Transformator

Ein 30 VA-Netztransformator, M-Formbleche mit Spulenkörper, auf dem sich sowohl Primär- als auch Sekundärwicklung befindet.

VEW Transformatorstation Recklinghausen

Ein Transformator, kurz Trafo, auch Umspanner, überträgt elektrische Energie zwischen zwei von Wechselstrom durchflossenen Stromkreisen mit normalerweise unterschiedlich hoher Spannung aber gleicher Frequenz. Die Übertragung erfolgt physikalisch durch induktiv gekoppelte Leiter, die beim Transformator in Form von mindestens zwei Spulen oder Wicklungen vorhanden sind. Meist sind die Leiter um einen einzigen Eisenkern gewickelt, oder aber um getrennte, aber magnetisch gekoppelte Kerne. Ein Wechselstrom, der durch die sogenannte Primärwicklung fließt, erzeugt einen zeitlich sich verändernden Magnetfluss durch das Innere der Spule. Dieser wiederum induziert in der Sekundär-Wicklung eine elektrische Spannung.

Wenn an die Sekundärwicklung ein Verbraucher angeschlossen wird, fließt durch den Verbraucher ein elektrischer Strom. Elektrische Energie fließt vom Primärstromkreis über den Transformator zum Verbraucher. Bei einem idealen Transformator ist die induzierte Spannung in der Sekundärwicklung (V_S) proportional zur Primärspannung (V_P). Die Verhältnis beider Spannungen entspricht dem Verhältnis der beiden Wicklungszahlen.

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

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). Die Ströme verhalten sich umgekehrt proportional zu den Spannungen, da die Leistung im verlustlosen idealen Transformator primär- und sekundärseitig gleich hoch ist.

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.

Physikalische Grundlagen

Schemazeichnung eines Transformators

Für die Wirkweise eines Transformators sind zwei physikalische Erscheinungen wesentlich:

• Ein elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld (Biot-Savart-Gesetz)
• Wenn sich der magnetische Fluss durch eine Spule ändert, wird in ihr eine Spannung induziert.

In der idealen Form besteht der Transformator aus zwei elektrischen Kreisen (Spulen) und einem magnetischen Kreis (Kern), wobei der magnetische Fluss und das Magnetfeld vollständig durch beide elektrische Kreise geführt wird.

Die Spannungen beider Spulen steht in einem gesetzmäßigen Zusammenhang zur Änderung des Magnetflusses im Kern: Ändert sich der magnetische Fluss im Kern, so wird in jeder einzelnen Windung beider Spulen eine identische elektrische Spannung induziert, so dass die Spannungen an den Anschlüssen zueinander im Verhältnis der Windungszahlen der beiden Spulen stehen.

In der Praxis werden Transformatoren meist mit (sinusförmiger) Wechselspannnung betrieben.

Wird an die sekundäre Wicklung ein Verbraucher angeschlossen, z.B. ein ohmscher Widerstand, so wird in diesem Energie verbraucht, die primärseitig zugeführt werden muss.

Reale Transformatoren unterscheiden sich vom idealen Transformator unter anderem dadurch, dass zum einen in den Wicklungen elektrische Verluste auftreten, und dass zum anderen der Kern nur eine endliche Tragfähigkeit für den magnetischen Fluss hat und zum Ummagnetisieren Energie benötigt (siehe auch Hysterese).

Wird der Transformator mit einer sinusförmigen Wechselspannung betrieben und hat er eine ohmsche Last, so beobachtet man das Folgende:

Ohne Last ist der Transformator eine einfache Induktivität, das heißt der Magnetisierungsstrom ist ebenfalls sinusförmig und eilt der Spannung in der Phase um 90 Grad nach. Dies gilt, solange die Induktivität unabhängig von der magnetischen Aussteuerung des Eisenkernes konstant bleibt. Meistens ist das jedoch nicht der Fall, und der momentane Leerlaufstrombetrag verläuft, der Magnetisierungskennlinie folgend, über eine Periode gemessen nichtlinear. Die aufgenommene Energiemenge ist dabei jedoch im Vergleich zur mit dem Trafo übertragenen Energie sehr klein. Mit Last addiert sich zum Magnetisierungsstrom der zur Spannung proportionale Laststrom, der zum kontinuierlichen Energietransport in die Last führt. Beide Ströme überlagern sich und nach den Gesetzen der Trigonometrie stellt sich ein weiterer fast sinusförmiger Strom ein, der eine Phasenverschiebung von etwas größer als Null und viel kleiner als 90° aufweist.

Die maximale Spannung an einem Trafo wird durch die Isolation zwischen den stromführenden Leitern bestimmt, bei Überschreitung dieses Grenzwerte treten Stromüberschläge auf. Das Kernmaterial begrenzt die Magnetflussstärke und die maximal mögliche Frequenz der Magnetisierungswechsel (Ferromagnetismus).

→ Hauptartikel: Transformator (Wirkungsweise und Physik)

Geschichte

Transformator von Zipernowsky, Déry und Bláthy

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.

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.

Weitere Bauelemente ergeben sich durch die eventuell notwendige Kühlung.

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

Spulen

Orthozyklische Wicklung

Für die Aufwicklung einer Spule ist isolierter Draht notwendig. Meist wird massiver Kupferdraht verwendet. Zur Isolierung hat der Draht entweder eine Kunststoffummantelung oder eine Lackierung. Die dünnere Lackschicht erlaubt eine kompaktere Wicklung, als es mit einer Kunststoffisolierung möglich ist. Konstruktives Ziel ist eine möglichst kleine (eng gewickelte) Spule. Die Isolierung muss der maximal möglichen Betriebstemperatur standhalten können. Selten geworden ist eine Isolierung mit textilen Material.

Der Drahtquerschnitt ergibt sich als Kompromiss aus Kosten, Strombelastung, Erwärmung und Wirkungsgrad.

Ein separater Spulenkörper (meist Kunststoffspritzguss) ermöglicht die Gestaltung einer Wickelkammer. Damit ist auf einer Wickelmaschine eine gleichmäßige und geordnete Wicklung möglich.

In einigen Fällen ist ein separater Spulenkörper zu teuer (geringe Stückzahl). Dann wird direkt auf die Schenkel des Transformatorkerns aufgewickelt. Solche Wicklungen sind umständlich, da maschinell kaum möglich. Der Drahtquerschnitt ist dann meist groß, was eine maschinelle Wicklung zusätzlich behindert. Solche Wicklungen werden dann von Hand ausgeführt.

Manchmal wird die Wicklung anschließend durch eine Lack- oder Gießharztränkung fixiert und so zusätzlich geschützt.

Alle Wicklungen, die eingespeist werden, heißen Primärspulen. Alle Wicklungen, an die die Verbraucher angeschlossen sind, heißen Sekundärspulen. Der Energiefluss erfolgt also von der Primärseite zur Sekundärseite.

Auslegung der Spulenwicklungen

Das Verhältnis von Primär- und Sekundärspannung entspricht dem Verhältnis der Windungszahlen, wenn man Verluste nicht berücksichtigt. Selbstverständlich gilt Ausgangsleistung gleich Eingangsleistung. Danach ist das Verhältnis von Primärstrom zu Sekundärstrom umgekehrt proportional den Windungszahlen.

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

${\frac {240\ \mathrm {V} }{1-0{,}1}}=266{,}{\bar {6}}\ \mathrm {V} \,$

ausgelegt.

Bei Nennleistung liefert die Sekundärspule dann eine Spannung von

$266{,}{\bar {6}}\ \mathrm {V} -26{,}{\bar {6}}\ \mathrm {V} =240\ \mathrm {V} \,$

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 Transformator mit nur einer Sekundärwicklung mehrere unterschiedlich hohe Sekundärspannungen erhalten.

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.

Anzapfungen

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. Dadurch 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.

Bei der Stromversorgung werden Netztransformatoren häufig mit schaltbaren Anzapfungen an der Primär- oder Sekundärwicklung ausgestattet. 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.

Eine Sonderbauart ist der Spartransformator, der nur eine Spule besitzt, die eine oder mehrere zusätzliche Anzapfungen aufweist. Infolge Fehlens galvanischer Trennung der einzelnen Spannungsebenen ist seine Verwendung auf Spezialeinsätze beschränkt.

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- und Kupferbedarf sind bei gleicher Nennlast wesentlich geringer.

Mittenanzapfung

Schaltzeichen eines Transformators mit Mittenanzapfung

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. Kleinste Strukturen im Innern des Kernmaterials, die in den sogenannten Weiss-Bezirken liegen, richten sich im Magnetfeld aus. Der Magnetfluss wird bei gleicher Magnetfeldstärke damit um den Faktor 1000 bis 100000 erhöht.

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

Nicht vermeidbar sind dabei die Hysterese-Verluste. Diese sind jedoch klein für die weitverbreiteten niedrigen Frequenzen (50 oder 60 Hz). Die Magnetisierung erreicht am Ende der Kurve jedesmal die Sättigungsgrenze und wird danach mit der gegenpoligen Spannungshalbwelle genau entgegengesetzt magnetisiert.

Die wirtschaftlich größte Bedeutung haben Eisen- oder Stahlwerkstoffe. Dabei sind viele Stahllegierungen, insbesondere die nicht rostenden austenetischen Stahllegierungen, völlig unmagnetisch und daher als Kernmaterial ungeeignet..

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.

Das Verhältnis von magnetischer Polarisation $M$ zur magnetischen Feldstärke H 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 die magnetische Feldkonstante.

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

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.

In vielen Fällen wird von Übertragern gesprochen, insbesondere in der HF-Technik.

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.

Ölkühlung

Ölgekühlter Transformator ohne Gehäuse

Das Öl im Transformatorgehäuse dient sowohl der Isolation der Wicklungen als auch dem Kühlen. Der Querschnitt der Wickelungsdrähte wird aus Kostengründen so klein wie möglich gehalten, was eine starke Erwärmung zur Folge hat. Nachteilig ist die Entflammbarkeit des Öls bei hohen Temperaturen. Insofern ergibt sich eine hohe Brandlast. Daher werden derzeit zunehmend Transformatoren mit Epoxydharz-isolierten Wicklungen gebaut. Diese werden als Trockentransformatoren bezeichnet (Beispiel: Geafol).

Nebenstehendes Bild zeigt einen ölgekühlten Transformator ohne Gehäuse.

Es fehlt das heute standardmäßige, mit dem Ausdehnungsgefäß verbundene Buchholz-Relais. Damit soll die Brandgefahr eingeschränkt werden.

Das Öl enthielt häufig umweltgefährdende Polychlorierte Biphenyle (PCB). Aufgrund einer neuen Richtlinie wurden viele Öltransformatoren durch Trockentransformatoren ersetzt und das Öl fachgerecht entsorgt.

Spezielle Bauformen

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

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 im wesentlichen aus einem Transformator, der die Netzspannung auf die Betriebsspannung des Gerätes heruntertransformiert.
• 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.
• Stromwandler (auch Messwandler): Ein Ringkern mit der Sekundärspule umschließt den Einzelleiter. Die Primärspule ist entartet und besteht nur aus dem zu messenden Leiter.
• Mittelfrequenztransformator, wie sie Verwendung finden in beispielsweise Widerstandspunktschweißgeräten. Solche Geräte arbeiten mit mittleren Frequenzen (400 Hz), damit ein kleines Eisenpaket möglich ist.
• Trenntrafos zur galvanischen Trennung verschiedener Netze oder Schaltungsbestandteile.
• Übertrager zur Übertragung von analogen oder digitalen Signalen. Der Transformator kann hier z.B.: zur Anpassung des Wellenwiderstandes oder zur galvanischen Trennung dienen.

Vertiefende Themen

Geräuschentwicklung

Der Eisenkern ändert seine Form, wenn sich das Magnetfeld ändert (Magnetostriktion). Dies führt bei Transformatoren, die mit Netzfrequenz betrieben werden, zum typischen Netzbrummen. Ein mögliches Ziel bei der Auslegung von Transformatoren besteht darin, die Geräuschentwicklung gering zu halten.

Modellbetrachtungen

→ Hauptartikel: Modell des Transformators

Die verschiedenen Modellbetrachtungen beschreiben, meist vereinfacht, die elektrischen und magnetischen Verhältnisse eines Transformators. Das Ziel ist durch die vorgenommenen Vereinfachungen und Beschränkungen auf wesentliche Einflussfaktoren Zusammenhänge und Gesetzmässigkeiten zu bilden und im Rahmen einer Theorie allgemein beschreiben zu können.

Einschaltstromstoß

→ Hauptartikel: Einschalten des Transformators

Das Einschalten eines Eisenkern-Transformators, also zum Beispiel eines Netztransformators, erzeugt meistens einen Einschaltstromstoß. Dabei gerät das Transformatoreisen mehr oder weniger in Sättigung und kann durch die anliegende Netzspannung für den Rest der Spannungshalbschwingung nicht mehr weiter magnetisiert werden. Der Strom, der dann zum Beispiel bei einem Einphasentransformators in die Primärspule hineinfließt, wird dann nur noch durch den Kupferwiderstand derselben begrenzt und kann dann einige Perioden lang einen erhöhten Wert und zu Beginn das etwa fünf- bis achtzigfache des Nennstromes betragen. Je höher die Effizienz des Transformators, desto höher kann dieser Wert sein.

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