappen der Weisschen
Bezirke und Verschiebung der Blochwände entsteht (s.Transformatorverluste). Durch die extrem hohen Frequenzen tritt im
Topfboden der Skineffekt auf, so dass nur in den Außenbereichen des
Topfes Wirbelströme auf- treten, was ebenfalls den elektrischen
Widerstand erhöht, da die Quer- schnittsfläche A abnimmt. Es gilt
ja R = ρ ∙ l / A . Wenn aber nur im Außenbereich Wirbelströme
und somit Wärme auf- tritt, ist eine gleichmäßige Wärmeverteilung
im Topfboden nicht ge- währleistet. Deshalb wird der
Topfboden in Sandwichbauweise
kon- struiert. Innerhalb einer
dünnen Edelstahlummantelung befindet sich ein kompakter Aluminiumkern, der für eine
gute Wärmeverteilung sorgt. Dies hat auch den Vorteil, dass
weniger Wärme an die Stand- fläche abgegeben wird.
Videos: Fünf Videos zum Thema „Induktionsherd“ 1.
Video: schöne Animationen zum Aufbau und Funktion 2.
Video: Aufbau, Funktion, Geschichte, mit viel
Begeisterung vorgetragen 3.
Video: der Skineffekt wird sehr
anschaulich gezeigt 4.
Video: Das meint Benno Köhler dazu 5.
Video: einer der vielen Videos zum Thema: Alufolie auf
einem Induktionsherd
2.Video
3.Video
4.Video
Quelle: Clip aus
Video 1
(Liste Wirbelströme)
5.Video
Quelle: Clip aus Video 8
(Liste) Hinweis zum letzten Video: Es gibt extrem viele Videos auf YouTube mit
den Effekten, die eine Alufolie auf einem Induktionsherd zeigt: 1.) die Folie
wird abgestoßen 2.) es treten Funken auf 3.) die Folie schmilzt Erklärung: 1.) Abstoßung Es gilt die Lenzsche
Regel, d.h. der Induktionsstrom ist so gerichtet, dass er seine Entstehung behindert. In unserem Fall
entsteht durch den Induktionsstrom ein Magnetfeld, welches sich vom Magnetfeld
der Primärspule (Kupferspule) ab- stößt 2.) Funkenbildung Es treten Induktionsspannungen mit sehr hohen
Strömen auf, so dass bei Rissen in der Folie auch Funken auftreten können. 3.) Schmelzen Alufolie hat einen sehr geringen
Schmelzpunkt, so dass die hohen Stromstärken zu einem Schmelzen der Folie führen können. Stromverteilung
über Hochspannungsleitungen Die folgende Abbildung zeigt die
Stromversorgung in Deutschland.
Quelle: wikipedia Man sieht, dass es vier unterschiedliche
Spannungsebenen gibt: Höchstspannung mit 220 bzw. 380 kV,
Hochspannung mit 110 kV, Mittelspannung mit 1−50 kV und die im
Haushalt bekannte Nieder- spannung von 400 V bzw. 230
V. Zwischen all diesen Spannungsebenen sind
Transformatoren einge-fügt, um die
Spannungsumwandlung zu gewährleisten. Es ergibt sich dadurch ein recht komplexes
Gefüge. Warum speist aber man den Strom nicht direkt vom Kraftwerk
in die Haushalte ein? Rechnung:
Verlustleistung Hierzu berechnen wir einmal die
Energieverluste. Zunächst bestimmen wir hierzu den Widerstand
einer Freileitung pro km. Im Allgemeinen ergeben sich bei allen
Rechnungen im Internet sehr geringe Widerstände, was meine Rechnung
bestätigt. Berechnung des Widerstandes
einer Freileitung: Für eine Hochspannungsleitung (110 kV) findet
man bei wikipedia die Angabe, dass das Seil aus einem Stahlkern mit
Aluminiummantel be- steht. Für Stahl wird die Querschnittsfläche
60 mm2 und für Aluminium 257 mm2 angegeben. Also wie im
linken Teil der Abbildung:
Quelle: wikipedia
Berechnung der Verlustleistung pro km
Resümee Die
Transformation ist notwendig, um die Verlustleistung möglichst ge- ring zu halten.
Es muss ein Kompromiss zwischen der Größe der Querschnittsfläche
und der Verminderung der Verlustleistung gefun- den werden.
Eine größere Querschnittsfläche vermindert zwar den Verlust
weiter, würde aber zu einem deutlichen Anstieg der Masse der
Leitungen führen, was hohe Kosten verursacht. Videos:
Freileitungen Zwei schöne
Videos von „Physik mit c“ zu dem Thema Freileitungen. 1. Video:
schönes Experiment, das den Vorteil der Transformation zeigt 2. Video:
Theorie zum Versuch (hier „vom Haushalt aus gerechnet“).
Hochleistungstransformatoren Die Umwandlung von Spannungen bei so hohen
Leistungen benötigt entsprechende Transformatoren. Trotz der
eigentlich geringen Wärme- verluste werden diese
Transformatoren wegen der hohen Leistungen sehr warm und müssen gekühlt werden. Zur Kühlung
werden die Kerne mit den Wicklungen in ein Ölbad getaucht. Das Öl nimmt die Wärme gut auf. Die Kühlung erfolgt durch
Kühlrippen und das An- blasen mit Luft über zusätzliche Lüfter. Da
sich das Öl ausdehnt, muss ein Ausdehnungsgefäß angebracht werden. Zur
Fehlerkontrolle wird zwischen Transformator und Ölausdehnungsgefäß
ein Buchholz-Relais angebracht. Es werden auch besondere Wicklungstechniken
benutzt. Meist werden die verschiedenen Wicklungssysteme für
Primärspannung und Sekun- därspannung übereinander auf
demselben Kern ausgeführt (s. Zünd- spule). Abbildungen:
Leistungstransformatoren Im Folgenden drei Abbildungen zum Thema: 1. Wicklungsschema
Quelle: wikipedia 1. Eisenkern,
2.Unterspannungswicklung, 3. Hauptstreukanal 4.
Oberspannungswicklung 2. Querschnitt−Aufbau (Schema)
Quelle: wikipedia 1. Gehäuse mit Öl gefüllt, 3.
Ausdehnungsgefäß, 5. Buchholz-Relais 10.
Oberspannungsführung, 12. Unterspannungsführung 3. Hochleistungstransformator im Original
Quelle: wikipedia Videos.
Leistungstransformatoren Man findet
auch einige Videos zum Thema (englisch): 1.Video: Eine ganze Playlist mit Animationen zum Thema. Playlistvideo 5-7 muss man sich wohl oder übel auf YouTube ansehen, da diese sich nicht einbetten lassen. 2.Video: Animation zum Aufbau
des Tranformators. Es geht aber vor allem um die Funktion des
Buchholz-Relais. 3 Video: Es geht um die reale
Montage von Leistungstransformatoren.
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