„Transformator“ – Versionsunterschied

Ein 30-VA-Netztransformator. Die Spulen sind hier von einem Plastikgehäuse umschlossen, außen sind auf dem Blechkern und dem Spulengehäuse die Spuren des isolierenden Tränklacks zu erkennen. Die elektrischen Anschlüsse sind hier verdeckt.

Transformatoren mit Ölkühlungs-Gehäuse in einer 110-kV-Transformatorstation

Ein Transformator, kurz Trafo, überträgt elektrische Energie zwischen zwei von Wechselstrom durchflossenen Stromkreisen mit normalerweise unterschiedlich hoher Spannung aber gleicher Frequenz. Er besteht meist aus einem Eisenkern, um den Leiter so gewickelt sind, dass der Strom jedes Stromkreises mehrfach um den Eisenkern herum geführt wird. Die Energieübertragung vom einen auf den anderen Stromkreis geschieht durch Elektromagnetische Induktion.

Transformatoren gibt es von Daumennagelgröße für die Übertragung von weniger als einem Tausendstel VA (z. B. für Bühnenmikrophone, wobei hier von Übertrager gesprochen wird) bis hin zu großen Einheiten von mehreren 100 Tonnen, die für die Kopplung nationaler Stromnetze verwendet werden und für Leistungen im Mega-VA-Bereich ausgelegt sind. Wenngleich es viele verschiedene Ausführungsvarianten gibt, basieren doch alle auf den gleichen Grundprinzipien. Transformatoren befinden sich insbesondere in nahezu allen Elektronikgeräten, die für Netzspannung gebaut sind. Transformatoren sind für die Stromversorgung unverzichtbar, da elektrische Energie nur mittels Hochspannungsleitungen über weite Entfernungen wirtschaftlich sinnvoll transportiert werden kann.

Geschichte

Patentzeichnung von William Stanley 1886

Obwohl das Prinzip der wechselseitigen Kopplung von elektrischer Stromänderung und Änderungen im Magnetfeld seit den Entdeckungen Michael Faradays von 1831 bekannt war, wurde der Transformator erst 50 Jahre später entwickelt. Als alternatives Konzept zur Wandlung von Spannung mittel induktiver Kopplung wurden etwa zur selben Zeit miteinander gekoppelte Motoren und Generatoren benutzt: die Umformer.

Lucien Gaulard und John Gibbs stellten 1881 den ersten Transformator in London aus. Den Ungarn Károly Zipernowsky, Miksa Déri und Ottó Titusz Bláthy wurde 1885 ein Patent auf den Transformator erteilt. Dieser war mechanisch nach dem umgekehrten Prinzip der heutigen Transformatoren aufgebaut; die Leiterspulen waren um einen soliden Kern aus unmagnetischem Material gewunden, darüber wurden dicke Eisendraht-Lagen gelegt, die eine ferromagnetische Schale bildeten. Dieser Transformator wurde von der Firma Ganz & Cie aus Budapest weltweit vertrieben.

Wesentlichen Anteil an der Verbreitung des Wechselstromsystems und mit ihm des Transformators hatte der US-Amerikaner George Westinghouse. Er erkannte die Schwächen der damals von Edison betriebenen und favorisierten Gleichstrom-Energieverteilung und setzte vorrangig auf Wechselstrom. 1885 importierte Westinghouse eine Anzahl Gaulard-Gibbs-Transformatoren und einen Siemens-Wechselspannungsgenerator für die elektrische Beleuchtung in Pittsburgh. William Stanley führte im gleichen Jahr als Chefingenieur von Westinghouse in Pittsburgh wesentliche Verbesserungen an Lucien Gaulards und John Gibbs’ Gerät durch.

Westinghouse installierte 1886 in Great Barrington, Massachusetts, einen Wechselspannungsgenerator, dessen 500 Volt Wechselspannung zur Verteilung auf 3000 Volt hochtransformiert und dann zum Betrieb der elektrischen Beleuchtung an den Anschlussstellen wieder auf 100 Volt heruntertransformiert wurde.

Der wachsende Einsatz von Transformatoren führte in Verbindung mit der Schaffung von Wechselstrom-Stromnetzen zur weiten Verbreitung der Elektroenergie da der Transport in einer niedrigen (nicht-transformierten) Spannung höhere Energieverluste über große Entfernungen bedingt als der über Hochspannungsleitungen.

Bereits 1889 veröffentlichte der Münchner Elektroingenieur Friedrich Uppenborn ein Buch zur Geschichte des Transformators.

Theoretische Grundlagen

Schemazeichnung eines Transformators

Schaltbild eines idealen Transformators; mit elektrischen Primär- (p) und Sekundärgrößen (s)

Ersatzschaltbild eines realen Transformators

In der idealen Form ("idealer Transformator") besteht der Transformator aus zwei elektrischen Kreisen (Wicklungen) und einem magnetischen Kreis (Kern), wobei der magnetische Fluss vollständig durch beide elektrische Kreise geführt wird. Die Spannungen der Wicklungen sind dann aufgrund der elektromagnetischen Induktion proportional zur Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses und zur Wicklungszahl. Daraus folgt, dass sich die Spannungen so zueinander verhalten wie die Wicklungszahlen. Bezeichnet man mit V_S, V_P, N_S und N_P die sekundärseitigen bzw. primärseitigen Spannungen bzw. Wicklungszahlen, so gilt beim idealen Transformator

${\frac {V_{S}}{V_{P}}}={\frac {N_{S}}{N_{P}}}$

Durch geeignete Wahl der Wicklungszahlen N_S und N_P kann man mit einem Transformator Wechselspannungen daher sowohl hochtransformieren (indem man N_S größer als N_P wählt) oder heruntertransformieren (wenn N_S kleiner als N_P ist).

Wird an die sekundäre Wicklung ein Verbraucher angeschlossen, so wird in diesem Energie verbraucht, die primärseitig zugeführt werden muss. Bei einem idealen Transformator ist die primärseitig zugeführte Energie gleich der sekundärseitig verbrauchten Energie; es gibt keine Energieverluste im Transformator. Die Ströme verhalten sich umgekehrt proportional zu den Spannungen, da die Leistung im idealen Transformator primär- und sekundärseitig gleich hoch ist. Außerdem ist das Verhalten des idealen Transformators frequenzunabhängig und linear.

Ideale Transformatoren sind praktisch nicht realisierbar. Ein realer Transformator unterscheidet sich folgendermaßen vom idealen Transformator:

• Die Wicklungen haben endliche Widerstände und eine endliche Kapazität;
• im Eisenkern treten Wirbelstromverluste auf;
• die Ummagnetisierung des Kerns verbraucht Energie;
• nicht der gesamte magnetische Fluss, der die Primärwicklungen durchströmt, führt auch durch die Sekundärwicklungen, es treten vielmehr Streuflüsse auf;
• die Permeabilität des Kerns hängt von der Frequenz ab;
• die Sättigungsmagnetisierung des Kerns führt dazu, dass die Induktivität der Primärwicklungen nicht konstant ist, sondern von der Primärspannung abhängt;
• der Eisenkern ändert aufgrund der Magnetostriktion seine Form, wenn sich das Magnetfeld ändert.

Die Widerstände der Wicklungen, die Ummagnetisierung und die Wirbelströme führen zu Energieverlusten.

Streuflüsse bewirken, dass die Sekundärspannung etwas geringer ist als beim idealen Transformator und dass sie nicht proportional zur Primärspannung ist.

Die Sättigungsmagnetisierung begrenzt die mögliche Betriebsfrequenz nach unten bzw. bei gegebener Frequenz die mögliche Primärspannung nach oben. Wird die Grenze überschritten und die Sättigung erreicht, fließen primärseitig sehr hohe Ströme, während sekundärseitig die Spannung sehr gering wird. Die Sättigungsmagnetisierung spielt auch beim Einschalten des Transformators eine wichtige Rolle; der Einschaltstrom kann dabei kurzzeitig ein Vielfaches des Nennstromes betragen.

Die Magnetostriktion führt bei Transformatoren, die mit Netzfrequenz betrieben werden, zum typischen Netzbrummen.

Der reale Transformator wird in der Elektrotechnik mit Hilfe eines geeigneten Ersatzschaltbildes beschrieben.

Konstruktive Bauelemente

Hauptbauelemente eines Transformators sind die Spulen, zu denen man auch Wicklungen sagen kann.

Danach kommt der Transformatorkern, wenn er denn vorhanden ist. Dafür wird ferromagnetisches Material verwendet. Damit kann eine höhere Leistungsdichte erreicht werden. Transformatoren mit Eisen- oder Ferritkern sind bei gleicher Leistung im Vergleich zum kernlosen Lufttransformator kompakter, nehmen also weniger Volumen in Anspruch. Daher ist diese Ausführung häufig anzutreffen.

Ein mögliches Ziel bei der Auslegung von Transformatoren besteht darin, die Geräuschentwicklung gering zu halten.

Weitere Bauelemente ergeben sich durch die eventuell notwendige Kühlung.

Die letzte Bauelementgruppe ergibt sich aus Installationsanforderungen oder aufgrund von elektrischen Schutzmaßnahmen (eventuell ein Gehäuse).

Wicklungen

Orthozyklische Wicklung

Für die Herstellun einer Spule, bei Transformatoren Wicklung genannt, ist isolierter Draht notwendig. Meist wird massiver Kupferdraht verwendet. Weiterhin kommt jedoch auch Folie, Band oder Hochfrequenzlitze zum Einsatz. Folien von Schaltnetzteiltransformatoren und Drähte von Großtransformatoren bestehen häufig aus Aluminium.

Zur Isolierung hat der Draht eine Kunstharz-Lackierung (Kupferlackdraht) oder - früher - auch eine Umspinnung. Die dünnere Lackschicht hat ein höheres Isoliervermögen und erlaubt eine kompaktere Wicklung, als es mit umsponnenen Drähten möglich war. Relativiert wird dies bei nachfolgendem Tränken des Transformatorwickels oder beim Betrieb in Isolieröl (Transformatorenöl).

Um die Spannung zwischen benachbarten Windungen nicht allzu hoch werden zu lassen, werden Lagenisolationen eingebracht oder der Draht wird beim Wickeln in mehrere nebeneinander liegende Kammern verlegt.

Konstruktives Ziel ist eine möglichst kompakte Wicklung, um in einem durch den Kern gegebenen Wickelquerschnitt möglichst viel Kupfer unterbringen zu können. Die Art der Isolierung bestimmt die maximal mögliche Betriebstemperatur. Eine kompakte, möglicherweise getränkte Wicklng verbessert auch die Wärmeableitung aus dem Inneren.

Der Drahtquerschnitt ergibt sich als Kompromiss aus Kosten, Strombelastung, Erwärmung und Wirkungsgrad. Dessen Festlegung und die Auswahl der Kerngröße ist ein iterativer Prozess.

Ein Spulenkörper (engl. coil former) hilft, die Wicklung in der passenden Form herzustellen und bietet zusätzliche Isolation zum Kern oder auch zu Nachbarwicklungen (Mehrkammer-Spulenkörper). Spulenkörper sind meist aus Kunststoffspritzguss und besitzen oft mit eingespritzte Kontaktstifte oder auch Führungen für ein- und auslaufende Wicklungsenden. Damit ist auf einer automatischen Wickelmaschine eine geordnete Wicklung möglich.

In einigen Fällen ist ein Spulenkörper zu teuer oder er schränkt den Wickelraum zu stark ein. Dann wird ein selbsttragender Wickel hergestellt und auf dem Kern mit Keilen oder anderen Zwischenlagen befestigt. Nur selten wird direkt auf die Schenkel des Transformatorkerns gewickelt, da solche Wicklungen schwer maschinell herzustellen sind.

Manchmal wird die Wicklung anschließend mit Tränk- oder Gießharz fixiert; so verbessert sich die Isolation, die Wärmeableitung, die mechanische Festigkeit und die Gefahr des Eindringens von Feuchtigkeit wird verringert. Besonders Schaltnetzteil- und kleine Hochspannungstransformatoren werden unter Vakuum getränkt beziehungsweise beim Verguss entlüftet, um Lufteinschlüsse zu beseitigen, die ansonsten zu lebensdauerverringernden Vorentladungen führen.

Die Spannung, die der Spule bei Nennleistung entnommen werden kann, wird Nennspannung genannt. Die Nennleistung ist die für den regulären Dauerbetrieb vorgesehene Abgabeleistung auf der Sekundärseite. Die Isolation innerhalb einer Wicklung kann mit einer höheren als der Nennspannung getestet werden, indem man die Frequenz der speisenden Wechselspannung erhöht.

Wicklungsanordnung

Bei Netztransformatoren mit nur einer Wickelkammer ist die Primärwicklung meist zuunterst gewickelt – bei niedrigeren Ausgangsspannungen schützt so der meist dickere Draht der Sekundärwicklung den dünnen Draht der Primärwicklung. Bei hoher Ausgangsspannung wird durch diesen Wicklungsaufbau die Isolation zum Kern erleichtert.

Das Übereinanderwickeln von Primär- und Sekundärspule wird auch Mantelwicklung genannt. Die Aufteilung von Primär- und Sekundundärwicklung in mehrere Bereiche und die Anordnung dieser Teilwicklungen nebeneinander auf einem Schenkel des Kerns wird als Scheibenwicklung bezeichnet. Abstände zwischen den Scheiben dienen häufig als Kühlluftkanäle.

Audio-Transformatoren (Übertrager und Ausgangstransformatoren) haben oft ineinander greifende (sog. verschachtelte) Wicklungen, um die Streuinduktivität zu verringern und so die Übertragung hoher Frequenzen zu verbessern.

Bei Sicherheitstransformatoren sind Primär- und Sekundärwicklung in getrennten Kammern des aus Isolierstoff bestehenden Wickelkörpers untergebracht, um sie sicher voneinander zu isolieren.

Ein Transformator kann statt einer einzelnen auch mehrere getrennte Sekundärwicklungen für unterschiedliche Spannungen oder für getrennte Stromkreise haben.

Anzapfungen

Dieser Transformator stammt aus einer Elektrolokomotive: Zahlreiche Anzapfungen ermöglichen den Fahrbetrieb. Der Trafo war in einem Ölbad (hier entfernt).

Die Primärwicklung kann mehrere Anzapfungen haben; damit ist ein solcher Transformator für unterschiedlich hohe Primärspannungen geeignet, wobei dennoch auf gleiche Ausgangsspannungen transformiert wird. Ein Transformator, der sowohl für den amerikanischen (120 Volt) als auch den europäischen Markt (230 Volt) einsetzbar sein soll, kann z. B. mit einer Anzapfung der Primärwicklung am Netztransformator und einem Umschalter versehen sein. Oft werden hierzu jedoch zwei Wicklungen für je 120 Volt aufgebracht, die wahlweise parallel oder in Reihe geschaltet werden können. Dabei kann man die geringe Spannungsabweichung zugunsten des geringeren Kupferbedarfes meistens in Kauf nehmen.

Auch die Sekundärwicklung kann Anzapfungen besitzen, um den Transformator zum Beispiel an unterschiedliche Belastungsfälle anzupassen oder mehrere Spannungen mit gleichem Bezug zu erzeugen. Die Anzapfungen können unter Last mit speziellen Lastschaltern je nach Erfordernis (Spannungs- oder Leistungsänderung) frei gewählt werden, beispielsweise bei elektrischen Lichtbogenöfen oder Bahnfahrzeugen. Eine Stromunterbrechung wird dabei durch kleine Hilfs-Stelltransformatoren vermieden.

Wird die Wicklung der Sekundärseite nach der Hälfte der Gesamtanzahl der Windungen aufgetrennt und nach außen geführt, so wird dies als Mitten- oder Mittelanzapfung bezeichnet. So stehen drei Spannungen im Verhältnis 1:1:2 zur Verfügung. Solche Transformatoren werden als Treiber- oder Ausgangsübertrager von Gegentakt-Endstufen sowie zur Speisung einer Zweiwege-Gleichrichtung eingesetzt. Eine solche Mittelanzapfung kann man auch schaffen, indem man zwei Wicklungen mit gleicher Anzahl von Windungen auf die Sekundärseite aufbringt und diese polrichtig in Reihe schaltet. Dadurch erhält man zwei gleiche Spannungen, die sich addieren.

Eisenkern

Ferromagnetisches Material im Spulenkern hat eine wesentlich bessere magnetische Leitfähigkeit als Luft und erlaubt so einen stärkeren magnetischen Fluss. Hierbei hilft ein möglichst geschlossener magnetischer Kreis ohne Trennfugen.

Hysteresekurve: Je größer die Fläche in der Kurve wird, desto größer werden die Verluste

Nicht vermeidbar sind dabei die Hysterese-Verluste.

Die wirtschaftlich größte Bedeutung haben Eisenlegierungen und ferromagnetische Stähle. Für Netztransformatoren (Betriebsfrequenz 50 oder 60 Hz) verwendet man überwiegend Eisen-Silizium-Legierungen, kornorientertes Dynamoblech (Texturblech) nach DIN EN 10107. Bei Signalübertragern werden auch die höherwertigen Eisen-Nickel-Legierungen und bei hohen Frequenzen (z. B. Schaltnetzteil-Übertrager) weichmagnetische Ferritkerne eingesetzt.

Für die Leistungsübertragung im Stromnetz verwendete Transformatoren haben immer einen geschlossenen Eisenkern, auf den die Spulen aufgebracht werden. Der Querschnitt des Eisenkerns wird so gewählt, dass die Flussdichte möglichst in allen Teilen des Eisen-Kernes zu nahe an die magnetische Sättigungsflussdichte kommt. Kerne für einphasige Transformatoren aus drei Schenkeln mit Primär- und Sekundärspule auf dem Mittelschenkel (M-Kerne) haben daher Außenschenkel mit dem halben Querschnitt des Mittelschenkels.

Die maximale Flussdichte liegt bei Eisen je nach Spezifikation bei 1,5…2 T. Bei Ferriten liegt sie bei etwa 400 mT.

Bei der Auslegung des Eisenkerns und der Windungszahl $n$ sind folgende Zusammenhänge unter bestimmten Randbedingungen (sinusförmige Spannungsform, homogener luftspaltloser magnetischer Kreis) gültig:

(1)$n={\frac {50\cdot 45\cdot U}{f\cdot A_{\text{Fe}}\cdot \Delta B}}\,$

mit

$n$ – Windungszahl

$\Delta B$ – Induktionsamplitude (Flussdichteänderung) in Tesla

$U$ – Effektivwert der Spannung in Volt

$A_{\text{Fe}}$ – magnetischer Kernquerschnitt in cm²

$f$ – Frequenz in Hz

An manche Transformatoren werden besonders hohe Anforderungen an die Linearität der Strom-Spannungs-Kennlinie gestellt oder sie dienen gleichzeitig der Zwischenspeicherung magnetischer Energie (Sperrwandler). Dies kann durch einen Luftspalt im magnetischen Kreis erreicht werden (quasi eine Mischform von Lufttransformator und Eisenkerntransformator). Der Feldstärkebedarf und damit der Magnetisierungsstrom steigen, die Kennlinie wird geschert bzw. linearisiert. Die im Luftspalt gespeicherte magnetische Energie vergrößert die Blindleistung, wird jedoch fast verlustfrei wieder abgegeben.

Luftspalte vergrößern den Streufluss, der möglicherweise anderswo, z. B. im Trafokessel, zu Verlusten und Störungen führt.

Luftspalte werden bei Gleichstrom-Anteilen im Primärstrom (siehe Ausgangsübertrager) und bei Sperrwandler-Übertragern benötigt.

Datei:Flachtrafo 14VA printmontage (smial).jpg

Flachtransformator zur Montage auf Leiterplatten

Leistungstransformatoren für Frequenzen unterhalb von etwa 1 kHz haben meistens Kerne, die aus elektrisch gegeneinander isolierten Eisenblechen (Dynamoblech) bestehen. Die Kerne müssen geblecht sein, weil unter dem Einfluss des Magnetfeldes im Eisen als leitendem Material genauso wie in der Sekundärspule Spannungen induziert werden, die im Vollmaterial zu Wirbelströmen führen. Diese Wirbelströme erzeugen Verluste, die umso höher sind, je besser die elektrische Leitfähigkeit des Kernes ist. Der Stromweg wird durch die Verwendung von dünnen Blechen, die voneinander isoliert sind, unterbrochen. Eine Beschädigung der Isolierung der einzelnen Blechpakete kann bei großen Transformatoren zu einer erheblichen lokalen Erwärmung des Paketes führen.

Kernbauformen

Ringkern

Kern aus aufgewickeltem Dynamoblech und daraus hergestellter fertig gewickelter Ringkerntrafo

Mit einem Ringkern sind Tansformatoren mit vergleichsweise hohem Wirkungsgrad und kleiner Baugröße möglich. Dafür ist die Herstellung (insbesondere das Wickeln der Spule) aufwändiger. Es wird von Ringkerntransformatoren gesprochen. Die Kernverluste sind wesentlich geringer als die von Transformatoren mit gestapelten Kernen.

Schnittbandkern

Eine Kompromisslösung stellen Schnittbandkerne dar: ein Blechband (Dicke 0,025–0,3 mm) wird auf einen Dorn mit rechteckigem Querschnitt aufgewickelt und verklebt. Anschließend wird der Wickel in der Mitte quer zerteilt und die Trennflächen werden poliert. Die Hälften werden dann in die bewickelten Spulenkörper gesteckt und verklebt. Für Schnittbandkerne werden auch texturierte Blechbänder eingesetzt.

Schnittbandkerne haben aufgrund ihrer Restluftspalte eine kleine Remanenz und damit kleinere Einschaltströme als Ringkerntransformatoren. Durch die beiden Rest-Luftspalte im Kern und dessen rechteckige Form ist die Materialausnutzung jedoch nicht so hoch wie beim Ringkerntransformator.

Schnittbandkerne haben dennoch ähnlich gute Eigenschaften wie Ringkerne, die Wicklungsherstellung ist gegenüber jenen einfacher, die Schnittbandkern-Herstellung ist jedoch gegenüber anderen Kernbauformen etwas teurer.

Gestapelte Blechkerne

Die Formgebung der Transformatorbleche ist abhängig von der Anordnung der Wicklungen. Diese werden häufig auf einen Spulenträger (Wickelkörper) aufgewickelt. Anschließend werden die ausgestanzten Bleche in den Spulenträger eingeschoben. Als Material wird Dynamoblech verwendet. Folgende Formen sind gebäuchlich:

E-I mit abwechselnder Schichtung

• EI-Kern: gleichsinnig (Luftspalt!) oder wechselseitig geschichteter Stapel aus Blechen in E- und I-Form; die Außenschenkel der E-Bleche sind halb so breit wie der Mittelschenkel; ein Wickel auf dem Mittelschenkel. Der Luftspalt (gleichsinnige Montage) ist bei der Montage durch Zwischenlagen variierbar.
• M-Kern: Blechform in der Form eines unten geschlossenen M, der Mittelteil ist am Ende unterbrochen, um die Bleche in den Wickel stapeln zu können, ein Wickel auf dem Mittelschenkel. M-Kerne bzw. -Bleche können einen Luftspalt aufweisen. Der Mittelschenkel ist doppelt so breit wie die Außenschenkel.
• UI-Kern: wechselseitig gestapelte Bleche in der Form eines U und eines I; zwei Spulenwickel auf den langen Seiten des U.
• LL-Kern: zwei L-förmige Bleche werden jeweils umgekehrt gegeneinander gelegt und wechselseitig orientiert gestapelt. Zwei Wickel auf den langen Seiten. LL-Kerne können eine Jochverstärkung aus rechteckigen Blechen neben den Wickeln aufweisen, wenn längs der Wickel texturierte (kornorientierte) Bleche zum Einsatz kommen.
• Die Bleche von Kernen für die jeweils drei Spulensätze von Drehstromtransformatoren sind rechteckig mit speziellen Maßen zugeschnitten und ineinander geschachtelt oder sie bestehen aus E-förmigen Blechen gleicher Schenkelbreiten sowie zugehörigen, die E-Enden überbrückenden I-Blechen für das Joch.

Ferritkern

Datei:Schalenkern.png

Übertrager mit Schalenkern

Ab Frequenzen im Kilohertzbereich und höher haben Kerne aus Ferritmaterial im Vergleich zu den Kernen aus Dynamoblech Vorteile.

Das meist pulverförmige Ausgangsmaterial (Ferrite) wird in eine Form gegeben und unter Druck gesintert (gepresst). Hierdurch ergeben sich mehr Gestaltungsmöglichkeiten als bei den Blechpaketen. Dies gilt insbesondere für die Anpassung an den Spulenkörper.

Für Transformatoren werden weichmagnetische Ferrite verwendet.

Kernloser (Luft-)Transformator

Die kernlose Ausführung (Lufttransformator) ist bei niedrigen Frequenzen nicht effizient bzw. realisierbar. Ursache ist, dass die Primärspule dann extrem viele Windungen besitzen müsste, um die erforderliche hohe Primärinduktivität zu erzeugen. Der dann erforderliche sehr lange Draht hätte aber so großen Widerstand, dass darin ein Großteil der zugeführten Leistung in Wärme verwandelt würde.

Das von einem stromdurchflossenen Leiter erzeugte Magnetfeld ist in der Luft oder im Vakuum mit einer Flussdichte von relativ geringer Stärke verbunden, magnetische Kopplung und Induktivität der Spulen sind gering und würden sehr hohe Betriebsfrequenzen erfordern.

Lufttransformatoren haben den Vorteil, in der Sekundärspule eine Spannung mit exakter Nachbildung der zeitlichen Veränderung des Primärstroms zu liefern, auch wenn der Primärwechselstrom relativ hohe Frequenzen enthält. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Frequenzanteile des Stromes sich über eine große Bandbreite erstrecken. Daher werden für manche Zwecke Lufttransformatoren als Übertrager verwendet.

Beispiele sind der Teslatransformator, Koppel- und Anpassspulen in der Hochfrequenztechnik und die Rogowskispule.

Transformatorenöl

Ölgekühlter Transformator ohne Gehäuse

Das Öl im Transformatorgehäuse dient sowohl der Isolation der Wicklungen als auch der Kühlung. Der Querschnitt der Wicklungsdrähte wird aus Kostengründen und aufgrund des beschränkten Wickelraumes so klein wie möglich gehalten. Große Transformatoren besitzen zwar eine wesentlich höhee Effizienz als kleine, die innere Erwärmung der Wicklungen gelangt jedoch schwerer nach außen. Die Ölfüllung verbessert dies und ist überdies in der Lage, alle Zwischenräume auszufüllen und Isolationsfehler in begrenztem Maße zu heilen. Dieses Phänomen wird mit einem am Ausdehnungsgefäß angebrachten Buchholz-Relais überwacht, indem dort im Öl entstandene Gase registriert werden. Mit ihm können Isolationsfehler frühzeitig erkannt werden und die Brandgefahr kann eingeschränkt werden.

Ein Nachteil ist dennoch die Entflammbarkeit des Öls bei hohen Temperaturen. Die erhebliche Ölmenge liefert eine hohe Brandlast. Daher werden derzeit zunehmend auch größere Transformatoren mit Epoxydharz-isolierten Wicklungen gebaut. Öllose Transformatoren werden als Trockentransformatoren bezeichnet.
Eine andere Methode, die Brandgefahr zu verringern, war eine Zeitlang (1970er Jahre), Polychlorierte Biphenyle (PCB) oder polychlorierte Terphenyle (PCT) als Isolieröl zu verwenden beziehungsweise diesem beizumischen. Diese Öle haben hervorragende Isoliereigenschaften, sind weniger oder nicht brennbar, jedoch bereits bei Hautkontakt giftig und deshalb sowie aufgrund ihrer fehlenden Abbaubarkeit in der Umwelt seit 1999 auch in vorhandenen Anlagen ab einem Gehalt von 50 ppm verboten.

Nebenstehendes Bild zeigt einen Transformator mit Ölisolation beziehungsweise Ölkühlung. Das mit Kühlrippen ausgestattete Gehäuse und der Buchholzschutz sind nicht abgebildet.

Bauformen

Dreiphasen-Kerntransformator in typischer dreischenkliger Gestalt. Primär- und Sekundärwicklung sind übereinander gewickelt.

Eine Trafostation auf Rügen (2007)

Widerstandspunktschweißgerät

Schema eines Teslatransformator-Aufbaus

Zur Impedanzwandlung ist ein Transformator direkt am Lautsprecher montiert. Übersetzungsverhältnis 1: 30 bis 1:50.

• Anlasstransformator
• Drehstromtransformator auch Leistungstransformator
• Trenntransformator auch Sicherheitstransformator Klingel- oder Spielzeugtrafo
• Spartransformator
• Streufeldtransformator
• Tesla-Transformator: Diese arbeiten mit Frequenzen im Bereich von 30 bis 500 kHz, Damit lassen sich hohe Spannungen erzeugen, womit blitzartige Entladungen demonstriert werden. Sie sind kommerziell unbedeutend.
• Stelltransformator: Mit einem Schleifkontakt kann die Ausgangsspannung gewählt werden. Solche Geräte findet man im Labor oder in Werkstätten sowie als Modelleisenbahntrafos.
• Ausgangsübertrager

Anwendungen

• Bildröhren von Fernsehgeräten oder Computermonitoren enthalten einen Zeilentransformator, der die Netzspannung auf die Beschleunigungsspannung der Elektronen hochtransformiert.
• Netzteile von Elektronikgeräten wie z.B. Handys, Notebooks oder PCs bestehen in ihrer einfachsten Ausführung im wesentlichen aus einem Transformator, der die Netzspannung auf die Betriebsspannung des Gerätes heruntertransformiert. Moderne Netzteile sind meist als Schaltnetzteile ausgelegt, bei denen die Netzspannung vor der Transformation in eine Wechselspannung wesentlich höherer Frequenz umgewandelt wird. Eine höhere Frequenz ermöglicht einen leichteren und damit kleineren Transformator.
• In einer Trafostation wird die Elektrizität des regionalen Verteilnetzes mit einer Spannung von 10 bis 36 kV (Mittelspannung) zur Versorgung der Niederspannungsendkunden auf die im Ortsnetz verwendeten 400/230 Volt (Niederspannung) heruntertransformiert.
• Ein Umspannwerk verbindet verschiedene Spannungsebenen in einem Stromnetz miteinander, beispielsweise 400 kV des überregionalen Netzes mit 36 kV eines regionalen Verteilnetzes.
• Ein Maschinentransformator ist Teil eines Kraftwerks und transformiert die im Generator induzierte Spannung zur Einspeisung in das Stromnetz in Hochspannung.
• Ein Stromwandler dient zur Messung hoher Stromstärken, indem er diese heruntertransformiert. Er besteht aus einem Ringkern mit Sekundärspule, die den Leiter umschliesst, dessen Strom gemessen werden soll.
• Mittelfrequenztransformatoren sind für Frequenzen von einigen Hundert Hertz bis zu einigen Kilohertz ausgelegt. Sie werden beispielsweise in der Schweißtechnik eingesetzt.
• Bei Trenntransformatoren sind Primär- und Sekundärspannung gleich, ihr Zweck ist die galvanische Trennung des Primär- und des Sekundärkreises.
• Übertrager bzw. Pulstransformatoren sind Transformatoren, die nicht auf möglichst verlustfreie Energieübertragung, sondern auf möglichst unverfälschte Transformation von Signalen optimiert sind. Übertrager werden bis in den einstelligen Megahertzbereich mit Ferritkern und darüber als Lufttransformatoren ausgelegt.

Normen und geltende Richtlinien

Ein Transformator, der mit Spannungen bis 1000 Volt betrieben wird, darf innerhalb der Europäischen Union nur dann in den Handel und in den Betrieb gebracht werden, wenn er entsprechend der europäischen Niederspannungsrichtlinie beschaffen ist. In Deutschland wird dies mit der Anwendung der Ersten Verordnung zum Geräte- und Produktsicherheitsgesetz umgesetzt.

Neben der allgemein für alle elektrische Geräte geltenden Niederspannungsrichtlinie muss ein Transformator in Europa noch mit weiteren spezielleren Regelungen übereinstimmen, speziell der jeweiligen nationalen Fassung der Norm EN 61558 IEC 61558.

Die Übereinstimmung des Transformators mit den europäischen Richtlinien wird mit der CE-Kennzeichnung dokumentiert. Der Transformator kann dann ohne weitere Kontrollen und Prüfungen innerhalb der EU in den Verkehr gebracht werden. In Teil 1 der EN 61558 IEC 61558 werden allgemeine Anforderungen und Prüfungen beschrieben. Im Teil 2 sind die speziellen Transformatortypen wie z. B. Sicherheitstransformatoren (Teil 2–6) oder Schaltnetzteiltransformatoren (Teil 2–17) jeweils als eigene Norm aufgeführt, die sich jedoch auf Teil 1 für die grundlegenden Anforderungen beziehen.

Deutsche DIN-Fassung der Europäischen Norm EN 61558 IEC 61558 (bzw. die entsprechenden VDE-Richtlinien-Dokumente) für Transformatoren sind:

• DIN EN 61558-2-1 (VDE 0570 Teil 2-1): 1998-07, Sicherheit von Transformatoren, Netzgeräten, Besondere Anforderungen an Netztransformatoren für allgemeine Anwendungen
• DIN EN 61558-2-2 (VDE 0570 Teil 2-2): 1998-10, Besondere Anforderungen an Steuertransformatoren
• DIN EN 61558-2-3 (VDE 0570 Teil 2-3): 2000-09, Besondere Anforderungen an Zündtransformatoren für Gas- und Ölbrenner
• DIN EN 61558-2-4 (VDE 0570 Teil 2-4): 1998-07, Besondere Anforderungen an Trenntransformatoren für allg. Anwendungen
• DIN EN 61558-2-6 (VDE 0570 Teil 2-6): 1998-07, Besondere Anforderungen an Sicherheitstransformatoren für allgemeine Anwendungen
• DIN EN 6158-2-8 (VDE 0570 Teil 2-8): 1999-06, Besondere Anforderungen an Klingel- und Läutewerkstransformatoren
• DIN EN 61558-2-13 (VDE 0570 Teil 2-13): 2000-08, Besondere Anforderungen an Spartransformatoren für allg. Anwendungen
• DIN EN 61558-2-15 (VDE 0570 Teil 2-15): 2001-11, Anforderungen für Trenntransformatoren zur Versorgung medizinischer Räume
• DIN EN 61558-2-17 (VDE 0570 Teil 2-17): 1998-07, Besondere Anforderungen an Transformatoren für Schaltnetzteile
• DIN EN 61558-2-19 (VDE 0570 Teil 2-19): 2001-09, Besondere Anforderungen an Störminderungstransformatoren
• DIN EN 61558-2-20 (VDE 0570 Teil 2-20): 2001-04, Besondere Anforderungen an Kleindrosseln

Für Spannungen größer als 1000 Volt gilt VDE 0101, Starkstromanlagen mit Nennwechselspannungen über 1 kV – Deutsche Fassung HD 637 S1: 1999.

• DIN EN 50464-1:2007 (VDE 0532-221): Ölgefüllte Drehstrom-Verteilungstransformatoren 50 Hz, 50 kVA bis 2500 kVA mit einer höchsten Spannung für Betriebsmittel bis 36 kV – Teil 1: Allgemeine Anforderungen
• DIN EN 60076-11:2005 (VDE 0532-76-11): Leistungstransformatoren – Teil 11: Trockentransformatoren

Literatur

• Hans-Ulrich Giersch, Hans Harthus, Norbert Vogelsang: Elektrische Maschinen. 5. Auflage. Teubner Verlag, 2003, ISBN 3-519-46821-2. 
• Rudolf Janus: Transformatoren. VDE-Verlag, ISBN 3-8007-1963-0. 
• Helmut Vosen: Kühlung und Belastbarkeit von Transformatoren. VDE-Verlag, ISBN 3-8007-2225-9. 
• Rolf Fischer: Elektrische Maschinen. 12. Auflage. Hanser, ISBN 3-446-22693-1, S. 408. 
• Adolf J. Schwab: Elektroenergiesysteme – Erzeugung, Transport, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie. Springer-Verlag, 2006, ISBN 3-540-29664-6. 

Weblinks

Commons: Transformator – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Transformator – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Vorlage:SWD
• Rupprecht-Gymnasium, Physik-Web 10. Klasse: Versuche und Aufgaben zum Transformator
• TU-Ilmenau: Lernprogramm Transformator
• National High Magnetic Field Laboratory der Florida State University: Simulation eines Transformators (Java-Applet, engl.)
• Lehrgang „Grundlagen der Elektrotechnik, Transformator“ der Uni-Dortmund von 2003
• Deutsches Kupferinstitut: Auswahl und Berechnung von Klein-Transformatoren