Ringkerntransformator

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links: Kern aus aufgewickeltem Blech, rechts: kompletter 100-VA-Ringkerntrafo

Ein Ringkerntransformator (englisch toroidal transformer) ist eine besondere Bauform des Transformators und hat im Vergleich zu herkömmlichen Transformatoren einige Vorteile. Dafür ist die Herstellung aufwändiger. Siehe auch Artikel Toroidspule.

Transformatoren mit Ringkernen haben, verglichen mit anderen Kernbauformen, bei gleicher Masse den höchsten Wirkungsgrad, da aufgrund des geschlossenen, luftspaltfreien Eisenkernes in Ringform die Leerlaufverluste bis zu 100-mal geringer als bei eckigen Kernbauformen sind. Aufgrund des luftspaltfreien Kernes ist der Magnetisierungsblindstrom sehr gering.

Zeitllicher Verlauf von sinusförmiger Netz-Spannung und nichtlinearem Strom am unbelasteten Ringkerntrafo bei 20 % Überspannung

Nebenstehende Grafik zeigt den Verlauf der Netzspannung und des Magnetisierungsstromes eines 1-kVA-Ringkerntrafos bei Überspannung. Diese wurde gewählt, damit der nichtlineare Stromverlauf am Ende einer Spannungshalbwelle deutlich wird. Hier tritt dann jedes Mal schon eine leichte Kernsättigung auf, weil dann mit der zu großen Spannungszeitfläche der Primärspannung der Magnetfluss und damit die Magnetflussdichte B zu groß wird. Von einer 90-Grad-Phasenverschiebung des Stromes kann hier nicht mehr gesprochen werden. Die fast waagerechten Stromanteile zeigen deutlich den geringen und fast konstant verlaufenden Ummagnetisierungsstrom, der für den Aufbau des geringen Magnetfeldes im Eisenkern benötigt wird.

Zeitllicher Verlauf von sinusförmiger Netz-Spannung und nichtlinearem Strom am unbelasteten Ringkerntrafo bei Nennspannung

Die Grafik darunter zeigt den Spannungs- und Stromverlauf des gleichen Transformators, wenn er mit Nennspannung betrieben wird, wobei der Leerlaufstrom dann wesentlich geringer ist.

Bei eckigen Transformatorkernen aus gestanztem Blech sind diese Ummagnetisierungsströme wesentlich größer, weil in mindestens zwei von mehreren Schenkeln der Magnetfluss quer zur Vorzugsrichtung des Magnetbleches laufen muss und dafür höhere Magnetfeldstärken zum Ummagnetisieren benötigt werden, siehe auch Transformator.

Trafo-Ringkerne können aus ferromagnetischem Blech (kristallin, amorph oder nanokristallin) und für höhere Frequenzen aus Ferriten oder sintermetallurgisch aus ferromagnetischen Pulvern hergestellt werden.

Eisen-Ringkerne bestehen aus einzelnen Blechlagen, die durch ein zu einem Ring aufgewickeltes Band gebildet werden. Das dünne Band, meist aus kornorientiertem Weicheisenblech, wird so gewickelt, dass in der Mitte ein Kernloch zur Durchführung der Kupferwicklungen frei bleibt. Die Windungen aller Wicklungen werden möglichst gleichmäßig auf dem Eisenring verteilt, um Streufelder zu vermeiden. Dazu wird der Drahtvorrat einer Wicklung zunächst auf ein Magazin gewickelt, welches dann zum Aufbringen der Wicklung maschinell durch das Kernloch um den Kernring herum geführt wird.

Ringkerntransformatoren können mit höherer magnetischer Flussdichte und geringeren Hystereseverlusten arbeiten, wenn texturierte, also kornorientierte Blechbänder verwendet werden. Auch dies trägt maßgeblich zur Verringerung der Baugröße bei. Anders als bei einem gestanzten Blechschnitt für beispielsweise einen EI-Kern-Transformator liegt die Kornorientierung für alle Teile des Kerns in der für die Magnetfeldlinien günstigen Vorzugsrichtung. Ringkerne werden auch für Stelltransformatoren verwendet. Bei diesen kontaktiert ein drehbar gelagerter Schleifer die einzelnen Spulenwindungen. Zur Kontaktgabe für den Schleifer sind die Windungen der Spule an den Außenseiten freigelegt, wobei die Isolierung der Lackdrähte abgeschliffen wird.

Trotz ihrer Vorteile kommen Ringkerntransformatoren für 50 Hz erst in den letzten Jahren mehr und mehr zum Einsatz, weil u. a. die Bewicklung eines geschlossenen Ringkerns aufwändiger ist. Inzwischen kann man jedoch Kerne bis zu 100 kW Leistung mit Automaten bewickeln.

Aufgrund der wertvollen Materialien für den Kern und die Wicklung besitzt der Ringkerntransformator gegenüber anderen Bauformen Vorteile, da er bei gegebener Leistung die geringsten Materialmengen benötigt. Seine Fertigung ist jedoch aufwändiger. Ringkerntransformatoren lassen sich gut in Anwendungen einsetzen, wo es auf geringste Standby-Verluste ankommt. Durch Überdimensionieren des Transformators lassen sich darüber hinaus auch bei Belastung die Kupfer-Verluste verringern; sie betragen bei 50 % Teillast nur noch 1/4 derjenigen bei Nennlast.

Beispiel für einen „Energiespartransformator“.

Ein 1-kVA-Ringkerntrafo hat ca. 6 Watt Eisenverluste (entspricht etwa dem Leerlaufverlust), ein 1-kVA-EI-Trafo hat dagegen ca. 45 Watt Eisenverluste. Die Kupferverluste sind bei beiden Typen (1-kVA-Trafo) mit ca. 24 Watt etwa gleich groß. Wählt man für diese Anwendung einen 2-kVA-Transformator, entwickelt die Ringkern-Bauform bei einer Last von 1 kW

12 + 24/4 = 18 Watt Gesamtverluste,

ein Trafo mit EI-Kern dagegen

90 + 24/4 = 96 Watt Gesamtverluste

Einschaltstromstoß

Ringkerntransformatoren verursachen beim Einschalten große Stromspitzen, weil ihr Kern aufgrund der hohen Remanenz dabei leichter als bei anderen Transformatoren in Sättigung geraten kann. Die Remanenz ist deshalb so hoch, weil die Hysteresekurve des Kernes aufgrund seiner Luftspaltfreiheit nicht geschert ist. Diese Stromspitzen lassen sich durch Sanftanlaufgeräte oder Transformatorschaltrelais völlig vermeiden oder mit Einschaltstrombegrenzern (NTC) soweit verringern, dass Schalter und Sicherungen geschont werden.

Ringkerntransformatoren werden für spezielle Anwendungen auch mit amorphen und nanokristallinen Bändern hergestellt. Die Leerlaufverluste sind dabei noch geringer. Masttransformatoren für die Einspeisung von Wohngebäuden sind so gebaut.