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Transformator-Anwendungen Teil 2 Einführung Im
ersten Teil haben wir uns mit den Hauptanwendungen beschäftigt: Induktives Laden, Induktionskochfeld und
Leistungstransformatoren für das Hochspannungsnetz. Im Teil 2 wird es
um weitere Anwendun- gen gehen: Zündspulen, FI−Schutzschalter,
Trenntrafos, Materialprü- fungen,
Metalldetektoren, Pinch-Effekt, Schmelzen und
Schweißen. Zündspulen Zündspulen werden natürlich zum Zünden von
Gasgemischen benutzt. Die bekannteste Anwendung finden sie in
Ottomotoren zur Zündung des Benzin-Luft-Gemisches. Bei älteren PKWs sah die Zündanlage
folgendermaßen aus:
Quelle:
Ausschnitt aus Video 1
mit ergänzter Benennung Zum Zünden des Benzin-Luft-Gemisches im
Zylinder wird eine Zünd- kerze
benutzt. Hierzu muss zwischen Masseelektrode und Mittelelek-trode ein Zündfunke aufgebaut werden. Die Spannung
hierfür muss mehrere 10 kV betragen. Dies liegt natürlich
weit höher als die 12 V der Autobatterie. Da im PKW keine Wechselspannung vorliegt,
muss die Änderung des Magnetfeldes durch ein plötzliches
Ausschalten des Primärstromkrei- ses
erfolgen. Dies erledigte in älteren PKWs der Unterbrecher. Der Primärstromkreis wird also plötzlich
unterbrochen, wodurch eine hohe Induktionsspannung
entsteht, da der Ausschaltwiderstand sehr groß ist. Es gilt ja folgende Formel für Uind:
UPrimär
wird dadurch viel größer als 12 V (s.
Ausschalten Spule). Am Unterbrecher können dabei Schaltfunken oder
Schaltlichtbögen ent-stehen, die unerwünscht sind (s.
hier). Eine weitere Erhöhung kommt jetzt durch den
Transformatoraufbau zustande. Innerhalb der Primärspule mit bis
zu 500 Windungen liegt die Sekundärspule mit bis zu 50 000
Windungen. Das Windungs- verhältnis
kann sogar von 1:100 bis zu 1:150 reichen. Damit ergibt sich mit der Transformatorformel
eine Sekundärspannung, die auf jeden Fall im
notwendigen Bereich von 10 kV und höher liegt. Bei moderneren PKWs wird alles
vollelektronisch gesteuert, so dass Verteiler und Unterbrecher wegfallen.
Außerdem erhält jede Zündkerze ihre eigene Zündspule. Man spricht dann von
einer Einzelfunken- Zündspule. Zwischendurch war auch eine Steuerung über
einen Hallsensor
und Transistoren üblich. Im Folgenden zwei Abbildungen zum Thema:
FI-Schutzschalter oder RCD Einführung In der elektrischen Hausinstallation sind
verschiedene Schutzeinrich- tungen
üblich. Neben dem Schutzleiter und der Sicherung für zu hohe Stromstärken (FS-Schalter), gibt es auch
Schutzeinrichtungen, die reagieren, wenn ein Fehlerstrom auftreten
sollte. Man spricht von FI-Schutzschaltern oder RCD (Residual Current Protective Device). Diese Schutzeinrichtungen müssen im
Gefahrenfall bei kleinen Fehler- strömen sehr schnell schalten, wenn der
Schutzleiter nicht reagiert, z. Bsp. bei falschem Anschluss oder zu
geringen Stromstärken. Dies liegt insbesondere vor, wenn eine Person ein
stromführendes Teil be- rührt und über die Erde den Stromkreis
schließt. Daher müssen alle Haushalte und vor allem auch
Badezimmerstromkreise über FI-Schutz- schalter
geschützt werden. Aufbau und Funktion Im Folgenden wird der schematische Aufbau des
RCD-Schalters ge- zeigt und seine Funktion erklärt.
Abbildungen Die folgenden Abbildungen zeigen noch einmal
anschaulich verschie-dene Situationen des RCDs. Hinweis: Die Videos sind Ausschnitte aus Video 4 (Liste) 1. Fall: Normalfall eingehender und ausgehender Strom sind gleich
groß, das Schalt-schloss bleibt inaktiv
2.1. Fall: Fehlerfall, Schaltschloss noch
inaktiv zwischen eingehendem Strom und ausgehendem
Strom gibt es eine größere Stromdifferenz, in diesem Fall fließt
die Differenz über den Schutzleiter ab, er könnte auch über einen
Menschen abfließen, Schaltschloss noch inaktiv
2.2. Fall: Fehlerfall, Schaltschloss aktiv,
Strom abgeschaltet
Magnetfeld im Summenstromwandler tritt auf,
Spannung wird in der Messpule induziert, ein Strom
tritt auf, das Schaltschloss wird aktiviert, Stromkreis ist unterbrochen Die konkrete Innenansicht eines FI-Schalters
kann sehr unterschied-lich sein, wie folgende
Beispiele zeigen
Metalldetektor Aufbau Es gibt Metalldetektoren in sehr vielen
Ausführungen und für viele ver- schiedene
Zwecke (s.u.). Die Abbildung zeigt einmal einen üblichen
Metalldetektor, der für die Schatzsuche benutzt wird. Er findet aber auch
für archäologische Untersuchungen oder im Militär bei der Kampfmittelbeseitung Verwen- dung.
Quelle:
Amazon
Benennung ergänzt LINK: Handhabung Solche Metalldetektoren können sehr
unterschiedlich betrieben werden. Im Wesentlichen wird zwischen PI- und
CW-Betrieb unter- schieden. PI bedeutet „Puls Induktion“ und CW
„Continuous Wave“. Wir behandeln in diesem Kapitel nur den
PI-Betrieb. Hinweis: Für die Erklärung des CW-Betriebes
braucht man Kenntnisse aus der Wechselstrom- physik
bzw. Schwingungslehre. Funktion Beim PI-Betrieb werden sehr kurze
Gleichstromimpuls (600 - 2100 Hz) mit hoher Stromstärke durch die Suchspule
geschickt. Diese Impulse bauen ähnlich wie bei der Zündspule ein sich
änderndes Primärma- gnetfeld
auf. Dieses durchsetzt den gesuchten Metallgegenstand und führt in diesem zu einem sekundären
Wirbelstrom. Dieser Wirbelstrom erzeugt wegen der Lenzschen
Regel ein entgegengesetzt gerichtetes Sekundärmagnetfeld, welches in der Pulspause
wiederum die Sende- spule durchsetzt. Diese Suchspule wird jetzt
zur Empfangsspule. Es wird ein Empfangsimpuls erzeugt, der dem Sendeimpuls entgegenge- richtet ist. Dies kann von der Elektronik
registriert werden und wird im Display angezeigt. Die beiden Abbildungen verdeutlichen dies
noch einmal: Quelle: Ausschnitte aus dem Video 7 (Liste)
Anwendungen Es gibt zahlreiche Anwendungen. Hier einige
Beispiele Schatzsuche,
Archäologische Untersuchungen, Kampfmittelbeseiti- gung,
Sicherheitskontrollen (Körperscanner, Handscanner),
Kontrolle von Lebensmitteln oder Pharmazeutika auf Metallverunreinigungen, Maschinenschutz
(z.B. Sägen) vor Metallrückständen, Ortung
von Me- tallleitungen im Haushalt durch Wandscanner Die Abbildungen zeigen den Einsatz in der
Kampfmittelbeseitigung und als Körper- und Handscanner. Videos Hier zwei Videos zu Anwendungen: 1. Video: Einsatz als Körperscanner 2. Video: Einsatz in der
Lebensmittelindustrie
Trenntrafo als Schutztrafo Im öffentlichen Stromnetz ist eine
elektrische Leitung durch die Erde ersetzt. Die Phasen bringen den Strom in die
Haushalte, über die Erdung wird der Stromkreis geschlossen. Dies
kann zu gefährlichen Situationen führen, wenn z.B. ein
Isolationsfehler vorliegt und ein Gerät mit einer Phase verbunden ist. Wird
dieses Gerät dann ange- fasst, kann der Strom über den Menschen zur
Erde abfließen, was tötlich
enden kann. Man spricht dann von einem Körperschluss. Wird ein zweiter Transformator zwischen
öffentlichem Stromnetz und Haushalt geschaltet, kann es zu keinem
gefährlichen Erdschluss kommen, da der zweite Trafo einen eigenen
geschlossenen Strom- kreis bildet, der keine Verbindung zur Erde
aufweist. Die folgende Abbildung zeigt dies noch einmal
sehr anschaulich. Links ist ein Erdschluss möglich, rechts
nicht mehr. Trotz eines Fehlers am Gehäuse besteht keine Gefahr für den
Menschen, da er sich nicht im Stromkreis befindet.
Trotzdem darf man natürlich, wie auch sonst, nicht beide Kabel gleichzeitig anfassen, da
man dann doch einen Teil des Stromkreises bildet.
Quelle:
wikipedia Video: Sehr schönes Video zum Trenntransformator. Es
wird auch auf die Hausinstalla- tion
eingegangen und die Aufgabe des FI-Schalters wird noch einmal erwähnt. Der Aufbau eines Trenntrafos
wird gezeigt, auch wenn man nicht viel sehen kann.
Einführung Das
Transformatorprinzips wird auch bei der Materialprüfung von Fehlern in
Metalloberflächen benutzt. Da sehr hohe Frequenzen hier- bei
(MHz-Bereich) verwendet werden, tritt der Skineffekt
auf, so dass der
Stromfluss nur noch an der Oberfläche stattfindet. Zu den Ober- flächenfehlern
zählen dabei Risse, Korrosion und Einschlüsse. Das Prinzip des Verfahrens kann nur grob
erklärt werden, da wieder (wie bei Metalldetektoren) Wechselstrom- und
Schwingungsphysik zum vollständigen Verständnis nötig sind. Aufbau Den prinzipiellen Aufbau zeigt folgende
Abbildung:
Quelle:
wikipedia Über eine Sendespule (Induktionsspule,
Primärspule) wird ein hoch-frequentes magnetisches Wechselfeld erzeugt. Die Abnehmespule nimmt die Reaktion bei Einstrahlung auf die
Materialprobe auf. Funktion (grob) Die Induktionsspule wird mit einer
hochfrequenten Wechselspannung versorgt. Diese hat einen Wechselstrom zur
Folge, der ein sich schnell änderndes Magnetfeld innerhalb der
Primärspule erzeugt. Als Sekun- därspule
dient wieder eine Metallprobe (Induktionskochherd,
Metall- detektor). In diesem Metall entstehen aufgrund der Induktion Wirbel- ströme, die ihrerseits wieder sekundäre
Magnetfelder erzeugen, die aufgrund der Lenzschen
Regel das Primärfeld abschwächen. Dies kann von der Abnehmerspule als Amplituden-
und Phasenänderung der Abnehmerstromstärke im Vergleich zur
Erregerstromstärke regis- tiert
werden (Wechselstromphysik). Man kann jetzt ein Oszilloskop so
eichen, dass bei einem fehlerfreien Material der Elektronenstrahl in der Mitte
auftrifft. Wenn jetzt ein Fehler im Material vorliegt, wird die
Wirbelstrombildung behindert bzw. ver- ändert, so dass die Amplitude bzw. Phase
anders aussieht als beim fehlerfreien Material. Dies würde im
Oszilloskop sofort als Abweichung von der Mittelstellung angezeigt werden. Videos 1.Video: vom Institut Dr. Foerster, sehr
einfach und verständlich 2.Video: sehr umfangreich und ausführlich
Schmelzen und Schweißen Typische Anwendungen eines Transformators
sind das Schmelzen und Schweißen. Da man hierfür große
Stromstärken braucht, um die entsprechende Hitze zu erzeugen, muss die
Windungszahl auf der Sekundärseite deutlich geringer sein als auf
der Primärseite. Es gilt ja für das Verhältnis der Stromstärken
Die folgenden Videos zeigen dazu einmal
übliche Schulexperimente. 1. Video: Schmelzen 2. Video: Schweißen
Hinweis: Wer die industrielle Anwendung einmal sehen
möchte, sollte sich Video
14 (Schmelzen) und Video
15 (Schweißen) aus der Videoliste ansehen. Pinch-Effekt Eine im Zusammenhang mit dem Transformator
häufig genanntes Phänomen ist der Pinch-Effekt,
obwohl dieses Thema, meiner Mei- nung
nach, besser zur Lorentzkraft passt. Meine Erklärung erfolgt daher auch mit Lorentzkräften. Folgendes Video zeigt einmal den häufig
vorgestellten Versuch:
In der folgenden
Abbildung sieht man noch mal schematisch den Aufbau:
Quelle. wikipedia Versuchsablauf: In eine sehr stabile Spule wird eine
Aluminiumdose platziert. Über eine Spannungsquelle wird ein Superkondensator mit
extrem hoher Kapazi- tät aufgeladen. Nach der Aufladung wird über
einen Schalter der Stromkreis aus Kondensator und Spule
geschlossen. Es treten kurz- fristig
extrem hohe Stromstärken (mehrere tausend Ampere) auf. Durch den extremen Strompuls werden im
Dosenmaterial Wirbel- ströme erzeugt, die aufgrund der Lenzschen Regel die entgegenge-setzte
Richtung wie die Stromstärke in der Primärspule aufweisen. Die Dose wird innerhalb der Spule
zusammengedrückt. Sie hat dann folgendes Aussehen
Quelle:
wikipedia Technische Anwendungen können das
Verschließen von Flaschen oder das Verschweißen von Metallteilen sein.
Es können auch Metall- teile aufgeweitet werden, wenn die Spule
innerhalb des Materials an- gebracht wird. (Link
hierzu). Erklärung Es gibt zwei verschiedene Erklärung zu dem
Zusammenpressen der Dose. Einmal wird über die Abstoßung der
Magnetfelder argumentiert, anderseits findet eine Begründung mit Hilfe
von Lorentzkräften statt. Ich neige zu der Begründung mittel Hilfe von
Lorentzkräften. Dies sieht dann folgendermaßen aus. Die Primärspule erzeugt aufgrund der extrem
großen Stromstärken ein sehr starkes Magnetfeld, welches ganz
plötzlich zusammenbricht und dadurch aufgrund von Induktion starke
Wirbelströme in der Dose erzeugt. Diese Ströme haben wegen der Lenzsche Regel eine andere Stromrichtung als die Ströme in der Spule.
Diese Wirbelströme befin- den sich aber kurzfristig noch im starken
Magnetfeld der Primärspule. Es gibt eine zeitliche Überschneidung. Die folgende Abbildung zeigt die Situation.
Spule und Dose sind zur besseren Veranschaulichung räumlich getrennt
worden. Blick von oben auf einen Querschnitt der Anordnung (s. obiges Experiment)
Man kann sich die Situation wie bei zwei
stromdurchflossenen Kreis- ringen (Leiterschleife)
vorstellen. Mit der Rechte-Faust-Regel
ergibt sich ein Magnetfeld, dass aus der Ebene
herauszeigt. Sowohl die Spule und als auch die Dose werden vom
Spulen-Magnetfeld durch- setzt. Für gegenüberliegende Punkte ist das
eine Anordnung aus parallelen Leitern (s. dort). Jeder Leiter
liegt im Magnetfeld des ander- en Leiters. Die Richtung der Lorentzkraft
ergibt sich jetzt aus der Drei-Finger-Regel der
rechten Hand (beachte: die Abb. zeigt die tech- nische
Stromrichtung). Bei der Spule zeigen die Lorentzkräfte nach außen. Sie müsste eigentlich
auseinandergedrückt werden. Die Spule muss daher recht stabil gewählt werden, damit
dies nicht passiert. Die Lorentzkräfte bei der Dose zeigen alle nach
innen. Da die Dose nicht so stabil ist, wird die Wand nach innen
gedrückt. Die Lorentzkräfte hängen quadratisch von der
Stromstärke ab, so dass bei „normalen“ Stromstärken die Kräfte
zu gering sind (im µN-oder mN-Bereich).
Bei unserem Versuch liegen aber extreme Strom- stärken vor, so dass deutlich höhere Kräfte
auftreten, die für die Ver- formung
sorgen. Zur Formel für die Lorentzkräfte:
Videos zu diesem Thema: Videoliste Video 16, Video 17 gehe zu:
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„Induktion“ |
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