Transformator

Ein Transformator (kurz: Trafo) wird auch als „ruhende elektrische Maschine“ bezeichnet und besteht mindestens aus einer Spule mit Anzapfung oder aus zwei oder mehreren getrennten Drahtspulen, die sich in ihrem gemeinsamen magnetischen Feld befinden. Praktische Ausführungen haben i. d. R. zwei oder mehr Spulen aus isoliertem Kupferdraht auf einem gemeinsamen Eisen- oder Ferritkern.

Mit Hilfe von Transformatoren lassen sich elektrische Wechselspannungen herauf- oder herunter transformieren, das heißt erhöhen oder verringern, und damit den technischen Erfordernissen des Gebrauchs anpassen. Durch diese Erfindung wurde die Übertragung von elektrischem Strom über weite Strecken mittels Hochspannungsleitungen und damit unser modernes Stromnetz erst möglich. Außerdem lässt sich durch die Verwendung von Trafos in vielen Geräten die Netzspannung auf ungefährliche Werte verringern, z. B. bei Kinderspielzeug.

Transformatoren lassen sich auch zur Erzeugung eines galvanisch getrennten Stromkreises einsetzen (Trenntransformator).

Während der Begriff „Transformator“ eher bei der Übertragung elektrischer Leistung gebraucht wird, heißt das funktionsgleiche Bauteil in der Nachrichtentechnik Übertrager.

Geschichtliche Anfänge

Transformator von Zipernowsky, Déry und Bláthy

Patentzeichnung von William Stanley 1886

Die Erscheinung der Magnetfelderzeugung aus dem elektrischen Stromfluss und umgekehrt der Stromerzeugung aus einem veränderlichen Magnetfeld war seit Michael Faradays Entdeckungen 1831 bekannt. Aber erst in den achtziger Jahren des selben Jahrhunderts wurde das Transformator-Prinzip entwickelt. Die Ungarn Károly Zipernowsky und Miksa Déri ließen 1882 die selbsterregende Wechselstrommaschine eintragen und beide entwickelten 1884 den aus zwei Anlagen bestehenden Einankerumformer, aus dem nach der Einbeziehung von Ottó Titusz Bláthy die gemeinsame Erfindung, der Transformator wurde.

1885 ließen sich die Ungarn Károly Zipernowsky, Miksa Déri und Ottó Titusz Bláthy ein Patent auf den Transformator erteilen. 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 in Budapest weltweit vertrieben.

Wesentlichen Anteil an der Verbreitung des Wechselstromsystems und mit ihm des Transformators hatte der US-Amerikaner George Westinghouse, der vor allem durch die Erfindung der Druckluftbremse berühmt wurde. Westinghouse erkannte die Schwächen der damals von Edison betriebenen und favorisierten Gleichstrom-Energieverteilung und setzte vorrangig auf Wechselstrom als elektrischen Energieträger. 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 3.000 Volt hochtransformiert und dann zum Betrieb der elektrischen Beleuchtung an den Anschlussstellen wieder auf 100 Volt heruntertransformiert wurde.

Der dann zunehmende Einsatz von Transformatoren führte in Verbindung mit dem Wechselstrom zur weiten Verbreitung von Elektrizität als Energielieferanten, weil nur Hochspannungsleitungen den Energietransport über große Entfernungen ohne allzu große Energieverluste ermöglichen.

Physikalische Grundbedingungen

Für die Wirkweise eines Transformators sind zwei physikalische Erscheinungen wesentlich:

Ein von elektrischem Strom durchflossener Leiter erzeugt ein Magnetfeld (Elektromagnetismus)
Wenn sich der magnetische Fluss in einer Spule ändert, wird in ihr eine Spannung induziert.

Eine an die erste Spule („Primärspule“) im Primärstromkreis angelegte Wechselspannung erzeugt einen veränderlichen Primärstrom und damit ein veränderliches Magnetfeld im Kern. Dieses Feld durchsetzt die zweite Spule („Sekundärspule“) in einem zweiten Stromkreis und erzeugt hier durch Induktion wiederum eine Spannung („Sekundärspannung“).

Eine primäre Spannung kann über magnetischen Fluss in eine proportionale sekundäre Spannung als Funktion von dem Windungszahlverhältnis der beiden Spulen transformiert werden.

Zum Betrieb eines Transformators ist eine in stetem Wechsel veränderliche Spannung nötig. Daher kann mit einem Transformator nur Wechselspannung transformiert werden.

Soll eine Gleichspannung mittels Transformatoren auf eine andere Spannungsebene umgesetzt werden, ist die Umwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom mittels Wechselrichter nötig, um anschließend transformiert werden zu können. Diese Techniken finden beispielsweise bei Schaltnetzteilen Anwendung.

Die maximale Höhe der induzierten Spannung hängt neben der Eingangsspannung von der Windungszahl der Sekundärspule ab, die maximale Höhe des Stromes von deren Leiterquerschnitten und von den Kühlungsbedingungen.

In obiger Beschreibung wird kein (gemeinsamer) Eisenkern der Spulen erwähnt, trotzdem besitzen fast alle Trafos einen Kern aus Eisenblechen, Eisendrähten oder Ferrit. Der Grund liegt darin, dass bei tiefen Frequenzen (50 Hz) ohne Eisenkern extrem viele Windungen erforderlich wären, um den „Leerlaufstrom“ bei geringer Belastung ausreichend klein zu halten. Das würde erstens einen unwirtschaftlich hohen Kupferanteil erfordern, andrerseits werden bei höheren Strömen in diesem sehr langen Draht enorme Ohmsche Verluste (=Erwärmung) erzeugt.

Beides kann man stark verringern, indem die Induktivität der Primärspule durch einen Eisenkern um ein Vielfaches vergrößert wird. Je höher die Betriebsfrequenz ist, desto kleiner kann der Eisenkern sein, bei einigen 100 kHz wie im Tesla-Transformator darf er vollständig entfallen.

Modellierung

Idealer Transformator (Übertrager)

Definition

Ein idealer Transformator (Übertrager) ist ein elektrischer Vierpol mit den Eingangsgrößen $u_{1}(t)$ und $i_{1}(t)$ , den Ausgangsgrößen $u_{2}(t)$ und $i_{2}(t)$ sowie dem Übertragungsfaktor $\gamma \neq 0$ , für den gilt:

$u_{2}(t)={\frac {1}{\gamma }}\cdot u_{1}(t)$

$i_{2}(t)=-\gamma \cdot i_{1}(t)$

Die Größen $u_{1}(t)$ und $i_{1}(t)$ heißen Primärgrößen des Transformators. Die Größen $u_{2}(t)$ und $i_{2}(t)$ heißen Sekundärgrößen des Transformators. Für $\gamma >0$ heißt der Transformator "gleichsinnig gewickelt", für $\gamma <0$ heißt er "gegensinnig gewickelt". Primär- und Sekundärseite sind galvanisch getrennt. Für die Richtungen von Strömen und Spannungen gelten im Zusammenhang mit den Formeln die rechts abgebildeten Zählpfeile.

Definitionsgleichungen bei komplexer Rechnung

Bei Zeigerrechnung lauten die Gleichungen entsprechend

${\underline {U}}_{2}={1 \over \gamma }\cdot {\underline {U}}_{1}$

${\underline {I}}_{2}=-\gamma \cdot {\underline {I}}_{1}$

Erläuterung

Die Begriffe Transformator bzw. Übertrager können einerseits ein elektrotechnisches Bauelement bedeuten oder ein Modell dieses Bauelements. Die Bedeutung ergibt sich jeweils aus dem Zusammenhang.

Der Übertragungsfaktor $\gamma$ des Modells ist zunächst eine reelle Zahl, die als Parameter eines reinen Netzwerkmodells keine direkte physikalische Bedeutung hat. Modelliert man reale Transformatoren mithilfe des Modells des idealen Transformators, so entspricht der Faktor $\gamma$ dem Wicklungsverhältnis $\gamma ={N_{1} \over N_{2}}$ der Wicklungszahlen auf Primär- und Sekundärseite bzw. der Wurzel $\gamma ={\sqrt {L_{1} \over L_{2}}}$ des Verhältnisses der Eigeninduktivitäten von Primär- und Sekundärspule. Dabei geht man jeweils von gleichsinnigen Wicklungen auf Primär- und Sekundärseite aus.

Die Indizierung $\gamma =N_{1}/N_{2}$ (statt der intuitiveren Reihenfolge: $\gamma =N_{2}/N_{1}$ ) entspricht der Konvention in der einschlägigen Literatur. In der deutschsprachigen Literatur wird anstelle von $\gamma$ häufig der Buchstabe ${\ddot {u}}$ verwendet.

Beide Seiten des Transformators werden im Verbraucherzählpfeilsystem aufgeschrieben. Diese Konvention ist physikalisch nicht intuitiv, da die Primärseite des Transformators hinsichtlich des folgenden Netzwerk meist die Rolle eines Erzeugers spielt. Die Darstellung wurde gewählt, um eine einheitliche Darstellung mit der Netzwerkliteratur zu gewährleisten. Zur Vermeidung der negativen Vorzeichen in den Formeln wird in der Praxis die Sekundärseite des Transformators häufig abweichend von der hier gewählten Konvention im Erzeugerzählpfeilsystem bepfeilt.

Das Modell des idealen Transformators berücksichtigt die wesentlichen Eigenschaften, wegen derer Transformatoren eingesetzt werden und vernachlässigt Randeffekte, die in der Praxis zusätzlich zu berücksichtigen sind. Insofern stellt das Modell ein effektives Mittel zur Analyse und Synthese elektrischer Transformatorschaltungen dar.

Das ideale Modell erlaubt in dieser Form auch die Wandlung von Gleichgrößen. Das ist bei einem realen Transformator natürlich nicht möglich.

Transformatoren werden allgemein zur Energiewandlung und speziell zur Spannungstransformation, zur Stromtransformation oder zur Widerstandstransformation eingesetzt.

Energiewandlung

Der ideale Transformator ist ein reiner Energiewandler ohne Energiespeicher. Die primärseitig in den Transformator eingespeiste Leistung $P_{1}=u_{1}(t)\cdot i_{1}(t)$ ist zu jedem Zeitpunkt identisch mit der dem Transformator sekundärseitig entnommenen Leistung $P_{2}=-u_{2}(t)\cdot i_{2}(t)$ , so dass gilt:

$u_{1}(t)\cdot i_{1}(t)=u_{2}(t)\cdot (-i_{2}(t))=-u_{2}(t)\cdot i_{2}(t)$

Das negative Vorzeichen ist notwendig, da beide Transformatorseiten der inzwischen üblichen Konvention entsprechend im Verbraucherzählpfeilsystem bepfeilt sind, die Sekundärseite jedoch als Erzeuger aufgefasst wird.

Diese Eigenschaft ist die Grundlage für die Strom-, Spannungs- und Widerstandstransformation eines Transformators. Sie wird bei einem realen Transformator nur näherungsweise erreicht.

In der Zeigerrechnung lautet die Leistungsbilanz:

${\underline {U}}_{1}\cdot {\underline {I}}_{1}^{*}=-{\underline {U}}_{2}\cdot {\underline {I}}_{2}^{*}$

Hierbei deutet der Stern * an, dass das Konjugiert-Komplexe der bezeichneten Größe zu verwenden ist.

Da ${\underline {I}}_{1}$ und $-{\underline {I}}_{2}$ gemäß der Vereinbarung ${\underline {I}}_{2}=-\gamma \cdot {\underline {I}}_{1}$ mit reellem $\gamma$ in Phase sind, kann man die Leistungsbilanzgleichung mit $\exp(-j\arg(I_{1}^{*}))$ multiplizieren, so dass sich die folgende Vereinfachung ergibt:

${\underline {U}}_{1}\cdot {\underline {I}}_{1}=-{\underline {U}}_{2}\cdot {\underline {I}}_{2}$

Spannungs- und Stromtransformation

Aus den Definitionsgleichungen ergibt sich unmittelbar:

${{\underline {U}}_{1} \over {\underline {U}}_{2}}=-{{\underline {I}}_{2} \over {\underline {I}}_{1}}=\gamma ={N_{1} \over N_{2}}$

Auf der Seite mit dem höheren Strom herrscht also die geringere Spannung und umgekehrt. Beim realen Transformator gilt entsprechend: Auf der Seite mit der hohen Wicklungszahl herrscht die hohe Spannung und der kleine Strom.

Widerstandstransformation

Beschaltet man die Sekundärseite des Transformators mit einer Impedanz ${\underline {Z}}$ , so legt diese das Verhältnis von Sekundärspannung zu Sekundärstrom fest, und es gilt:

${{\underline {U}}_{2} \over {-{\underline {I}}_{2}}}={\underline {Z}}$

Mithilfe der Transformationsgleichungen ergibt sich für das Verhältnis von Primärspannung zu Primärstrom:

${{\underline {U}}_{1} \over {\underline {I}}_{1}}=\gamma ^{2}\cdot {{\underline {U}}_{2} \over {-{\underline {I}}_{2}}}=\gamma ^{2}\cdot {\underline {Z}}$

Das Verhältnis von Primärspannung und Primärstrom ist die Impedanz, die der Transformator zusammen mit der sekundärseitigen Impedanz ${\underline {Z}}$ hat. Die sekundärseitige Impedanz ${\underline {Z}}$ wirkt also mit dem Faktor $\gamma ^{2}$ auf die Primärseite des Transformators.

Beispiele zur Widerstandstransformation

1. Eine Wechselspannungsquelle ${{\underline {U}}_{1}}$ ohne Innenwiderstand treibt einen Transformator mit dem Wicklungsverhältnis 1:3 und dem sekundärseitigen Widerstand $R=50\Omega$ .

Dem Windungsverhältnis entsprechend gilt ${{\underline {U}}_{2}}={3\cdot {\underline {U}}_{1}}$ . Nach dem Bauelementgesetz für den ohmschen Widerstand ergibt sich: ${-{\underline {I}}_{2}}={{\underline {U}}_{2} \over R}={{3\cdot {\underline {U}}_{1}} \over R}$ .

Entsprechend des Wicklungsverhältnisses beträgt der Primärstrom somit: ${{\underline {I}}_{1}}=3\cdot -I_{2}=9\cdot {{{\underline {U}}_{1}} \over R}={{{\underline {U}}_{1}} \over {R \over 9}}={{{\underline {U}}_{1}} \over {5{,}55\Omega }}$ .

Die Spannung erhöht sich bei der Transformation um den Faktor 3, der Strom vermindert sich um den Faktor 3 und der sekundärseitige Widerstand wirkt sich primärseitig nur zu einem Neuntel aus.

2. Eine Spannungsquelle mit dem Innenwiderstand $R=50\Omega$ treibt über einen Transformator mit dem Wicklungsverhältnis 1:3 eine Last R. Wie groß ist die Last zu wählen, damit eine maximale Leistung übertragen wird?

Die Last R beträgt auf der Primärseite nur R/9. Um Leistungsanpassung zu gewährleisten, muss $R/9=50\Omega$ gelten, also $R=450\Omega$ .

Auf der Seite mit den hohen Wicklungszahlen ist demnach nicht nur die hohe Spannung, sondern auch der hohe Widerstand.

Modellierung

Datei:Two Transformers.png

Gleichsinnig und gegensinnig gewickelter Transformator

Ein realer Transformator besteht typischerweise aus zwei oder mehr Spulen bzw. Leiterschleifen, die magnetisch eng gekoppelt sind. Das rechte Bild zeigt eine Anordnung aus zwei Spulen mit den Induktivitäten $L_{1}$ und $L_{2}$ , die mit dem Kopplungsfaktor $M$ miteinandern magnetisch verkoppelt sind.

Der Idealfall liegt dann vor, wenn beide Spulen so eng gekoppelt sind, dass der magnetische Fluss $\Phi$ in beiden Spulen identisch ist.

Die physikalische Idee

Sind $N_{1}$ und $N_{2}$ die Wicklungszahlen der Spulen auf Primär- und Sekundärseite und herrscht in beiden Spulen derselbe magnetische Fluss $\Phi$ , so gilt mithilfe des Induktionsgesetzes :

${u_{1}(t)}=N_{1}\cdot {{d\Phi } \over {dt}}$

${u_{2}(t)}=N_{2}\cdot {{d\Phi } \over {dt}}$

Liegen Gleichgrößen vor, so sind beide Gleichungen identisch null. Der Transformator überträgt keine Energie.

Liegen Wechselgrößen vor, so kann man für alle Zeiten $t$ mit $u_{2}(t)\neq 0$ beide Gleichungen miteinander dividieren. Nach einer stetigen Ergänzung der restlichen Zeitpunkte ergibt sich die bekannte Gleichung des idealen Transformators:

${{u_{1}} \over {u_{2}}}(t)={N_{1} \over N_{2}}$

Die Differentialgleichungen des gekoppelten Spulenpaares (verlustloser Transformator)

Die Voraussetzung, dass die Magnetfelder in beiden Teilspulen identisch ist, wird wegen des endlich großen magnetischen Widerstands des Magnetmaterials nur näherungsweise erreicht.

Das nebenstehende Bild zeigt zeigt die Zählpfeile der verwendeten Größen und den Richtungssinn der Spulenwicklungen. Der Zählpfeil $\Phi$ soll für alle magnetischen Flüsse gleichermaßen gelten. Er ist rechtshändig mit den entsprechenden Strömen gekoppelt.

Nimmt man gleichsinnig gewickelte Spulen an und bezeichnet man mit

$\Phi _{11}$ den Fluss, den die Primärspule erzeugt
$\Phi _{\sigma 1}$ den Streufluss der Primärspule, d. h. der Fluss der Primärspule, der nicht in die Sekundärspule gelangt
$\Phi _{21}$ der Fluss, der von der Primärspule in die Sekundärspule gelangt
$\Phi _{22}$ der Fluss, den die Sekundärspule selbst erzeugt
$\Phi _{\sigma 2}$ der Streufluss der Sekundärspule, d. h. der Fluss der Sekundärspule, der nicht in die Primärspule gelangt
$\Phi _{12}$ der Fluss, der von der Sekundärspule in die Primärspule gelangt

so herrschen in Primär- und Sekundärspule die Flüsse

$\Phi _{1}=\Phi _{11}+\Phi _{12}$ bzw.
$\Phi _{2}=\Phi _{22}+\Phi _{21}$

Nach dem Induktionsgesetz gilt dann:

$u_{1}(t)=N_{1}\cdot {\frac {d\Phi _{11}(t)}{dt}}+N_{1}\cdot {\frac {d\Phi _{12}(t)}{dt}}$

$u_{2}(t)=N_{2}\cdot {\frac {d\Phi _{22}(t)}{dt}}+N_{1}\cdot {\frac {d\Phi _{21}(t)}{dt}}$

Mithilfe der Selbstinduktivität $L_{1}$ der Primärspule, der Selbstinduktivität $L_{2}$ der Sekundärspule und der Koppelinduktivitäten $M_{12}$ bzw. $M_{21}$ kann die Magnetfelder über die zugehörigen Ströme auf Primär- und Sekundärseite ausdrücken. Es ergibt sich:

$u_{1}(t)=L_{1}\cdot {\frac {di_{1}(t)}{dt}}+M_{12}\cdot {\frac {di_{2}(t)}{dt}}$

$u_{2}(t)=L_{2}\cdot {\frac {di_{2}(t)}{dt}}+M_{21}\cdot {\frac {di_{1}(t)}{dt}}$

Die Koppelinduktivitäten $M_{12}$ und $M_{21}$ sind identisch, so dass man den gemeinsamen Buchstaben $M:=M_{12}=M_{21}$ verwenden kann.

Es ergibt sich:

$u_{1}(t)=L_{1}\cdot {\frac {di_{1}(t)}{dt}}+M\cdot {\frac {di_{2}(t)}{dt}}$

$u_{2}(t)=L_{2}\cdot {\frac {di_{2}(t)}{dt}}+M\cdot {\frac {di_{1}(t)}{dt}}$

Durch Fouriertransformation geht ${\frac {d}{dt}}$ in $j\omega$ über, und es ergibt sich in Zeigerrechnung:

${\underline {U}}_{1}=j\omega L_{1}\cdot {\underline {I}}_{1}+j\omega M\cdot {\underline {I}}_{2}$

${\underline {U}}_{2}=j\omega L_{2}\cdot {\underline {I}}_{2}+j\omega M\cdot {\underline {I}}_{1}$

Diese Gleichungen bilden die Grundlage für das folgende Ersatzschaltbild mit stromgesteuerten Spannungsquellen:

Spannungsquellenersatzschaltbild eines verlustlosen Transformators

Physikalische Randbedingungen

Beim realen Transformator treten typischerweise die folgenden Abweichungen von der Idealvorstellung auf:

Die magnetischen Flüsse auf Primär- und Sekundärseite sind nicht identisch. Ein Teil des magnetischen Flusses geht als Streufluss verloren. Der Streufluss wird mithilfe der Streuinduktivitäten $L_{\sigma 1}$ bzw. $L_{\sigma 2}$ modelliert.
Ein kleiner Teil des Transformatorstroms wird alleine zum Aufbau und Aufrechterhalten des magnetischen Feldes benötigt. Das wird durch die Hauptinduktivität $L_{H}$ modelliert.
Die Wicklungen von Primär- und Sekundärspule weisen einen elektrischen Widerstand auf. Dieser wird mithilfe eines ohmschen Widerstands $R_{1}$ bzw. $R_{2}$ modelliert. Die Verluste in den Wicklungen heißen Kupferverluste.
Beim Ummagnetisieren des Magnetkerns wird Energie dissipiert (Magnetisierungsverluste). Außerdem treten im Magnetkern Wirbelströme auf, die ebenfalls Energie dissipieren (Wirbelstromverluste). Magnetisierungsverluste und Wirbelstromverluste sind i. a. nichtlinear und werden in linearen Modellen mithilfe des sogenannten Eisenwiderstands $R_{E}$ modelliert. Magnetisierungsverluste und Wirbelstromverluste heißen zusammengefasst Eisenverluste.
Der Magnetkern kann in Sättigung gehen. Dieser Effekt ist i. a. stark nichtlinear und kann in linearen Modellen überhaupt nicht modelliert werden.
Primär- und Sekundärspule weisen eine kapazitive Kopplung auf.

Das T-Ersatzschaltbild

Die genannten Bedingungen werden in dem folgenden Ersatzschaltbild berücksichtigt:

Nichtlineares Verhalten von Transformatoren

Praktische Ausführung

Schutztransformatoren

Sie sollen eine Anlage oder Geräte zum Schutz gegen Berührung Spannungsführender Teile mit einer Sekundärspannung versorgen, die galvanisch von der Spannung auf der Primärseite getrennt ist. Eine sichere galvanische Trennung von Primär- und Sekundärspannung muss gewährleistet sein.

Trenntransformatoren

Die Nennspannung auf der Sekundärseite des Trenntransformators darf nicht höher sein als 400 V, die Kurzschluss-Spannung darf den Wert 10% nicht überschreiten. Es handelt sich um Einphasen-Transformatoren, bei denen eine vollkommene galvanische Trennung der Primär- und Sekundärwicklung vorhanden ist.

Klingeltransformatoren

Klingeltransformatoren müssen kurzschlussfest sein (Uk = 40%), die Leerlaufspannung auf der Sekundärseite darf 32 V nicht übersteigen. Die Ausgangsklemmen müssen zugänglich sein, ohne dass die Eingangsklemmen freigelegt werden müssen.

Spielzeugtransformatoren

Spielzeugtransformatoren haben meist eine Kurzschluss-Spannung von 20%. Sie dienen der Speisung von Kinderspielzeug und dürfen auf der Sekundärseite höchstens eine Leerlaufspannung von 32 V aufweisen (Nennspannung bei Belastung der Sekundärseite: 24 V).

Anordnung als Spulen

Die Ausführung eines Transformators aus ausgestreckt nebeneinanderliegenden Leitern würde bewirken, dass ein großer Teil des Magnetfeldes als wirkungsloses Streufeld in der Umgebung entsteht. Dieses Streufeld enthält einen großen Teil der aufgewendeten Leistung, die dann nicht für den eigentlichen Übertragungsvorgang zur Verfügung steht.

Daher werden die Leiter in Form von Spulen angelegt. Um den Verlust durch Streufelder möglichst klein zu halten, werden auch die Primärspulen und Sekundärspulen möglichst klein und eng ineinandergeschachtelt. Eine Nebenbedingung ist hierbei, dass die Leiter und auch die Spulen als Ganzes gegeneinander elektrisch isoliert sind, wozu meist lackierte Drähte und die nachfolgende Lack- oder Gießharztränkung im Vakuum angewendet werden. Der Spulenkörper ist ein aus nichtmagnetischem Material, meist aus Kunststoff bestehendes Formteil, welches die Wicklungen aufnimmt, ihnen mechanische Stabilität gibt und sie nötigenfalls auch voneinander isoliert.

Die Spule, die vom Eingangsstrom gespeist wird, wird „Primärspule“ genannt, die Spule, in der die Spannung induziert wird, wird „Sekundärspule“ genannt. Das Verhältnis der Spannungen an den beiden Spulen entspricht in der Theorie exakt dem Verhältnis ihrer Windungszahlen (in der Praxis ist die Spannung an der Sekundärspule wegen Verlusten kleiner als in der Theorie).

Beispiel: Ein Transformator mit 1.000 Windungen auf der Primärwicklung, 100 Windungen auf der Sekundärwicklung und 220 Volt Primärspannung erzeugt in der Sekundärwicklung eine Leerlaufspannung von 22 Volt. Diese Spannungen entstehen im Leerlauf-Betrieb des Transformators. Die tatsächlich nutzbare Betriebs- oder Nennspannung sinkt jedoch mit zunehmender Belastung durch Stromverbraucher, weil der Strom in den Spulen einen ohmschen Spannungsabfall bewirkt (siehe Abschnitt 4.5 Überlastbetrieb!).

Lufttransformator bzw. eisenloser Transformator

Die kernlose Ausführung wird „Lufttransformator“ genannt und ist bei niedrigen Frequenzen nicht effizient. Ursache ist, dass die Primärspule dann extrem viele Windungen besitzen müsste, um den erforderlichen hohen induktiven Widerstand zu erzeugen. Der dann erforderliche sehr lange Draht hätte aber so großen Widerstand, dass darin ein Großteil der zugeführten Leistung in Wärme verwandelt würde.

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. Diese Erscheinung kommt besonders dann zum Tragen, wenn die Frequenzanteile des Stromes sich über eine große Bandbreite erstrecken. Daher werden für manche Zwecke Lufttransformatoren als Übertrager verwendet.

Weitere Beispiele sind der Teslatransformator sowie Koppel- und Anpassspulen in der Hochfrequenztechnik.

Eisenkerntransformator

Das von einem stromdurchflossenen Leiter erzeugte Magnetfeld ist in 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.

Es ist jedoch möglich, die Flussdichte erheblich zu steigern, indem das magnetische Feld der Spulen in einem geschlossenen magnetischen Kreis aus ferromagnetischem Material, z. B. Eisen - dem Trafokern - geführt wird. Für Netztransformatoren (Frequenzen von 50 oder 60 Hz) verwendet man überwiegend Eisen-Silizium-Legierungen, kornorientertes Elektroblech (Texturblech) nach DIN EN 10107. Bei Signalübertragern werden auch die höherwertigen Eisen-Nickel-Legierungen und bei hohen Frequenzen weichmagnetische Ferritkerne eingesetzt.

Die Steigerung der Flussdichte bei ferromagnetischen Werkstoffen beruht darauf, dass sich mit zunehmender Stärke eines von außen angelegten Magnetfeldes die regellos ausgerichteten magnetischen Kristallbereiche (Weiss-Bezirke) in eine gemeinsame Richtung umordnen. Diese magnetische Polarisation M des Werkstoffes liefert einen 1.000 bis 100.000 mal höheren Beitrag zur Flussdichte B als die magnetische Feldstärke H. Diese Verhältniszahl nennt man Magnetische Suszeptibilität $\chi$ , es gilt

$M=\chi H$

Für die magnetische Flussdichte B gilt

$B=\mu _{0}(H+M)=\mu _{0}(H+\chi H)=\mu _{0}(1+\chi )H$

und daraus schließlich

$B=\mu _{0}\mu _{r}H$

$\mu _{0}$ ist eine Naturkonstante, die absolute Permeabilitätskonstante.

Die dimensionslose Zahl $\mu _{r}=1+\chi$ wird Relative Permeabilitätskonstante oder Permeabilitätszahl genannt und ist werkstoffspezifisch.

Für die Leistungseübertragung 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 im gesamten Eisen-Kern konstant ist und nicht 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.

Typische Flussdichten liegen bei kornorientiertem Elektroblech (2,03 Tesla Sättigungsflussdichte) bei 1,6…1,75 T.

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.

Datei:Flachtrafo 14VA printmontage (smial).jpg

Flachtransformator zur Montage auf Leiterplatten

Leistungstransformatoren für Frequenzen unterhalb von ca. 1 kHz haben meist Kerne, die aus elektrisch gegeneinander isolierten Eisenblechen (Elektroblech) 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.

Der Eisenkern verursacht weiterhin Ummagnetisierungsverluste, die durch die fortwährende Umpolung der magnetischen Domänen (Weiss-Bezirke) entstehen und auch bei Leerlauf auftreten. Silizium-Eisen-Legierungen mit spezieller Textur haben bei Blechdicken von ca. 0,2 bis 0,3 mm bei 50 Hz Verluste von ca. 0,5 bis 1 W/kg je nach der Stärke des Magnetfelds, das durch die Spulen induziert wird.

Das Magnetisierungsverhalten des Eisens ist bis zur Sättigungsflussdichte weitgehend linear. Durch das lineare Verhalten bleibt der aufgenommene Leerlauf-Wechselstrom weitgehend sinusförmig. Bei der Transformation bleibt die Kurvenform der Eingangsspannung weitestgehend erhalten - lediglich Oberwellen werden aufgrund der Streuinduktivität gedämpft, was jedoch bei Netztransformatoren sogar erwünscht ist.
Eisen hat wie andere ferromagnetische Werkstoffe eine Grenze für die Linearität zwischen Feldstärke und magnetischem Fluss, die dann erreicht wird, wenn alle Weiss-Bezirke seiner Struktur einheitlich ausgerichtet sind. Bei dieser Sättigungsmagnetisierung kann das Eisen keiner weiteren Verstärkung der Feldstärke folgen, der Primärstrom steigt dann steil an. Bei der Konstruktion des Transformators muss daher der Kern möglichst exakt so bemessen werden, dass das Eisen sich auch bei Überspannungen im Stromnetz noch im linearen Bereich seiner Hysterese-Kennlinie befindet.

Ob ein Transformatorkern in die meist unerwünschte magnetische Sättigung gerät, hängt von der Höhe der Primärspannung ab - ist die Primärspannung in Bezug zu Kernquerschnitt bzw. Kernmaterial, Windungszahl und Frequenz zu hoch, gerät der Transformator in die Sättigung. Die Stromaufnahme steigt steil an. Die magnetische Sättigung setzt bei Belastung des Transformators bei etwas höherer Spannung ein, da die magnetische Feldstärke aufgrund des Spannungsabfalles am ohmschen Widerstand der Primärwicklung etwas abnimmt. Eine starke Belastung oder gar ein Kurzschluss der Sekundärseite führt zu einer wesentlich geringeren magnetischen Feldstärke im Kern und gleichzeitig zu einem starken Streufeld. Dieses kann zum Auslösen eines Kurzschlussschutzes (magnetische Sicherung) genutzt werden.

Die Hysterese-Kennlinie bildet den Zusammenhang zwischen Magnetfeldstärke und Erregerfeld bei dessen Anstieg und Rückgang ab. An ihr kann man sowohl die Sättigungsinduktion als auch die Ummagnetisierungsverluste erkennen.

Für Transformatoren für höhere Frequenzen werden für die Kerne statt Eisen auch andere weichmagnetische Werkstoffe wie z. B. Ferrite, amorphe Metallbandkerne oder Pulverkerne verwendet.

Transformatoren mit Ringkernen haben einen besonders hohen Wirkungsgrad, da aufgrund der geschlossenen Ringkernform nur geringe Streufeld-Verluste entstehen und der Eisenweg ein Minimum beträgt. Auch Ringkerne bestehen aus einzelnen Blechlagen, die durch ein ringförmig aufgewickeltes Band gebildet werden. Ringkerntransformatoren können mit höherer magnetischer Flussdichte und geringeren Hystereseverlusten arbeiten, wenn texturierte Blechbänder verwendet werden. Auch das trägt maßgeblich zur Verringerung der Baugröße bei.

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, d.h. die Lack-Isolation der Lackdrähte wird abgeschliffen.

Trotz ihrer Vorteile kommen Ringkerntransformatoren nicht generell zum Einsatz, weil u.a. die Bewicklung eines geschlossenen Ringkerns aufwändiger ist. 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 teilweise auch texturierte Blechbänder eingesetzt. Schnittbandkerne haben ähnlich gute Eigenschaften wie Ringkerne, jedoch ist die Wicklungsherstellung einfacher. Dagegen ist die Kernherstellung etwas teurer (Baureihen SM, SE, SU, SG, S3U siehe auch DIN 41309 und IEC 329).

Ring- und Schnittbandkerntransformatoren haben aufgrund ihres minimierten Eisenvolumens höhere Einschaltströme als andere Netztransformatoren, da sie dabei eher in die Sättigung geraten.

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_{Fe}\cdot \Delta B}}

mit

n - Windungszahl
$\Delta B$ - Induktionsamplitude (Flussdichteänderung) in Tesla
U - Effektivwert der Spannung in Volt
A_Fe - magnetischer Kernquerschnitt in cm²
f - Frequenz in Hz

Die maximale Flussdichte liegt bei Eisen je nach Spezifikation bei 1,5…2 T. Bei Ferriten liegt sie bei ca. 200 mT.

Mit Zunahme der Frequenz sinkt die Zahl der erforderlichen Trafowindungen und die Baugröße, weshalb sich Trafos für höhere Frequenzen sehr kompakt bauen lassen bzw höhere Leistungen übertragen können (Beispiel: Schaltnetzteile). Die Verdoppelung der Frequenz ermöglicht bei einer gegebenen Baugröße - abgesehen von steigenden Kernverlusten - die Verdoppelung der übertragbaren Leistung. Für gleiche Spannungen müssen dafür die Querschnitte der Wicklungsdrähte verdoppelt werden, die erforderlichen Windungszahlen halbieren sich.

Das Foto eines elektronischen Vorschaltgerätes (EVG) einer Energiesparlampe oben rechts zeigt einen Ferrit-Ringkern-Transformator zur Ansteuerung der Schalttransistoren mit nur drei bzw. fünf Windungen.

Kleine Ferrit-Transformatoren werden u. a. in Schaltnetzteilen und elektronischen Transformatoren für Niedervolt-Halogenglühlampen verwendet.

Drehstromtransformatoren

Dreiphasenwechselspannung lässt sich mit drei gleichen Einphasentransformatoren übertragen. In der praktischen Ausführung werden jedoch überwiegend die drei getrennten Eisenkerne zu einem gemeinsamen Kern mit drei Schenkeln zusammengefasst. Für das einfachere Verständnis kann man sich die drei Kernschenkel an sich sternförmig angeordnet vorstellen. Die praktische Ausführung vereinfacht das abermals dahin, dass die drei Schenkel in einer geraden Linie hintereinander angeordnet werden und oben und unten mit einem gemeinsamen Eisenblech-Joch verbunden werden. In den Schenkelkernen sind die magnetischen Flüsse wirksam, die sich gemäß der jeweils zugeordneten Wechselstromphase verändern. Der Phasenwinkel zwischen den drei einzelnen Wechselströmen beträgt jeweils ±120°, sodass sich die jeweils in den Schenkeln induzierten Magnetfelder nach außen hin aufheben.

Drehstromtransformatoren werden mit Nennleistungen von ca. 100 VA bis 1.000 MVA gebaut.

Die Übersetzungsformel ü = N1 / N2 gilt für Drehstromtransformatoren nur bei gleicher Schaltung von Ober- und Unterspannungsseite wie etwa bei der Schaltgruppe Yy0. Die drei Phasenleiter der elektrischen Spannung werden üblicherweise in Europa mit den Buchstaben „L1“, „L2“ und „L3“ bezeichnet (früher als „R“, „S“ und „T“), die drei Wicklungsstränge von Drehstrommotoren und -transformatoren mit „U“, „V“ und „W“.

Bei besonders großen Transformatoren können zur besseren Transportierbarkeit drei Einphasentransformatoren zu einer „Drehstrombank“ zusammengesetzt werden. Hierbei müssen jedoch die Stufenschalter und viele Meldeeinrichtungen jeweils dreifach vorhanden sein, so dass diese Anordnung eher selten ausgeführt wird.

Auslegung der Spulenwicklungen

Wie schon oben erwähnt, ist die Ausgangsspannung der Transformator-Sekundärspule theoretisch exakt so groß, wie es das Windungszahlverhältnis zwischen den Wicklungen und die Primärspannung vorgeben.

Es gilt:

{\frac {U_{1}}{U_{2}}}={\frac {I_{2}}{I_{1}}}={\frac {N_{1}}{N_{2}}}

mit
$U_{1}$ - Primärspannung
$U_{2}$ - Sekundärspannung
N₁ - Primärwindungszahl
N₂ - Sekundärwindungszahl

Dies gilt jedoch nur für den Leerlauf bzw. den unbelasteten Zustand. Sobald in der Sekundärspule ein Strom zu einem äußeren Verbraucher fließt, teilt sich die Leerlaufspannung auf die inneren elektrischen Widerstände des Transformators und des Verbrauchers auf. Die Streuinduktivität führt ebenfalls zu einer Verringerung der Spannung.
Wenn also eine bestimmte Spannung bei einer bestimmten Leistung entnommen werden soll, muss die Windungszahl der Sekundärspule für eine entsprechend höhere Leerlaufspannung ausgelegt werden. 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. Rechnerisch kann stattdessen auch mit dem Nennstrom gearbeitet werden.

Beispiel: Für einen Transformatortyp ist von der Größe und vom Material her ein Leistungsverlust bei der Übertragung von 10 % bekannt. Bei der vorgesehenen Nennleistung soll die Sekundärspule genau 240 Volt abgeben. Die Windungszahl wird daher für eine Leerlaufspannung von

${\frac {240\ \mathrm {V} }{1-0{,}1}}=266{,}7\ \mathrm {V}$

ausgelegt.

Bei Nennleistung liefert die Sekundärspule dann eine Spannung von

266{,}7\ \mathrm {V} -26{,}67\ \mathrm {V} =240{,}03\ \mathrm {V}

Ein Transformator kann statt einer einzelnen auch mehrere getrennte Sekundärwicklungen für unterschiedliche Spannungen oder für getrennte Stromkreise haben. Die Sekundärwicklungen können eine oder mehrere Anzapfungen haben: so kann man auch mit einem Trafo mit nur einer Sekundärwicklung mehrere unterschiedlich hohe Sekundärspannungen erhalten.

Die Primärwicklungen können ebenfalls mehrere Anzapfungen haben; dann ist ein solcher Trafo für unterschiedlich hohe Primärspannungen geeignet, bei denen trotzdem auf identische 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. Dadurch ist, die geringe Spannungsabweichung kann man zugunsten des geringeren Kupferbedarfes meist in Kauf nehmen.

Beim Spartransformator ist nur eine einzige Wicklung mit einer oder mehreren Anzapfungen vorhanden - bei dieser Bauform ist nur Spannungsanpassung, jedoch keine galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgangsspannung gegeben. Sein Vorteil ist die bei gleicher Übertragungsleistung geringere Masse (Eisen- u. Kupfergewicht).

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

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.

Idealer Transformator

Ein idealer Transformator hat keine Übertragungsverluste. Der ideale Transformator ist eine theoretische Sonderform des realen Transformators und zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:

die Permeabilität des Magnetwerkstoffes (die Fähigkeit, das durch eine Spule induzierte Magnetfeld zu führen) geht gegen Unendlich $\rightarrow$ kein Streufeld
die elektrische Leitfähigkeit des Magnetwerkstoffes geht gegen Null $\rightarrow$ keine Wirbelströme
der Magnetwerkstoff hat keine Ummagnetisierungsverluste (Fläche der Hystereseschleife des Magnetwerkstoffes geht gegen Null)
die Permeabilität der Luft geht gegen Null (eigentlich $\mu _{r}=1$ ) $\rightarrow$ kein Streufeld
die elektrische Leitfähigkeit der Wicklungen geht gegen Unendlich $\rightarrow$ keine Wicklungsverluste

Daraus ergibt sich das Durchflutungsgleichgewicht des idealen Transformators:

{\frac {U_{1}}{U_{2}}}={\frac {N_{1}}{N_{2}}}

Realer Transformator

Ein realer Transformator hat demgegenüber Übertragungsverluste durch den ohmschen Widerstand der Wicklung und durch Wirbelstrom- und Ummagnetisierungsverluste im Kern. Bei großen Transformatoren muss die Verlustleistung gegebenenfalls durch geeignete Kühlung abgeführt werden. Bei langdauernder Überlastung kann sich ein Transformator überhitzen und die Isolation kann durchbrennen.

Ersatzschaltbild eines realen Transformators (T-Ersatzschaltung)

L_H ist die Wicklungsinduktivität, sie erzeugt den Magnetisierungsstrom, der etwa dem Leerlaufstrom entspricht
R_Fe repräsentiert die Hysterese- und Wirbelstromverluste, R_Fe ist groß gegenüber der Lastimpedanz Z
R₁ und R₂ sind die ohmschen Widerstände der Wicklungen, sie verursachen die Stromwärmeverluste. Sie sind gegenüber der Last Z niederohmig.
L_σ1,2 sind die Streuinduktivitäten

Hystereseverluste und Wirbelstromverluste sind im Eisen begründet und werden deshalb als Eisenverluste bezeichnet. Die Stromwärmeverluste in den Wicklungen heißen dementsprechend Kupferverluste. Die Streuverluste ergeben sich aus den magnetischen Streuflüssen der Streuinduktivitäten und verursachen einen Spannungsabfall, jedoch keine Wärme.

Die gestrichenen Größen im Ersatzschaltbild müssen entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Transformators (also dem Windungsverhältnis der beiden Spulen zueinander) umgerechnet werden:

L'_{\sigma 2}=L_{\sigma 2}\left({\frac {N_{1}}{N_{2}}}\right)^{2}

,

R'_{2}=R_{2}\left({\frac {N_{1}}{N_{2}}}\right)^{2}

,

Z'=Z\left({\frac {N_{1}}{N_{2}}}\right)^{2}

U'_{2}=U_{2}\left({\frac {N_{1}}{N_{2}}}\right)

,

I'_{2}=I_{2}\left({\frac {N_{2}}{N_{1}}}\right)

mit
N_1,2 - Windungszahlen der Primär- bzw. Sekundärwicklung

Das Modell eines realen Transformators besteht aus dem oben gegebenen T-Ersatzschaltbild und einem nachfolgenden, idealen Übertrager, der die Potentialtrennung und das Übersetzungsverhältnis ergänzt.

Betriebszustände

Datei:DSC00411.JPG

Umspannstation mit auf einem Mast montiertem Trafo

Leerlauf bzw. „Unbelasteter Transformator“

Wenn bei angelegter elektrischer Spannung an der Primärspule kein Strom aus der Sekundärspule des Transformators entnommen wird, wird dies als „Leerlauf“ oder „unbelasteter Betrieb“ bezeichnet. In diesem Zustand verhalten sich die eingegebene Primärspannung und die an der Sekundärspule messbare Sekundärspannung näherungsweise wie die Windungszahlen, weil die sekundären Kupferverluste gleich Null sind:

{\frac {U_{1}}{U_{2}}}={\frac {N_{1}}{N_{2}}}

Dabei sind $U_{1}$ und $U_{2}$ die Primär- und Sekundärspannung sowie N₁ und N₂ die Primär- und Sekundärwindungszahl.

Ansonsten verhält sich der Transformator im Leerlauf exakt wie eine Induktivität, es ist dabei belanglos, ob eine Sekundärspule vorhanden ist oder wie sie ausgeführt ist.

Belasteter Transformator

Ist der Transformator sekundärseitig belastet, so bewirkt der Sekundärstrom im Eisen ein zusätzliches magnetisches Wechselfeld. Nach der Lenzschen Regel muss die durch den Sekundärstrom verursachte Magnetfeldänderung derjenigen, die durch den Primärstrom verursacht wird, entgegengerichtet sein. Die effektive Magnetfeldänderung ist bei Belastung somit in der Primärspule geringer als im unbelasteten Fall - die Flussdichte sinkt etwas.

Dadurch wird auch die Selbstinduktionsspannung in der Primärwicklung U_ip kleiner. Die Spannung an der Primärwicklung bleibt jedoch gleich, als Folge davon wächst der Primärstrom.

Für die Scheinleistung S eines idealen (verlustfreien) Transformators gilt:

S_{1}=S_{2}

Da S das Produkt aus Spannung U und Stromstärke I ist, gilt:

S=U\cdot I

und es folgt für die Beträge der Ströme:

U_{1}I_{1}=U_{2}I_{2}

Da sich die Spannungen wie die Windungszahlen verhalten, verhalten sich folglich die Ströme (bzw. deren Beträge) umgekehrt wie die Windungszahlen:

{\frac {I_{1}}{I_{2}}}={\frac {N_{2}}{N_{1}}}

Der entnommene Strom wird also mit dem reziproken Windungszahlverhältnis auf die Primärseite transformiert. In kleinen Sekundärwindungszahlen lassen sich daher hohe Ströme erzeugen, sofern der Drahtquerschnitt ausreichend groß ist. Beispiel: Widerstandsschweißen.

Nennlast-Betrieb

Wenn an der Sekundärwicklung des Transformators die maximal zulässige, als Nennleistung bezeichnete Leistung entnommen wird, wird dies als Nennlastbetrieb bezeichnet. In diesem Fall liegt an der Sekundärspule die Nennspannung an. Die Nennspannung ergibt sich aus der Leerlaufspannung abzüglich der Spannung, die an den inneren Widerständen des Transformators abfällt, bzw. aufgebracht werden muss, um den Strom durch die Innenwiderstände zu treiben. Es ist:

$U_{n}=U_{o}-U_{i}$

mit
$U_{n}$ - Nennspannung
$U_{o}$ - Leerlaufspannung
$U_{i}$ - Spannungsabfall am Innenwiderstand des Transformators

$U_{i}$ ist die Summe aus dem Spannungsabfall an der Sekundärwicklung und dem mit dem Windungszahlverhältnis transformierten Spannungsabfall der Primärwicklung. Hinzu kommt ein Spannungsabfall aufgrund der Streuinduktivität, der bei Belastung aufgrund von Feldverdrängung ebenfalls ansteigt.

Die Kurzschlussspannung ist die Spannung, die bei kurzgeschlossener Sekundärwicklung an der Primärwicklung liegen muss, damit die Primärwicklung den Nennstrom aufnimmt. Indem man diese bestimmt, kann man einen Transformator hinsichtlich seines Innenwiderstandes und seiner Effizienz testen und charakterisieren. Die Kurzschlussspannung ist eine Kenngröße von Leistungstransformatoren und wird in Prozent der Primär-Nennspannung angegeben. Sie soll in der Regel möglichst klein sein, damit auch bei hoher Last die Spannung an der Sekundärspule nur geringfügig abfällt.

Bei Klingel- und Streufeldtransformatoren (Leuchtreklame, Schweißtransformator) ist die Kurzschlussspannung dagegen hoch, denn diese Transformatoren sollen kurzschlussfest sein bzw. dienen der Strombegrenzung.

Eine weitere Ausnahme stellen Transformatoren bei Hoch- und Höchstspannungsnetzen (ab 220kV) dar. Damit die Kurzschlussströme in diesen Netzen keine astronomisch hohen Werte annehmen liegen deren Kurzschlussspannungen ebenfalls etwas höher (8-15%)

Bei parallelgeschalten Trafos gleicher Leistung sollten die Kurzschlussspannungen möglichst gleich sein, so dass der Trafo mit der kleineren Kurzschlussspannung nicht stärker belastet wird, als es dem Verhältnis der Nennleistungen entspricht.

Lastbetrieb allgemein

Bei Lastbetrieb wird das Übersetzungsverhältnis vom Leerlauf nicht mehr exakt eingehalten. Gründe sind:

die magnetische Streuung kommt zum Tragen (Kopplungsfaktor < 1)
die ohmschen Spannungsabfälle an den Wicklungen erhöhen sich

Der durch die äußere Belastung fließende Strom in der Ausgangswicklung erzeugt einen entgegengesetzten magnetischen Fluss, dadurch wird das Magnetfeld der Eingangswicklung geschwächt. In die Eingangswicklung wird dadurch weniger Spannung induziert, was wiederum zu einer erhöhten Stromaufnahme führt.

Der entgegengesetzt gerichtete magnetische Fluss bewirkt auch, dass der magnetische Fluss der Eingangswicklung als nicht nutzbarer Streufluss teilweise das Eisen verlässt und nicht die gesamte Sekundärwicklung durchdringt.

Die Ausgangsspannung eines Trafos sinkt mit steigender Belastung ab. Die zur Induktion zur Verfügung stehende bzw. die induzierte Spannung verteilen sich zunehmend gemäß dem Ohmschen Gesetz auch auf die ohmschen Widerstände der Kupfer-Wicklungen.

Überlast und Kurzschlussimpedanz

Wenn an der Sekundärwicklung des Transformators erheblich mehr als die Nennleistung entnommen wird, liegt der sog. Überlast-Betrieb vor. Dies führt zum Zusammenbruch der Sekundärspannung, diese verringert sich erheblich.

Zunehmende Stromentnahme bedeutet Abnahme des Verbraucherwiderstandes, die Sekundär- bzw. Leerlaufspannung verteilt sich nun auf den Innenwiderstand des Transformators und den Verbraucherwiderstand zugunsten ersterem:

U_{o}=I\cdot R_{i}+I\cdot R_{v}

mit
$R_{i}$ - wirksamer Innenwiderstand des Transformators
$R_{v}$ - Verbraucherwiderstand

Daraus folgt:

$U_{o}=U_{i}+U_{v}$

mit
$U_{o}$ - Leerlaufspannung
$U_{v}$ - Spannung am Verbraucher
$U_{i}$ - Spannungsabfall am insgesamt wirksamen Innenwiderstand des Trafos

Wird - bei konstantem Innenwiderstand des Transformators - der Verbraucherwiderstand immer kleiner, dann verschiebt sich somit die Spannungsverteilung hin zu einem kleineren Anteil der Verbraucherspannung. Sind $U_{v}$ und $U_{i}$ gleichgroß, liegt sog. Leistungsanpassung vor, die Verlustleistung gleicht der Ausgangsleistung, die Leistungsabgabe des Transformators erreicht ihr Maximum, der Wirkungsgrad beträgt 50 %. Nur sehr kleine Transformatoren können dauernd in diesem Bereich betrieben werden, ohne thermisch überlastet zu werden.

Bei höherer Stromentnahme auf der Sekundärseite wird zwangsläufig auch der Strom auf der Primärseite höher.

Die Zunahme des Primärstroms bei Be- oder Überlastung führt im Eisenkern zu einer Verringerung der Erregerfeldstärke (nicht, wie oft fälschlicherweise angenommen, zu einer Erhöhung). Der Grund ist die durch den ohm'schen Spannungsabfall in der Primärwicklung verringerte wirksame Spannung. Dadurch sinkt auch der durch die Primärinduktivität bestimmte Blindstrom. Der höhere primärseitige Wirkstrom wird dagegen durch den Sekundärstrom kompensiert und trägt nicht zur Magnetisierung bei.

Im Unterschied zu einem direkten Kurzschluss wirkt ein Transformator bei sekundärseitigem Kurzschluss primärseitig eher wie eine Drossel.

Ein idealer Kurzschluss auf der Sekundärseite eines Transformators führt am Primäranschluss zu einer sich aus den Streuinduktivitäten und ohmschen Verlusten ergebenden Kurzschluss-Impedanz Z_k:

$Z_{k}=R_{1}+R'_{2}+j2\pi f(L_{\sigma 1}+L'_{\sigma 2})$

mit
$R'_{2}$ - mit dem Quadrat des Windungszahlverhältnisses transformierter Sekundär-Kupferwiderstand
$R_{1}$ - Primär-Kupferwiderstand
$L_{\sigma 1}$ - Streuinduktivität der Primärwicklung
$L'_{\sigma 2}$ - mit dem Quadrat des Windungszahlverhältnisses transformierte Streuinduktivität der Sekundärwicklung
f - Arbeitsfrequenz des Transformators

Die Kurzschluss-Impedanz des Transformators verhält sich wie eine verlustbehaftete Induktivität, die jedoch wesentlich kleiner als die Eigeninduktivität der Primärseite im Leerlauffall ist. Auch bei guter Kopplung der Wicklungen hat die Kurzschluss-Impedanz einen signifikanten induktiven Anteil. Größere Transformatoren haben generell einen höheren induktiven Anteil der Kurzschlussimpedanz.

Aus der Kurzschlussimpedanz lässt sich der Kurzschlussstrom $I_{k}$ errechnen:

$I_{k}=U/Z_{k}$

Seine relative Größe kann durch Luftspalte, zusätzliche Schenkel im Kern, durch einen dünnen Kern und durch lockere Packung der Windungen (dünne Drähte, großer Abstand der Wicklungen voneinander und zum Kern) verringert werden, um die Kurzschlussfestigkeit zu erhöhen.

Transformatoren, die typischerweise kurzzeitig überlastet betrieben werden, sind in Elektroloks, Lötpistolen und Punktschweißgeräten zu finden. Auch bei der elektrischen Stahlerzeugung mit Lichtbogenöfen werden besonders be- und überlastbare Transformatoren eingesetzt.

Aufgrund der erheblichen Wärmeentwicklung bei fortdauerndem Überlastbetrieb droht Zerstörung der Isolation (Windungsschluss) oder sogar Brände und Explosionen durch die sich aus der Isolation entwickelnden Gase.

Aus den magnetischen Kräften eines kurzgeschlossenen Transformators ergeben sich enorme mechanische Spannungen, durch die bei großen Transformatoren die Wicklungsdrähte zerreißen und nach außen geschleudert werden können.

Anwendungen

Spannungsanpassung

Die Spannungstransformation wird angewendet, um Spannungen auf den gewünschten Wert umzuformen (zu transformieren). Beispiel: 230 Volt aus dem öffentlichen Stromnetz in 12 Volt für eine Halogenlampe. Bei kleinen und mittleren Leistungen sind häufig die Wicklungen zusammen mit dem Kern in Gießharz vergossen.

Zur reinen Spannungsanpassung (beispielsweise von 230 V auf 115 V) werden so genannte Spartransformatoren mit nur einer gemeinsamen Wicklung verwendet. Die veränderte Ausgangsspannung wird durch eine Anzapfung (falls sie kleiner als die Eingangsspannung sein soll) oder einen zusätzlichen Wicklungsanhang (für eine Spannung größer als die Eingangsspannung) gewonnen. Dabei muss der Transformator nur einen Teil der benötigten Leistung (im Beispiel 230/115 V die Hälfte zuzüglich der transformatoreigenen Verlustleistungen) übertragen und lässt sich entsprechend kleiner bauen.

Klingeltransformatoren z. B. haben die Aufgabe, die für die Türklingel erforderliche Spannung von 8 Volt aus der Netzspannung von 230 V zu erzeugen, sie sind in der Regel kurzschlussfest ausgeführt und weisen besonders geringe Leerlaufverluste auf.

Energietransport

Zur verlustarmen Energieübertragung in Hochspannungsleitungen werden Spannungen auf hohe Werte transformiert. Dabei wandelt der Maschinentrafo des Kraftwerkes die Generatorspannung, bei großen Kraftwerken etwa 10 kV bis 30 kV, auf die Hochspannung von etwa 110 kV bis 400 kV um, wodurch im Verbundnetz die Transportverluste geringer ausfallen und größere Leistungen übertragen werden können. Die Transformationsverluste sind bei Hochspannungstrafos vergleichsweise gering und liegen meist bei 0,1% der übertragenen Leistung. Der geringere Strom auf der Hochspannungsseite bei konstanter übertragener Leistung führt dazu, dass weniger Verlustwärme am ohmschen Widerstand der Leitung entsteht. Allerdings ist der Strom auf Hochspannungsleitungen im Normalbetriebsfall relativ hoch und betragsmäßig sogar höher als bei niedrigeren Spannungsebenen wie dem Mittelspannungsnetz. Der Strom auf 400-kV-Leitungen liegt im Bereich von 1 kA pro Außenleiter, im Vergleich dazu auf 110-kV-Leitungen "nur" in der Grössenordnung von 500 A, jeweils im normalen Betriebsbereich. Der Grund für den Betrieb von Hochspannungsleitungen ist eine Steigerung der zu übertragenen Gesamtleistung zu erreichen und nicht den Leiterstrom auf Hochspannungsleitungen zu verringern.

Bei richtiger Übertragungsspannung heben sich induktive und kapazitive Blindleistung auf (Wellenwiderstand Z = (240 ... 300) Ohm). Diese Aussage gilt jedoch nur beim Übertragen der so genannten natürlichen Leistung P_n. Für das Mittelspannungsnetz werden die Hochspannungen in Umspannwerken wieder auf 10 kV bis 36 kV zurücktransformiert.

Zur Abführung der Verlustwärme bei großen Leistungstransformatoren werden diese als Öltransformator in Behälter eingebaut, welche mit Transformatorenöl gefüllt sind. Die Kühlung durch das Öl wird gegebenenfalls mit Kühlrippen und Umwälzpumpen forciert (siehe Bild mit Leistungstransformatoren).

Aufgrund der isolierenden Eigenschaften des Öls reicht die Lackisolierung der Kupferleiter je nach Spannung aus, um das Tränken bzw. den Verguss der Wicklungen mit isolierenden Stoffen entfallen zu lassen. Große Transformatoren hingegen enthalten immer Feststoffisolationskomponenten auf Zellulosebasis. Durch die Alterung des Öls und Wasseraufnahme der Zellulose werden die Isolationseigenschaften mit steigender Betriebszeit allerdings schlechter. In den 1970er Jahren bis Anfang der 1980er Jahre wurden daher oft die giftigen, jedoch stabileren polychlorierte Biphenyle (PCB) verwendet.

Die Spannungsanpassung bei Netz-Belastungssschwankungen und die Abstimmung beim Parallelschalten großer Leistungstransformatoren geschieht über mit in den Kessel eingebaute Stufenschalter. Zu diesem Zwecke sind die entsprechenden Wicklungen mit Anzapfungen versehen.

Im Bild sind oberhalb des Transformators die drei gießharzisolierten, zylinderförmigen Rundsteuer-Einspeisetransformatoren erkennbar, die in Reihe zur unterspannungsseitigen Wicklung liegen und das nachgeschaltete Netz mit tonfrequenten Steuerimpulsfolgen der Rundsteueranlage beaufschlagen.

Getaktete Netzteile / Schaltnetzteil

Transformatorenhaus im ländlichen Gebiet

An Netzfrequenz mit 50 bzw. 60 Hz arbeitende Netztransformatoren sind relativ groß und schwer. Da die Änderungsgeschwindigkeit der Magnetfeldstärke die in den Wicklungen induzierte Spannung bestimmt, kann ein bei höherer Frequenz betriebener Trafo auch mehr Leistung übertragen.

Mit steigender Frequenz kann die Windungszahl und/oder der Kernquerschnitt (Kernvolumen) abnehmen, ohne dass sich die Spannung verändert (siehe Formel[1]). In Schaltnetzteilen werden zu diesem Zweck mit Halbleiterschaltern für den Transformator Eingangsspannungen mit Frequenzen von etwa 20 kHz bis 2 MHz erzeugt. Damit können erheblich leichtere Netzteile bzw. Stromversorgungen gebaut werden.

Die Transformatorkerne von Schaltnetzteilen werden zur Verringerung der Hysterese- und Wirbelstromverluste meist aus Ferrit (ferromagnetische Keramik) oder aus Eisenpulver gefertigt. Auch die Wicklungen werden bei höheren Frequenzen wegen des Skineffektes häufig als flaches Kupferband oder mittels Hochfrequenzlitze(parallelgeschaltete dünne Drähte) ausgeführt. Trotz der gegenüber Eisen geringeren Sättigungsinduktion von Ferriten ist die Verringerung der Masse erheblich. Ein zur Übertragung von 4000 Watt geeigneter Transformator wiegt beispielsweise:

bei 50 Hz ca. 25 kg
bei 125 kHz dagegen lediglich 0,47 kg.

Die schnellen Strom- und Spannungsänderungen der Schaltnetzteile führen zu Hochfrequenz-Störungen, die meist mit Netzfiltern, Abschirmungen und Ausgangsfiltern verringert werden müssen.

Mittelfrequenz-Transformatoren

Die Formel für den Zusammenhang zwischen Windungszahl, Eisenquerschnitt und Spannung lautet

N={\frac {50\cdot 45\cdot U}{f\cdot A_{Fe}\cdot \Delta B}}

mit

N: Windungszahl
$\Delta B$ als Induktionsamplitude (Flussdichteänderung) in Tesla
U: Effektivwert der Spannung in Volt
A_Fe: magnetischer Kernquerschnitt in cm²
f: Frequenz in Hz.

Auf den Eisenquerschnitt umgestellt zeigt sich, dass der Eisenquerschitt mit zunehmender Frequenz kleiner bemessen werden kann:

A_{Fe}={\frac {50\cdot 45\cdot U}{f\cdot N\cdot \Delta B}}

Für bestimmte Anwendungsfälle wird daher eine höhere als die übliche Netzfrequenz verwendet, um kleinere Transformatoren zu bauen.

Beispiele sind u.a.:

in Flugzeugen konnten die in den früher üblichen Röhrengeräten (RADAR, Bordfunk usw.) erforderlichen verschiedenen Spannungen massesparend mit kleinen Transformatoren mit 400 Hz-Drehstrom erzeugt werden.
in Punktschweiß-Zangen werden oft Mittelfrequenz-Transformatoren eingebaut, um dicke Strom-Zuführungen (erforderlich sind einige tausend Ampere) zu vermeiden und die Zangen (z. B. an Roboterarmen in der Automobilfertigung) dennoch leicht und beweglich zu halten.

Gegenüber einer Betriebsfrequenz von 50 Hz sind dabei große Gewichtseinsparungen erreichbar. Bei Frequenzen bis zu einigen kHz („Mittelfrequenz“) können Leistungs-Transformatoren noch mit geblechten (Eisen-)Kernen gefertigt werden, doch muss die Blechdicke zur Vermeidung höherer Wirbelstromverluste geringer sein (ca. 0,1 mm gegenüber ca. 0,5 mm bei 50 Hz). Die Hystereseverluste halten sich dann noch in Grenzen.

Galvanische Trennung

Aus sicherheitstechnischen Gründen (u.a. Blitzschlag) wird ein Anschluss der öffentlichen Stromversorgung auf Erdpotenzial bezogen. Um nun unter allen Umständen (z. B. zwischengeschaltete Kabel) zu verhindern, dass eine frei zugängliche, leitende Stelle des Gerätes Netzpotenzial führt und damit für den Benutzer die maximale Schutzkleinspannung überschritten wird, muss eine galvanische Trennung mit verstärkter Isolation oder eine Schutzerdung leitfähiger berührbarer Teile vorgenommen werden. Transformatoren mit getrennten, voneinander isolierten Wicklungen bieten diese galvanische Trennung. Die so genannte „sichere elektrischen Trennung“ (Schutzklasse II) ist in Normen (IEC, VDE, UL) definiert und verlangt besonders hohe elektrische Isolationsfestigkeit zwischen Primär- und Sekundärseite. Dafür geeignete Transformatoren haben oft getrennte, gekapselte Isolierstoff-Kammern für die Primär- bzw. Netzspannungswicklung.

Aus einem geerdeten Netz kann man mit so genannten Trenntransformatoren (Übersetzungsverhältnis 1:1) ein gegen Erde isoliertes Netz schaffen. In Krankenhäusern ist eine solche Netztrennung für viele Geräte gefordert. Bei einem Körperschluss an einem Gerät, das mit Menschen in Kontakt kommt, kann so kein Erdstrom fließen. Vielmehr wird das Netz überwacht und der Fehler kann behoben werden. Eine Abschaltung ist nicht nötig solange kein zweiter Fehler auftritt.

Reparaturarbeiten an netzbetriebenen Geräten (z. B. Fernseher) müssen ebenfalls an mittels Trenntransformator isolierter Netzspannung stattfinden. Gegen die Berührung der Bildröhren-Anodenspannung von 17...27 kV bieten übliche Trenntransformatoren jedoch keinen Schutz: selbst ohne Berührung kann man bei Annäherung innerhalb der Schlagweite einen Stromschlag erleiden, da die Isolationsfestigkeit eines üblichen Trenntransformators nur etwa 4kV beträgt.

Messwandler

Für die Messung hoher Wechselströme und -spannungen werden Messwandler verwendet, mit denen die Spannung bzw. der Strom auf niedrige und für das Messgerät konforme Werte heruntertransformiert werden.

Als Durchsteckwandler ausgeführte Stromwandler bestehen nur aus der Sekundärspule und dem Kern. Die Primärwicklung wird durch eine durchgesteckte Leitung des Leistungsstromkreises gebildet. Die Leitung kann ggf. auch mehrmals durch den Messwandler geführt werden, um den Messbereich gemäß den folgenden Formeln anzupassen:

{\frac {I_{1}}{I_{2}}}={\frac {N_{2}}{N_{1}}}\

oder

\ {\frac {U_{1}}{U_{2}}}={\frac {N_{1}}{N_{2}}}

.

Besonders hohe Anforderungen werden an Mess-Stromwandler und -spannungswandler für Energiezähler gestellt. Mit ihnen transformiert man den zu messenden Primärstrom auf die z.B. für 5 A ausgelegte Stromspule eines mechanischen Zählers oder man erzeugt mit einem an der Sekundärwicklung angeschlossenen Lastwiderstand eine kleine Messspannung für die Auswerteelektronik eines elektronischen Zählers. Durch die Verwendung spezieller Legierungen für den Kern sind gute Linearität und ein geringer Phasenfehler erreichbar.
Oft muss auch die Spannung heruntertransformiert werden, um sie messen zu können. Die dazu verwendeten Spannungswandler sind für Messungen gegen Erde/Neutralleiter oder auch zur Messung der Spannung zwischen den Außenleitern ausgeführt.
Gängige Nenn-Sekundärwerte von Stromwandlern sind 5 A, von Spannungswandlern 100 V.

Widerstandstransformation

Eine Widerstandstransformation wird angewendet, um Verbraucher und Quellen hinsichtlich ihres Widerstandes oder Wellenwiderstandes anzupassen, zum Beispiel eine Ferritantenne an die Eingangsstufe des Radios oder einen Lautsprecher mit einer Impedanz von 4 Ohm an den Ausgang eines Röhrenverstärkers mit einer Impedanz von 1000 Ohm. Bei Transformation auf einen jeweils etwa gleich großen Wert wird die maximal mögliche Leistung übertragen.

Für den elektrischen Widerstand R einer Baugruppe gilt das Ohmsche Gesetz

R={\frac {U}{I}}

Wendet man diese Beziehung auf die Primär- und Sekundärwicklung eines Transformators an, so folgt

R_{1}={\frac {U_{1}}{I_{1}}}

R_{2}={\frac {U_{2}}{I_{2}}}

Für das Verhältnis von Primär- und Sekundärwiderstand errechnet sich daraus mit U~N und I~1/N das erforderliche Verhältnis der Windungszahlen:

{\frac {R_{1}}{R_{2}}}={\frac {N_{1}^{2}}{N_{2}^{2}}}

Durch ein Windungszahlverhältnis von 2 zu 1 wird also eine Widerstandstransformation von 4 zu 1 erreicht.

Durch die Umrechnung des Widerstandes kann man beide Widerstände im Längszweig des Ersatzschaltbildes nun von nur einer Seite betrachten. Die Impedanz auf der nicht interessierenden Seite ist nun auf die Bezugsspannungsebene umgerechnet. Durch die Summe erhält man die Kurzschlussimpedanz. Alle Leistungs- und Kurzschlussberechnungen sind damit auf eine Spannung bezogen.

Normen und geltende Richtlinien für Transformatoren

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

Siehe auch

Spezielle Transformatoren

Bestandteile und Zubehör

Kern: Magnetostriktion

Literatur

Elektrische Maschinen, B.G. Teubner Verlag, 5. korr. Aufl. 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
Christ: Motoren, Generatoren, Transformatoren - Arbeitsheft, Stam, ISBN 3-8237-3414-8
Rolf Fischer: Elektrische Maschinen, 408 Seiten, Paperback, 12. Auflage, Hanser, ISBN 3-446-22693-1

Weblinks

Wiktionary: Transformator – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen