Schulversuchspraktikum

1. Protokoll

Transformator(3. Klasse Oberstufe)

Dana Eva Ernst 9955579

Linz, am 19.10.2002

-1-

Inhaltsverzeichnis

Kapitel I - Thema und Ziele 2

Kapitel II - Versuche

2.1. Grundversuche zur Induktion 2

2.1.1. Die Leiterschleife 2

2.1.2. Der Stabmagnet 3

2.2. Der Transformator 4

2.2.1. Der unbelastete Transformator 4

2.2.2. Der belastete Transformator 8

2.3. Der Hochstromtransformator – Anwendungsversuche 11

2.3.1. Die Schmelzrinne 11

2.3.2. Der durchgeschmolzene Nagel 12

2.4. Der Hochstromtransformator 13

2.4.1. Der Hörnerblitzableiter 13

2.5. Der Trenntransformator 15

Kapitel III - Zusatzinformationen

3.1. Stromversorgung in Österreich - Vom Kraftwerk zum Verbraucher 15

3.2. Aufbau des Verbundnetzes - Das Österreichisches Hochspannungsnetz 16

3.3. Elektrische Verluste mit dem Transformator 17

3.4. Spannungswerte in Europa, Amerika 17

3.5. Transformatoren für hohe Frequenzen (Ferritkerne) 18

Kapitel IV-Anmerkung 18

Kapitel V-Literatur 20

Anhang

Übersichtstabellen für Lehrer 21

Folien 25

-2-

I. THEMA und ZIELEDer Transformator hat in der Praxis eine wichtige Bedeutung. In der Elektrizität spielt er von

elektrischer Energietechnik bis hin zur Nachrichtentechnik eine wichtige Rolle. Ohne den

Transformator wäre eine Versorgung mit Strom für ganz Österreich nicht vorstellbar.

Der Transformator kommt im Gymnasium in der 4. Klasse das erste Mal vor und ein zweites

Mal in der Oberstufe in der 7. Klasse.

Was sind die Ziele?

Verstehen, wie ein Transformator funktioniert

Eventuell selbst einen Transformatorversuch durchführen

Eine Vorstellung davon entwickeln, wo und welche wichtige Rolle ein Transformator

im Alltag spielt

Erforderliche Voraussetzungen bzw. Vorwissen:

Induktion- Selbstinduktion

Magnetischer Fluss

(Kirchhoffsche Gesetze)

Spule und ohmscher Widerstand im Wechselstromkreis

Lorentzkraft, Lenzsche Regel

II. VERSUCHE

2.1. Grundversuche zur Induktion

Da es recht viele Grundversuche zur Induktion gibt, habe ich mich entschlossen folgende

zwei elementare Versuche anzuführen.

2.1.1. Die Leiterschleife

Aufbau:

Abb. 1

-3-

Versuchsgang und Erklärung:

Die Leiterschleife wird in einem Hufeisenmagneten bewegt. An der Leiterschleife ist

außerdem ein Voltmeter angeschlossen. Bewegt man die Leiterschleife hin und her, so wird

im Leiter eine Spannung induziert, die man mit dem Voltmeter sichtbar machen kann. Wenn

der Leiter im Magnetfeld ruht, ist kein Ausschlag des Voltmeterzeigers zu sehen, da nur bei

Bewegung des Leiters Spannung induziert wird.

Wiederholung:

Lorentzkraft: Bewegt sich ein geladenes Teilchen der Ladung Q mit der

Geschwindigkeit v durch ein Magnetfeld der magnetischen Induktion B, so wirkt auf

das Teilchen eine Kraft:

BvQF

Lenzsche Regel: Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass seine Wirkung der

Ursache des Induktionsstroms entgegengesetzt ist.

2.1.2. Der Stabmagnet

Aufbau:

Versuchsgang und Erklärung:

Ein Stabmagnet wird in eine Spule eingeführt (und wieder herausgezogen). Das Voltmeter

zeigt wiederum die induzierte Spannung an.

Ergebnis: Durch das Einführen des Magneten ändert sich der magnetische Fluss, der die Spule

durchsetzt und eine Spannung wird dadurch induziert.

Wird der Magnet schnell heraus- oder hineingeschoben, so ist die induzierte Spannung für

eine kurze Zeit (so lange, wie sich der Magnet in der Spule befindet) „sehr“ hoch. Schiebt

man den Magneten hingegen langsamer heraus oder hinein, so wird zwar weniger Spannung

induziert, aber über einen „längeren“ Zeitraum im Vergleich zum schnellen Bewegen.

Abb. 2

-4-

2.2. Der Transformator

Wofür benötigt man in erster Linie einen Transformator im Alltag? Ganz einfach: Die

Elektrizitätswerke leiten den Strom über Hochspannungsleitungen weiter. Damit die

Übertragung mit möglichst wenig Verlusten erfolgt, ist Hochspannung notwendig. Der

Transformator transformiert die Spannung, die im Kraftwerk erzeugt wird auf Hochspannung

hoch. Im Haushalt hingegen wäre Hochspannung viel zu gefährlich und außerdem

funktionieren elektrische Geräte nicht mit Hochspannung. Deshalb braucht man wiederum

einen Transformator, der die Hochspannung wieder hinunter transformiert (siehe 3.1. ).

Zusammengefasst: Transformatoren haben die Aufgabe, elektrische Energie aus einem

System gegebener Spannung U1 und Frequenz f in ein System gewünschter Spannung U2

unter Beibehaltung der Frequenz zu übertragen. Dabei erfolgt die Umwandlung der

elektrischen Wechselstromenergie über ein magnetisches Wechselfeld.

Im folgenden sind die einzelnen Transformatortypen, sowie einige Transformatorversuche

beschrieben.

2.2.1. Der unbelastete Transformator

Folgendermaßen ist ein unbelasteter Transformator aufgebaut:

Foto 1

-5-

Ersatzschaltbild:

oder:

Versuchsgang:

Der Aufbau des Versuches erfolgt wie im Foto 1 zu sehen ist. Man verwendet mehrere Spulen

mit unterschiedlichen Windungszahlen (zum Beispiel: 150 Wdg., 600 Wdg., 900 Wdg., 1200

Wdg.).

Beachte: Vor jedem Versuch die Messgeräte auf ihre Funktion überprüfen.

Man variiere entweder die Eingangsspannung oder/und die Spulen. Aus der Primärspannung

und der Sekundärspannung bestimmt man nun das Übersetzungsverhältnis U1/U2 und

anschließend kontrolliere man das Verhältnis der Spulenwindungszahlen.

Hier einige Messbeispiele:

Die Primärwindungszahl wurde mit 600 Wdg. konstant gehalten.

Primärspannung U1 5V 5V 5V 5VSekundärspannung U2 1,3V 5,4V 8V 11V

Windungszahl der Sek.-Spule N2 150 Wdg. 600 Wdg. 900 Wdg. 1200 Wdg.Verhältnis N1/N2 4 1 0,667 0,5

Verhältnis U1/U2 3,85 0,93 0,625 0,455

Abb. 3

Abb. 4

-6-

Ergebnis:

Aus diesen Messdaten lässt sich das 1. Trafogesetz ablesen (siehe Seite 7). In dieser

Messreihe stimmen die Verhältnisse nicht genau überein, weil das verwendete Voltmeter im

Schnitt 1 Volt zu wenig angezeigt hat.

Die Sekundärspannung U2 eines unbelasteten Transformators steigt bei konstanter

Primärspannung U1 und bei konstanter Windungszahl N1 der Primärspule mit zunehmender

Windungszahl N2 der Sekundärspule an.

Anmerkung: Verwendet man bei diesem Versuch einen Eisenkern ohne Joch, so treten

Energieverluste auf, da der magnetische Fluss, der die Primärspule durchsetzt, nicht

vollständig in die Sekundärspule übergeht.

Verwendet man keinen Eisenkern, so ist der Versuch nicht durchführbar. Es wird einfach nur

ein Magnetfeld in der Primärspule erzeugt, was nicht nutzbar ist. Der Eisenkern stellt den

„Kleber“ zwischen den zwei Stromkreisen dar.

Physikalische Erklärung:

Ein Transformator besteht aus einer Erregerspule (oder Primärspule), einer Induktionsspule

(oder Sekundärspule) und einem Weicheisenkern.

Zum Weicheisenkern und Verluste:

Der verwendete Weicheisenkern ist aus dünnen Eisenblechen (Dynamoblechen) aufgebaut,

die durch Lack oder Papier gegeneinander isoliert sind. Diese schichtweise Zusammensetzung

unterdrückt entstehende Wirbelströme. Einen solchen Eisenkern bezeichnet man auch als

laminierten Eisenkern.

Bei einem Weicheisenkern, der nicht aus Schichten zusammengesetzt ist, entstehen diese eben

genannten Wirbelströme durch die Flussänderung in der Spule, was einen Energieverlust (in

Form von Wärme) bedeutet.

Es treten zum Beispiel auch Hystereseverluste auf. Diese Verluste rühren daher, weil der

Eisenkern ständig durch die Wechselspannung ummagnetisiert wird. Hat man keine

derartigen Verluste, so spricht man von einem idealen Transformator. Ein idealer

Transformator verbraucht bei offener Sekundärspule keine Energie.

Beim unbelasteten Transformator befindet sich im Sekundärstromkreis kein Verbraucher. An

der Induktionsspule wird daher keine Leistung entnommen. Die zwei Spulen sind auf einen

Weicheisenkern gesteckt (siehe Abbildung 3). Dieser Eisenkern hat die Aufgabe, das

Magnetfeld zu verstärken und den gesamten magnetischen Fluss, der in einer der beiden

Spulen erzeugt wird, auf die andere Spule zu übertragen.

-7-

Wie entsteht das magnetische Feld?

Der Transformator funktioniert mit Wechselspannung. Legt man an den Transformator

Spannung an, so durchfließt die Primärspule ein elektrischer Strom. Durch den Strom wird in

der Erregerspule ein veränderliches Magnetfeld hervorgerufen.

Legt man an die Primärspule (mit N1 Windungen) eine Wechselspannung

U1 = U1 sin (t)

an, so fließt in der Primärspule nur ein schwacher Strom (auch Leerlaufstrom genannt). Die

Primärspule und die Sekundärspule (mit N2 Windungen) werden nun von einem großen

magnetischen Fluss durchsetzt. Strom und Spannung sind aufgrund der induktiven Last um

90° phasenverschoben (siehe Abbildung 5).

Über der Primärspule fällt folgende Spannung ab:

UL1 = dtdN1

.... magnetische Fluss

t .... Zeit

N1 .... Windungszahl der Primärspule

UL1 .... Spannungsabfall

Aufgrund der Kirchhoffschen Gesetze folgt:

U1 = dtdN1 (1)

Nachdem der gesamte magnetische Fluss auch die Sekundärspule durchsetzt, gilt für diese

Spule:dtdNU 22

(2)

Diese Spannung kann nun am Ausgang des Transformators entnommen werden.

Setzt man (1) und (2) gleich, so folgt daraus der 1. Transformatorgesetz:

1

2

1

2

NN

UU

Abb. 5

Zeigerdiagramm:

-8-

U1 .... Spannung an der Primärspule

U2 .... Spannung an der Sekundärspule

N1 .... Windungszahl der Primärspule

N2 .... Windungszahl der Sekundärspule

Das Verhältnis der Windungszahlen wird auch Übersetzungsverhältnis genannt. Auffällig ist

das negative Vorzeichen, das nichts anderes bedeutet, als dass eine Phasenverschiebung von

180° zwischen U1 und U2 besteht. Wenn N2 größer als N1 ist (oder umgekehrt), so kann man

an der Sekundärseite eine größere Spannung (kleinere Spannung) abgreifen. Somit kann man

mit dem Transformator eine Spannung in jede gewünschte andere Spannung

umtransformieren.

2.2.2. Der belastete Transformator

1. Versuch:

Ersatzschaltbild:

Versuchsgang:

Der Aufbau des Versuches erfolgt wie im Ersatzschaltbild zu sehen ist. Man verwendet

mehrere Spulen mit unterschiedlichen Windungszahlen (zum Beispiel: 150 Wdg., 600 Wdg.,

900 Wdg., 1200 Wdg.).

Man variiere die Sekundär- sowie die Primärspulen. Aus dem Sekundärstrom I2 und dem

Primärstrom I1 bestimmt man nun den Quotienten I1/I2 und anschließend kontrolliere man das

Verhältnis der Spulenwindungszahlen.

Ergebnis:

Beim belasteten Transformator verhalten sich die Sekundärströme I2 und die Primärströme I1

umgekehrt wie die entsprechenden Windungszahlen.

Abb. 6

-9-

2. Versuch:

Ersatzschaltbild:

Versuchsgang:

Die Primärspule hat 900 Windungen und die Sekundärspule hingegen 600 Windungen. Im

Primärstromkreis befindet sich ein Verbraucher in Form einer Glühbirne und im

Sekundärstromkreis zwei parallel geschaltete Verbraucher.

Ergebnis:

Schraubt man im Primärkreis den Verbraucher heraus, erlöschen auch die Glühbirnen im

Sekundärstromkreis. Es fließt also kein Strom.

Lässt man hingegen den Schalter im Sekundärkreis geöffnet, erlöschen wiederum alle

Glühbirnen. Man hätte vermuten können, dass die Glühbirne im Primärkreis weiterleuchtet,

dem ist aber nicht so. Trotzdem zeigt das Amperemeter einen schwachen Strom an, den

sogenannten Leerlaufstrom (siehe unbelasteter Transformator).

Befindet sich im Sekundärstromkreis hingegen nur eine Glühbirne, so leuchtet auch die

Primärbirne schwach und das Amperemeter zeigt gegenüber dem Ausgangswert eine

geringere Stromstärke an.

Bei diesem Versuch lässt sich nachweisen, dass beim unbelasteten Trafo der Primärstrom der

Primärspannung um /2 nacheilt. Beim belastetem Trafo steigt mit zunehmendem

Sekundärstrom auch der Primärstrom an. Die Phasenverschiebung zwischen Spannung und

Strom geht gegen Null.

Physikalische Erklärung:

Beim belasteten Transformator befindet sich im Sekundärkreis ein ohmscher Verbraucher.

Der dadurch entstehende Wirkstrom I2 ist mit der Spannung U2 in Phase und ebenso ist der

Primärstrom zur Primärspannung in Phase (siehe Abbildung 8).

Abb. 7

-10-

Abb. 8

Dieser Strom erzeugt einen magnetischen Fluss, der den ursprünglichen vorhandenen Fluss

schwächt (Induktion). Nun ist aber die Spannung der Primärspule durch die

Eingangsspannung fest vorgegeben. Somit muss nun durch die Primärspule ein zusätzlicher

Strom I1 fließen, um den ursprünglichen Fluss aufrechtzuerhalten.

Der Strom I1 und der Strom I2 hängen wie folgt zusammen (2. Transformatorgesetz):

1

2

2

1

NN

II

Wieder spiegelt das Minuszeichen die Phasenverschiebung von I1 zu I2 wider (siehe

Abbildung 9):

Zeigerdiagramm:

Eine wichtige Aussage liefert noch der Energiesatz. Die primärseitig aufgenommene Leistung

muss stets gleich der sekundärseitig abgegebenen Leistung sein:

22max2max21max1max11 PcosUI21cosUI

21P

I1max, I2max .... Maximalstromstärken

U1max, U2max .... Maximalspannungen

21 P,P .... Wirkleistungen

1, 2 .... Phasenverschiebungen

Dabei ist allerdings vorausgesetzt worden, dass keinerlei Verluste auftreten.

Zeigerdiagramm:

Abb. 9

-11-

Anmerkung:

Die Versuche sind relativ einfach durchzuführen. Von der Theorie her, würde ich als Lehrer

Augenmerk auf die Phasenverschiebungen und den prinzipiellen Aufbau und Funktionsweise

des Trafos legen. Je nach dem, welches Wissen in der Klasse vorhanden ist, kann der Lehrer

auch einige der obigen physikalischen Aspekte des Transformators weglassen.

Bei diesem Thema würde ich auf Formeln nicht verzichten, da diese ohnehin schon aus dem

Kapitel Induktion – Selbstinduktion bekannt sind.

Generell glaube ich aber, dass die physikalisch korrekte und ausführliche Erklärung Schüler

der 6. bzw. 7 Klasse nicht überfordert.

2.3. Der Hochstromtransformator - Anwendungsversuche

2.3.1. Die Schmelzrinne

Versuchsaufbau:

Die Schmelzrinne fungiert als Spule mit nur einer Windung (N2 = 1). Die Primärspule hat z.

B. N1 = 600 Windungen und der Primärstrom beträgt angenommen I1 = 2 A.

Der Transformator wirkt als Ofen: Wenn durch die Primärspule Strom fließt, induziert dieser

in der geschlossenen Schmelzrinne, der Sekundärwicklung, einen sehr viel höheren Strom.

Dieser erhitzt das Wasser und bringt es zum Kochen.

Aus dem 2. Trafogesetz ergibt sich:

1

2

2

1

NN

II

I2 = 2

11

NNI

= 16002 = 1200 A

Dieser Strom Fließt also durch den Sekundärkreis und bringt das Wasser zum Kochen.

Foto 2

-12-

2.3.2. Der durchgeschmolzene Nagel

Versuchaufbau:

Man verwende zum Beispiel eine Primärspule mit 600 Windungen und eine Sekundärspule

mit nur sehr wenig Windungen (5 Windungen). Dadurch fällt an der Sekundärspule nur eine

kleine Spannung ab. Ihre Anschlussklemmen werden mit einem Nagel miteinander verbunden

(siehe Bild): Sie werden kurzgeschlossen. Es fließt ein sehr hoher Sekundärstrom der den

Nagel zum Glühen bringt (siehe Foto 3) und schließlich zum Schmelzen (siehe Foto 4) bringt.

Nachdem man den Strom abgeschaltet hat und der Nagel sich langsam abkühlt, entsteht eine

weiße Schicht um die Schmelzstelle. Bei dem weißlichen Pulver handelt es sich um Zinkoxid,

das durch Herausdiffundieren von Zink und anschließender Verbindung mit dem Sauerstoff

aus der Luft entsteht.

Solche Transformatoren verwendet man auch als Schweißtransformatoren.

Foto 3

Foto 4

-13-

Anmerkung: Dieser Versuch ist recht anschaulich und außerdem mit kurzen Worten erklärt.

2.4. Der Hochstromtransformator

2.4.1. Der Hörnerblitzableiter

Streutransformator:

Man verwendet bei diesem Versuch vorzugsweise einen Streutransformator (siehe Foto 5), da

Hochspannung erzeugt wird und ein solcher Transformator wegen seines speziellen Aufbaus

nicht durchbrennen kann.

Aufbau des Streutransformators:

Ein Streutransformator besteht aus zwei in Reihe geschalteten (beide auf einer Seite des

Eisenkerns) Primärspulen und aus zwei in Reihe geschalteten Sekundärspulen. Durch die

Reihenschaltung addieren sich jeweils die Induktivwiderstände und somit wird der

Gesamtwiderstand (Impedanz) pro Stromkreis größer. Dadurch wird die Stromstärke kleiner

(Impedanz = IU ). Es fließen somit kleinere Ströme sowohl auf der Primär- als auch auf der

Sekundärseite. Somit kann ein Streutransformator nicht so schnell durchbrennen.

Bei dem im Versuch verwendeten Transformator fällt an der Primärspule (I1 = 1,58A) eine

Spannung von U1 = 220V ab, und an der Sekundärspule (I2 = 0,05A) 7000V. Damit beträgt

das Übersetzungsverhältnis 7000/220 32. Die Sekundärspule ist mit zwei gebogenen

Drahtstücken versehen (Hörnerblitzableiter). Schaltet man den Transformator ein, so entsteht

an der Engstelle der Drahtbügel ein Lichtbogen, der u. a. wegen der Erwärmung der Luft und

dem langsamen Auseinanderziehen der Drahtbügel nach oben wandert (siehe Foto 6), immer

länger und dünner wird und schließlich zerreißt.

Foto 5

-14-

Durch Überspannung entsteht am unteren Ende der Kupferbügel ein Lichtbogen, welcher die

Luft in seiner Umgebung erhitzt. Diese steigt infolgedessen in die Höhe und nimmt den

Lichtbogen mit nach oben. Hierbei wird er immer schwächer und zerreißt endlich.

Zusatzinformation:

Zieht man ein weißes Blatt Papier durch den Hörnerblitzableiter während ein Blitz nach oben

läuft, so einstehen je nach dem wie schnell man das Blatt durchzieht, in einigen Abständen

kleine Brandlöcher .

Erklärung: Durch die Wechselspannung wird der Blitz einmal von der rechten Seite gezündet

(Brandloch), dann geht die Spannung wieder zurück auf Null (Zwischenraum) und

anschließend wird der Blitz von der linken Seite gezündet (Brandloch).

Foto 6

Abb. 10

-15-

2.5. Der Trenntransformator

Der Trenntransformator sollte aus Sicherheitsgründen vor jede Schaltung, die mit

Netzspannung arbeitet, geschaltet werden. Durch den Trenntransformator wird das

Erdpotential abgetrennt. Dadurch besteht keine Gefahr für einen Laboranten, dass er einen

Stromschlag bekommt, wenn er eine Leitung berührt (er müsste dafür schon beide Leitungen

berühren).

Der Trenntrafo ist ein Gerät zur Trennung zweier Stromkreise. Aus Sicherheitsgründen

müssen z.B. alle auf einer Bühne betriebenen fremden Geräte wie Tonverstärker und

Keyboards über jeweils einzelne Trenntransformatoren an das Stromnetz angeschlossen

werden. Dadurch wird vermieden, dass sich zwischen den Anlagen, Mikrofonen und

Instrumenten und den Stromkreisen im Studio gefährliche Spannungen aufbauen.

Zusätzlich dient der Transformator der Anpassung an unterschiedliche Netzspannungspegel

(Rasiersteckdose im Ausland).

III. Zusatzinformationen

3.1. Stromversorgung in Österreich - Vom Kraftwerk zum Verbraucher

Die physikalische Leistung setzt sich folgendermaßen zusammen:

P = U · I

Würde die Leistung mit großen Strömen übertragen werden, so würden in den Leitungen

große Verluste auftreten. Deshalb erfolgt die Übertragung mit geringeren Strömen, aber dafür

mit höheren Spannungen. Mit Hilfe von Transformatoren wird die Energie von einer

Spannung auf eine andere Spannung transformiert.

Foto 7

-16-

In den Transformatoren von Kraftwerke wird eine elektrische Spannung von einigen tausend

Volt erzeugt und anschließend entweder im Kraftwerk selbst oder in einem naheliegenden

Umspannwerk auf eine sehr hohe Spannung transformiert.

Über das Verbundnetz wird die Energie zu den Verbrauchern übertragen und auch der

Stromaustausch mit dem Ausland erfolgt über dieses Netz. Die Übertragung der Energie

geschieht mit Spannungen von 220 kV bzw. 380 kV. Von den Umspannwerken des

Verbundnetzes ausgehend wird die Energie über 110-kV -Leitungen zu den regionalen

Umspannwerken in den Bundesländern verteilt. Dort wird die Spannung auf 10 kV, 20 kV

oder 30 kV transformiert. Es fällt auf, das diese Spannungen keinen einheitlichen Wert haben.

Das ist aus der Geschichte hervorgegangen und steht auch in Zusammenhang mit der

geographischen Lage bestimmter Regionen (z.B. 30 kV in langgestreckten Alpentälern, 10 kV

eher in städtischen Bereichen). Noch eine kleine Anmerkung: Für die Fahrstromversorgung

der ÖBB gibt es ein eigenes System, mit eigenen Kraftwerken.

Die von den allgemeinen Verbrauchern benötigte Spannung von 220 V, bzw. 380 V

(Kraftstrom: z.B. für E-Herd erforderlich), wird in jedem Ort in den Transformatorstationen

erzeugt. Diese Spannung kann nicht sehr weit übertragen werden (wenige hundert Meter).

Daher sind in größeren Orten und Städten mehrere Transformatorenstationen erforderlich.

Bei Reparaturfällen oder sonstigen Störungen innerhalb eines Kraftwerkes werden die

Leitungen abgeschaltet. Für wichtige Leitungen gibt es allerdings ein Reservenetz, sodass der

Verbraucher von diesen Störfällen in der Regel nichts bemerkt. Die Betreuung und der

Ausbau dieser Versorgungseinrichtungen rund um die Uhr und bei jeder Wetterlage, obliegt

den Elektrizitätsversorgungsunternehmen (EVU).

Da der Stromverbrauch österreichweit und europaweit ständig steigt, ist die Wirtschaft

verpflichtet Kraftwerke zu bauen und das Stromnetz zu vergrößern, was mit Ausgaben von 1-

2 Milliarden Euro pro Jahr verbunden ist.

Anmerkung: Siehe zu diesem Kapitel: Folie im Anhang

3.2. Aufbau des Verbundnetzes - Das Österreichisches Hochspannungsnetz

Innerhalb Europas herrscht ein intensiver Stromhandel, um eine wirtschaftliche Arbeitsweise

der einzelnen Elektrizitätsgesellschaften bzw. Kraftwerken zu ermöglichen. Da die Frequenz

von 50 Hertz innerhalb des Verbundnetzes konstant gehalten werden muss, muss bzw. darf

nur genau soviel Strom erzeugt werden, wie von den einzelnen Verbrauchern benötigt wird.

Diese Regelung ist umso leichter, je größer das Stromnetz, also die Anzahl der Kraftwerke ist.

Das österreichische Verbundnetz, das für die Regelung der Stromerzeugung zuständig ist, ist

-17-

in das große westeuropäische UCPTE - Netz eingebunden. Da alle Kraftwerke im

europäischen Netz im Einklang arbeiten (arbeiten bei gleicher Frequenz) können sich

beteiligte Länder bei Störfällen oder Ausfällen ihrer Kraftwerke sofort gegenseitig

unterstützen.

In Europa gibt es vier unterschiedliche Verbundnetze: UCPTE (Westeuropa), CDO IPS

(Osteuropa), NORDEL (Skandinavien) und UK (Großbritannien).

Früher war ein Austausch an Strom zwischen diesen verschiedenen Netzen nicht möglich, da

sie nicht synchron zusammen arbeiten. Durch die Gleichstromkurzkupplungen in Dürnrohr

und Wien-Südost ist es heute möglich, das westeuropäische und das osteuropäische Netz zu

verbinden.

Anmerkung: Siehe zu diesem Kapitel: Folie im Anhang

3.3. Elektrische Verluste mit dem Transformator

siehe 2.2.1.

3.4. Spannungswerte in Europa, Amerika

Innerhalb Europas und zum Beispiel auch in Amerika gibt es unterschiedliche

Spannungswerte bzw. Netzspannungen. In Italien beträgt die Netzspannung entweder 120

oder 230 Volt, teilweise auch 135 Volt Wechselstrom.

Während in Europa meist 230 Volt (Betriebsspannung: zwischen Phase und Erdung) /400

Volt (Kraftstrom zwischen Phase und Phase) 50 Hertz Netzspannung üblich sind, haben die

USA eine Netzspannung von 110 / 115 Volt / 60 Hertz Wechselstrom. Mitgenommene

Elektrogeräte sollten also entsprechend umschaltbar sein. Bei den heutigen Geräten (z.B.

Föhn, Rasierapparat) ist in der Regel ein solcher Umschalter eingebaut. Für amerikanische

Flachsteckdosen ist außerdem ein Adapter notwendig, den man sich am besten vor dem

Reiseantritt im Fachhandel beschafft.

Die nachstehende Abbildung zeigt einen Teil von Adaptern (-stecker) für Großbritannien /

Indien, Hongkong / Rasierapparaten in Großbritannien / Europa / Australien / Nord-Amerika /

Süd-Amerika:

Adapter leiten den Strom lediglich weiter, die Netzspannung verändern sie aber nicht! Ist ein

Elektrogerät nicht umschaltbar auf eine andere Netzspannung benötigt man zusätzlich zu dem

Österreich

-18-

Adapter einen entsprechenden Spannungswandler = Transformator (für elektrische Geräte

wie Rasierer, Föhn usw.)

3.5. Transformatoren für hohe Frequenzen (Ferritkerne) – Genaue Erklärung für

Lehrer

Verwendet man Transformatoren bei hohen Frequenzen, so würden durch die ständige

Ummagnetisierung (hohe Frequenz) des Eisenkerns enorme Energieverluste auftreten.

Deshalb verwendet man Ferritkerne.

Ferrimagnetismus ist eine Form von Magnetismus in Festkörpern mit einer

Spontanmagnetisierung unterhalb der Curie-Temperatur ähnlich dem Ferromagnetismus.

Spontanmagnetisierung nennt man die Magnetisierung von ferrimagnetischen Substanzen, die

ohne die Einwirkung von äußeren Magnetfeldern auftritt (unterhalb der Curie-Temperatur).

Ferritkerne haben eben solche magnetischen und elektronischen Eigenschaften von

Ferrimagnetika durch den Einbau von Fremdatomen wie Mg oder Al anstelle von Fe. Diese

Fremdatome können gezielt beeinflusst werden. Dadurch werden die Energieverluste beim

Ummagnetisieren geringer. Die Ferritkerne sind fast nichtleitend, so dass die

Wirbelstromverluste nahezu verschwinden. (einziger Satz, den man den Schülern als

Lehrer zum Thema Ferritkerne sagen sollte)

IV. AnmerkungWie bereits erwähnt sind manche Kapitel im Protokoll recht ausführlich angeführt. Ich wollte

damit nur eine umfassende Information für den Lehrer liefern (Lehrer sollten stets mehr als

ihre Schüler wissen). Ob er/sie den Schülern alle Informationen übermittelt bzw. welche er

auslässt, ist jedem selbst überlassen.

Die zahlreichen Versuche können nicht alle in einer Physikstunde durchgeführt werden.

Deshalb sollte sich ein Lehrer aus den obigen Versuchen die interessantesten aussuchen und

durchführen.

Was an die Tafel (und ins Heft) geschrieben wird:

Sämtliche Zeigerdiagramme

Ersatzschaltbilder

Formeln und Gesetze

Was ins Heft gehört:

Unbelasteter Transformator

Über der Primärspule fällt folgende Spannung ab:

-19-

UL1 = dtdN1

.... magnetische Fluss

t .... Zeit

N1 .... Windungszahl der Primärspule

UL1 .... Spannungsabfall

Aufgrund der Kirchhoffschen Gesetze folgt:

U1 = dtdN1 (1)

Nachdem der gesamte magnetische Fluss auch die Sekundärspule durchsetzt, gilt für diese

Spule:dtdNU 22

(2)

Diese Spannung kann nun am Ausgang des Transformators entnommen werden.

Setzt man (1) und (2) gleich, so folgt daraus der 1. Transformatorgesetz:

1

2

1

2

NN

UU

U1 .... Spannung an der Primärspule

U2 .... Spannung an der Sekundärspule

N1 .... Windungszahl der Primärspule

N2 .... Windungszahl der Sekundärspule

Das Verhältnis der Windungszahlen wird auch Übersetzungsverhältnis genannt. Auffällig ist

das negative Vorzeichen, das nichts anderes bedeutet, als dass eine Phasenverschiebung von

180° zwischen U1 und U2 besteht. Wenn N2 größer als N1 ist (oder umgekehrt), so kann man

an der Sekundärseite eine größere Spannung (kleinere Spannung) abgreifen. Somit kann man

mit dem Transformator eine Spannung in jede gewünschte andere Spannung

umtransformieren.

Belasteten Transformator

Beim belasteten Transformator befindet sich im Sekundärkreis ein ohmscher Verbraucher.

Der Strom I1 und der Strom I2 hängen wie folgt zusammen (2. Transformatorgesetz):

1

2

2

1

NN

II

Wieder spiegelt das Minuszeichen die Phasenverschiebung von I1 zu I2 wider.

-20-

Eine wichtige Aussage liefert noch der Energiesatz. Die primärseitig aufgenommene Leistung

muss stets gleich der sekundärseitig abgegebenen Leistung sein:

22max2max21max1max11 PcosUI21cosUI

21P

I1max, I2max .... Maximalstromstärken

U1max, U2max .... Maximalspannungen

21 P,P .... Wirkleistungen

1, 2 .... Phasenverschiebungen

Dabei ist allerdings vorausgesetzt worden, dass keinerlei Verluste auftreten.

V. Literatur

Bücher:

Physik (Paul A. Tipler) – Spektrum der Wissenschaften

Elektronik für Maschinenbauer (H. Linse) – Teubner Stuttgart

Physikbuch 3.Klasse (Oberstufe) (Sexl)

Basiswissen 3 (Jaros, Nussbaumer, Kunze) – Hölder-Pichler-Tempsky, Wien

Internetlinks:

www.iee.tu-clausthal.de

www.instrumentation.de

www.iee.tu-berlin.de/lehre/mundw/htmlprojekte/laborgeräte/trenntrafo.html

www.science.giant-world.com

www.walkabouttravelgear.com

Folienmappen aus dem Schulversuchspraktikum:

Energie und Umwelt

Stromversorgung

-21-

Anhang

Übersichtstabellen für Lehrer:

Art der Last Ohmsch Kapazitiv Induktiv

Schema

Das Instrument im

Stromkreis misst

den Strom )(tI

Spannung über

dem Bauteil )()( tIRtU

CtQtU )()(

dtdILtU )(

)(1)( tUR

tI dTdUC

dtdQtI )( dttU

LtI )(1)(

tUR

tI sin1)( 0 tUCtI cos)( 0 tL

UtI

cos)( 0

Strom als Funktion

der Spannung,

tUtU sin)( 0

tsinI)t(I 0 tItI cos)( 0 tItI cos)( 0

Maximalwert des

Stroms00

1 UR

I 00 UCI L

UI

00

Widerstand

0

0

IUR

R CRC

1 LRL

Verlauf von Strom

(blau) und

Spannung (rot)

gegen die Zeit

(Abszisse)

U(t)U(t) U(t)

-22-

Oder mit Zeigerdarstellung:

Ohmsch Kapazitiv Induktiv

Zeiger-

diagramm für

den Widerstand

Zeiger-

diagramm für

Strom (blau)

und Spannung

(orange) und

Verlauf beider

Größen gegen

die Zeit

(Abszisse)

Verlauf von

Strom (blau)

und Spannung

(rot) gegen die

Zeit

Erklärungen zu den Tabellen:

- Spitzenwert:

Als Spitzenwert bezeichnet man die Amplitude der sinusförmigen Größe.

Es gilt folgender Zusammenhang: U(t) = Umax sin t

- Leistungsmittelwert (Effektivwert):

21II maxeff

21UU maxeff

r

i

r

i

r

i

0 2 4 6 8 10

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

0 2 4 6 8 10

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

-23-

- Impedanz:

Als Impedanz Z bezeichnet man den aus Wechselspannung und Wechselstrom ermittelten

Widerstand.

IUZ [V/A=]

Z.... Scheinwiderstand (=Impedanz)

Er setzt sich aus mehreren Anteilen zusammen:

- dem rein ohmschen Widerstand (Wirkwiderstand)

- dem kapazitiven Blindwiderstand und

- dem induktiven Blindwiderstand.

Die letzten beiden Anteile sind von der Frequenz der Wechselspannung abhängig, der

Wirkwiderstand nicht. Die Addition der einzelnen Anteile zur Impedanz erfolgt vektoriell.

- Ohmsche Widerstand:

Ein rein ohmscher Widerstand verhält sich in Gleich- und Wechselstromtechnik gleich. Er hat

die Impedanz:

RIUZ

Strom und Spannung sind hierbei in Phase. Einen derartigen Widerstand bezeichnet man als

Wirkwiderstand R.

- Induktive Widerstand:

Der induktive Widerstand tritt in Spulen auf. Hat die Spule keinen Ohmschen Widerstand, so

wird sie als ideale Spule bezeichnet, man spricht dann von einem rein induktiven Widerstand.

Der Strom eilt der Spannung um 90° nach. Die Selbstinduktion L der Spule bewirkt in der

Spule eine Gegenspannung, wodurch der Strom nur verzögert ansteigt. Der induzierten

Spannung muss in jedem Augenblick eine gleichgroße entgegengesetzt gerichtete

Netzspannung entgegenwirken.

Der Widerstand einer Spule ergibt sich zu:

LXL []

Für = 0 (Gleichstrom) folgt XL = 0 Durchlass bei Gleichstrom

Für (Hochfrequenter Wechselstrom) folgt XL Sperrung bei hohen Frequenzen

-24-

- Kapazitive Widerstand:

Die Ursache ist ein Kondensator. Hat der Kondensator keinerlei Leckstrom, so spricht man

von einem rein kapazitiven Widerstand:

C1

IUX

s

sC

[]

Für = 0 (Gleichstrom) folgt XC Sperrung für Gleichstrom

Für (Hochfrequenter Wechselstrom) folgt XL 0 Durchlass bei hohen

Frequenzen.

Folien

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-2-