Leistungstransformatorenwuahhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhh fresst alle scheiße jajajajajajjaajajajajajjjajn sind [[Drehstromtransformator]]en, die entweder mit [[Transformatorenöl]] gefüllt oder als [[Gießharztransformator|Trockentransformatoren]] ausgeführt sind. Für erstere gilt in der EU die Norm EN 50464-1, für letztere die Norm EN 60076-11. Parallel zu den EU-Normen existiert die [[Institute of Electrical and Electronics Engineers|IEEE]]-Normenreihe C57.<ref>[https://sbwsweb.ieee.org/ecustomercme_enu/start.swe?SWECmd=GotoView&SWEView=Catalog+View+(eSales)_Standards_IEEE&mem_type=Customer&SWEHo=sbwsweb.ieee.org&SWETS=1192713657 IEEE-Normenreihe C57]</ref>. ▼[[Datei:Transformer_Iron_Core.svg|thumb|120px|[[Schaltzeichen]] eines Transformators]]
<onlyinclude><!-- Nur diesen Abschnitt in die Kurzfassung im Portal Physik übernehmen -->Ein '''Transformator''' (von [[Lateinische Sprache|lateinisch]] ''transformare''‚ umformen, umwandeln; auch '''Umspanner''', kurz '''Trafo''') ist ein [[Elektrisches Bauelement|Bauelement]] oder eine [[Elektrische Maschine|Anlage]] der [[Elektrotechnik]]. Er besteht aus einem [[Magnetischer Kreis|magnetischen Kreis]] – meist einem [[Ferritkern|Ferrit-]] oder [[Eisenkern]] −, um den [[Leiter (Physik)|Leiter]] zweier oder weiterer verschiedener Stromkreise so gewickelt sind, dass der Strom jedes Stromkreises mehrfach um den Kern herumgeführt wird. Legt man nun an eine dieser Wicklungen, auch Transformator-[[Spule (Elektrotechnik)|Spule]] genannt, eine [[Wechselspannung]], so stellt sich an der zweiten oder weiteren Wicklung eine Wechselspannung ein, deren Höhe sich im Leerlauffall zu der ursprünglichen speisenden Spannung so verhält wie das Verhältnis der Windungszahlen der entsprechenden Wicklungen.</onlyinclude>
Hauptanwendungsgebiet von Transformatoren ist daher die Erhöhung und Verringerung von Wechselspannungen sowie gleichzeitig eine [[galvanische Trennung]] verschiedener Stromkreise. Siehe im Gegensatz dazu auch [[Spartransformator]]. Für die Stromversorgung sind sie unverzichtbar, da elektrische Energie nur mittels Hochspannungsleitungen über weite Entfernungen wirtschaftlich sinnvoll transportiert werden kann, der Betrieb von Elektrogeräten aber nur mit Nieder- und Kleinspannung praktikabel ist. Netztransformatoren befinden sich in nahezu allen [[Elektronik]]geräten, bei denen die Betriebsspannung von der [[Netzspannung]] verschieden ist. In der Signalverarbeitung und der Tontechnik kommen spezielle Transformatoren zum Einsatz, die nicht auf möglichst verlustarme Leistungsübertragung, sondern meist auf möglichst unveränderte und ungestörte Signalweitergabe über einen größeren Arbeitsfrequenzbereich optimiert sind.
== Geschichte ==
[[Datei:DBZ trafo.jpg|thumb| 1885: Transformator von Zipernowsky, Déri und Bláthy]]
[[Datei:StanleyTransformer.png|miniatur|Patentzeichnung von William Stanley 1886]]
Obwohl das Induktionsprinzip seit den Entdeckungen [[Michael Faraday]]s von 1831 bekannt war, wurde der Transformator erst 50 Jahre später entwickelt. [[Lucien Gaulard]] und [[John Dixon Gibbs]] stellten 1881 den ersten Transformator in London aus. Der Begriff Transformator war zur damaligen Zeit noch nicht üblich. Jene Geräte wurden als „Sekundär-Generator“ bezeichnet, wovon sich auch die noch heute übliche Zuordnung der Transformatoren zu dem Bereich der [[Elektrische Maschine|elektrischen Maschinen]] ableitet.<ref>Borns: ''Beleuchtung mittels sekundärer Generatoren.'', Elektrotechnische Zeitung Nummer 5, 1884, Seiten 77 bis 78</ref> 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 festen 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 Amerikaner [[George Westinghouse]]. Er erkannte die Nachteile der damals von [[Thomas Alva Edison|Thomas A. Edison]] betriebenen und favorisierten [[Gleichstrom]]-Energieverteilung und setzte vorrangig auf [[Wechselstrom]] (vgl. [[Stromkrieg]]). 1885 importierte Westinghouse eine Anzahl Gaulard-Gibbs-Transformatoren und einen Siemens-Wechselspannungsgenerator für die elektrische Beleuchtung in [[Pittsburgh]]. [[William Stanley (Erfinder)|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 V Wechselspannung zur Verteilung auf 3000 V hochtransformiert und zum Betrieb der elektrischen Beleuchtung an den Anschlussstellen wieder auf 100 V heruntertransformiert wurde. Der wachsende Einsatz von Transformatoren führte in Verbindung mit der Schaffung von Wechselstrom-[[Stromnetz]]en zum weltweiten Fortschreiten der [[Elektrifizierung]].
Bereits 1888 veröffentlichte der Münchner Elektroingenieur [[Friedrich Uppenborn]] ein Buch zur Geschichte des Transformators.<ref> Friedrich Uppenborn: ''Geschichte der Transformatoren'', München/Leipzig, 1888. Englische Übersetzung 1889 als ''History of The Transformer.'' In: ''[[Open Library]]''([http://openlibrary.org/details/historyoftransfo00upperich (Volltext bei Open Library)])</ref>
1890 entwickelte [[Michail Ossipowitsch Doliwo-Dobrowolski|Michail Dolivo-Dobrowolski]] bei der [[AEG]] in Berlin das [[Drehstrom]]system und dazu 1891 den [[Drehstromtransformator]] <ref>[http://www.vde.com/de/fg/ETG/Arbeitsgebiete/Geschichte/Aktuelles/Seiten/Buch-Dolivo-Dobrowolsky.aspx VDE-Website]</ref> <ref>Gerhard Neidhöfer: ''Michael von Dolivo-Dobrowolsky und der Drehstrom. Anfänge der modernen Antriebstechnik und Stromversorgung.'' VDE-Buchreihe ''Geschichte der Elektrotechnik'' Band 9, 2. Auflage. VDE VERLAG, Berlin Offenbach, ISBN 978-3-8007-3115-2.</ref> <ref>[http://www.datenschutz-praxis.de/lexikon/d/dolivo-dobrowolski.html WEKA Media Lexikon]</ref>. Bereits kurz danach wurde auf Anregung von [[Oskar von Miller]] von Dolivo-Dobrowolski mit dem Drehstromtransformator die erste bedeutende Fernübertragung elektrischer Energie am 24. August 1891 von [[Lauffen am Neckar]] zum 175 km entfernten [[Frankfurt am Main]] zur [[Internationale Elektrotechnische Ausstellung 1891|Internationalen Elektrotechnischen Ausstellung]] vorgenommen. Die in einem [[Wasserkraftwerk]] erzeugte Spannung war 50 Volt, die zur Übertragung auf 15.000 Volt hochtransformiert wurden.
[[Gisbert Kapp]] erarbeitete bis 1907 die Grundlagen für die Berechnung und den Bau von Transformatoren.<ref>Gisbert Kapp: ''Transformatoren für Wechselstrom und Drehstrom: Eine Darstellung ihrer Theorie, Konstruktion und Anwendung.'' Berlin, 1907 ([http://openlibrary.org/details/transformatoren00kappgoog (Volltext bei Open Library)]).</ref>
== Grundprinzip ==
[[Datei:Trafo 1.png|miniatur|Prinzipskizze eines Transformators]]
Idealtypisch besteht ein Transformator aus einem [[Magnetischer Kreis|magnetischen Kreis]], welcher als Transformatorkern bezeichnet wird, und aus mindestens zwei Wicklungen. Die der elektrischen Energiequelle zugewandte Wicklung wird als Primärseite (von [[Latein|lateinisch]] prīmarius‚ ''an erster Stelle'') bezeichnet. Diejenige, an welcher sich die elektrische Last befindet, wird als Sekundärseite bezeichnet (von [[Latein|lateinisch]] secundarius‚ ''an zweiter Stelle'').
Die Wirkungsweise lässt sich durch die folgenden Mechanismen beschreiben <ref>Karl Küpfmüller, Wolfgang Mathis, Albrecht Reibiger: ''Kapitel 29.3 Der Transformator'' In: ''Theoretische Elektrotechnik, Eine Einführung.'' 17. Auflage, ISBN 3-540-29290-X ({{Google Buch|BuchID=rWSyDh2iKn4C&pg=PA66|Linktext=Auszug}}).</ref>:
# Eine Wechselspannung auf der Primärseite des Transformators erzeugt aufgrund der [[Elektromagnetische Induktion|elektromagnetischen Induktion]] einen wechselnden magnetischen Fluss im Kern. Der wechselnde magnetische Fluss wiederum induziert auf der Sekundärseite des Transformators eine Spannung (Spannungstransformation).
# Ein Wechselstrom in der Sekundärwicklung bewirkt dem [[Ampèresches Gesetz|Ampèreschen Gesetz]] entsprechend einen Wechselstrom in der Primärwicklung (Stromtransformation).
Bei niedriger Wechselstromfrequenz besteht der magnetische Kreis typischerweise aus einem ferromagnetischen Material hoher [[Permeabilität (Magnetismus)|Permeabilität]]. Damit können gegenüber Transformatoren ohne Eisenkern hohe Magnetische Wechselflussdichten und damit eine wesentlich höhere [[Windungsspannung]] erzielt werden, was gewährleistet, dass die übertragbare Leistung groß ist im Vergleich zur Verlustleistung die durch den [[Elektrischer Widerstand|ohmschen Widerstand]] in den Wicklungen entsteht. Einfach ausgedrückt benötigt ein Transformator mit Eisenkern wesentliche weniger Windungen auf den Wicklungen als ein Trafo ohne Eisenkern.
Zum magnetischen Fluss im Unterpunkt 1 gehört ein Magnetfeld, welches ähnlich wie in einem [[Elektromagnet]]en einen Stromfluss in der Primärspule bedingt. Der zum Aufbau des magnetischen Feldes benötigte Strom heißt ''Magnetisierungsstrom''. Der Primärstrom, der entsprechend Unterpunkt 2 von der Stromtransformation herrührt, heißt ''primärer Zusatzstrom''. Er fließt zusätzlich zum Magnetisierungsstrom und ist in der Regel als [[Wirkstrom]] wesentlich größer als dieser.
== Anwendungen ==
=== Energietechnik ===
[[Datei:Trafostation Alter Hellweg IMGP4722.jpg|miniatur|Transformator in der Umspannstation Alter Hellweg in Unna]]
In der Energietechnik verbinden Transformatoren die verschiedenen Spannungsebenen des [[Stromnetz]]es miteinander. [[Maschinentransformator]]en sind noch Teil der [[Kraftwerk]]e und transformieren die im Generator induzierte Spannung zur Einspeisung in das Stromnetz in Hochspannung (in Westeuropa 220 kV oder 400 kV). [[Umspannwerk]]e verbinden das überregionale Höchstspannungsnetz mit dem Mittelspannungsnetz der regionalen Verteilnetze. In [[Transformatorenstation]]en wird die Elektrizität des regionalen Verteilnetzes mit der Mittelspannung von 10 bis 36 kV zur Versorgung der Niederspannungsendkunden auf die im Ortsnetz verwendeten 400 V Leiter-Leiter-Spannung transformiert. Wegen der hohen übertragenen Leistungen heißen die in der Stromversorgung verwendeten Transformatoren [[Leistungstransformator]]en.
▲Leistungstransformatoren sind [[Drehstromtransformator]]en, die entweder mit [[Transformatorenöl]] gefüllt oder als [[Gießharztransformator|Trockentransformatoren]] ausgeführt sind. Für erstere gilt in der EU die Norm EN 50464-1, für letztere die Norm EN 60076-11. Parallel zu den EU-Normen existiert die [[Institute of Electrical and Electronics Engineers|IEEE]]-Normenreihe C57.<ref>[https://sbwsweb.ieee.org/ecustomercme_enu/start.swe?SWECmd=GotoView&SWEView=Catalog+View+(eSales)_Standards_IEEE&mem_type=Customer&SWEHo=sbwsweb.ieee.org&SWETS=1192713657 IEEE-Normenreihe C57]</ref>.
Insbesondere in ringförmigen und mehrfach gespeisten Verteilnetzen ist es üblich, die übertragbare Leistung durch Parallelschaltung von Transformatoren zu erhöhen. Die hierzu eingesetzten Transformatoren haben gleiche Spannungsübersetzung, eine identische [[Schaltgruppe]], nahezu gleiche Kurzschlussspannung und ähnliche Bemessungsleistungen. Das Übersetzungsverhältnis kann bei Drehstromtransformatoren, je nach Schaltgruppe, auch einen [[Komplexe Zahl|komplexen Wert]] annehmen, d. h. neben dem Betrag der Ausgangsspannung ändert sich auch deren Phasenlage. Zur Steuerung werden direkt in das Transformatorgehäuse [[Stufenschalter für Leistungstransformatoren|Stufenschalter]] integriert.
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