Der Transformator

Was ist ein Transformator und wozu wird er eingesetzt?

Ein Transformator – oft kurz „Trafo“ genannt – ist eine ruhende elektrische Maschine, die Wechselspannungen in andere Spannungswerte umwandelt. „Ruhend“ bedeutet, dass der Transformator keine beweglichen Teile besitzt, anders als ein Motor oder Generator. Er besteht im einfachsten Fall aus zwei getrennten Wicklungen, die über einen gemeinsamen Eisenkern magnetisch miteinander gekoppelt sind. Die Energie wird also nicht mechanisch, sondern rein über das magnetische Wechselfeld von einer Wicklung auf die andere übertragen.

Das Grundprinzip basiert auf dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion, das Michael Faraday 1831 entdeckte: Ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld erzeugt in einer leitenden Schleife eine Spannung. Wird die Primärwicklung an eine Wechselspannung angeschlossen, fließt ein Wechselstrom, der im Eisenkern einen magnetischen Wechselfluss erzeugt. Dieser Fluss durchsetzt auch die Sekundärwicklung und induziert dort eine Spannung. Die Höhe der sekundärseitigen Spannung hängt vom Verhältnis der Windungszahlen ab – damit lässt sich die Spannung gezielt herauf- oder heruntersetzen.

Stell dir den Transformator wie ein Zahnradgetriebe vor: Bei einem Getriebe tauschst du Drehzahl gegen Drehmoment – ein kleines Zahnrad dreht schnell, aber mit wenig Kraft, ein großes dreht langsam, aber mit viel Kraft. Beim Transformator wird Spannung gegen Strom getauscht: Hohe Spannung bei kleinem Strom auf der einen Seite, niedrige Spannung bei großem Strom auf der anderen Seite. Die übertragene Leistung bleibt dabei – abgesehen von kleinen Verlusten – gleich.

In der Praxis begegnet dir der Transformator überall: In Umspannwerken wandelt er die Generatorspannung von typisch 10 kV auf 110 kV oder 380 kV hoch, damit die Übertragungsverluste in den Leitungen gering bleiben. In der Nähe des Verbrauchers wird die Spannung in mehreren Stufen wieder auf 230 V bzw. 400 V heruntertransformiert. Auch in Netzteilen von Laptops, in Schweißgeräten, in der Mess- und Steuerungstechnik und in Sicherheitskleinspannungsanlagen (SELV) sind Transformatoren allgegenwärtig.

Wie ist ein Transformator aufgebaut?

Ein Transformator besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten: dem magnetischen Kern, den Wicklungen und der Isolation. Jede dieser Komponenten erfüllt eine spezifische Aufgabe und muss sorgfältig auf die anderen abgestimmt sein, damit der Transformator effizient und sicher arbeitet.

Der Kern besteht aus weichmagnetischem Werkstoff – in den allermeisten Fällen aus kornorientierten Siliziumblechen. Warum Bleche und nicht ein massiver Eisenblock? Der Kern wird vom magnetischen Wechselfluss durchsetzt, und in einem massiven Körper würden große Wirbelströme fließen, die enorme Verluste und Erwärmung verursachen. Durch die Aufteilung in dünne, gegeneinander isolierte Bleche (typisch 0,3 mm bis 0,5 mm Dicke) werden die Wirbelströme auf kurze Pfade innerhalb jedes einzelnen Blechs begrenzt – ähnlich wie man einen großen Fluss durch viele schmale Kanäle leitet, um seine zerstörerische Kraft zu brechen.

Es gibt zwei grundlegende Kernbauformen: den Kerntyp und den Manteltyp. Beim Kerntyp sind die Wicklungen auf zwei getrennten Schenkeln des Kerns aufgebracht – die Primärwicklung auf dem einen, die Sekundärwicklung auf dem anderen. Beim Manteltyp sitzen beide Wicklungen übereinander auf dem mittleren Schenkel, und der Kern umschließt sie von beiden Seiten wie ein Mantel. Der Manteltyp bietet eine bessere magnetische Kopplung und wird daher häufig bei Leistungstransformatoren eingesetzt. Der Kerntyp ist einfacher in der Fertigung und wird oft bei kleineren Transformatoren verwendet.

Die Wicklungen bestehen aus isoliertem Kupferdraht (bei kleinen Trafos Runddraht, bei großen Flachband oder Folie). Die Primärwicklung wird an die Eingangs-Wechselspannung angeschlossen und erzeugt den magnetischen Fluss. Die Sekundärwicklung nimmt den Fluss auf und gibt die transformierte Spannung ab. Die Wicklungen sind gegeneinander und gegen den Kern sorgfältig isoliert – bei Niederspannungstransformatoren mit Lackdraht und Isolierfolien, bei Hochspannungstransformatoren mit ölgetränktem Papier oder Pressspan.

Bei Leistungstransformatoren ab einigen kVA werden Kühlsysteme benötigt. Kleine Trafos werden durch natürliche Luftkonvektion gekühlt (Trockentransformatoren). Mittlere und große Trafos stehen in einem ölgefüllten Kessel – das Transformatorenöl übernimmt gleichzeitig Kühlung und Isolation. Die Kühlung erfolgt über Kühlrippen am Kessel oder bei sehr großen Einheiten über separate Kühler mit Pumpen und Ventilatoren.

Was beschreibt das Übersetzungsverhältnis?

Das Übersetzungsverhältnis ist die zentrale Kenngröße eines Transformators. Es gibt an, in welchem Verhältnis die Primärspannung zur Sekundärspannung steht und wird durch das Verhältnis der Windungszahlen bestimmt. Mathematisch ausgedrückt: Das Übersetzungsverhältnis ü ist der Quotient aus der Windungszahl der Primärwicklung N₁ und der Windungszahl der Sekundärwicklung N₂.

Beim idealen Transformator (also ohne Verluste) gilt zusätzlich: Die Leistung auf der Primärseite ist gleich der Leistung auf der Sekundärseite. Das bedeutet: Wenn die Spannung heruntentransformiert wird, steigt der Strom im gleichen Verhältnis – und umgekehrt. Das ist die direkte Konsequenz der Energieerhaltung.

Anschaulich lässt sich das so erklären: Ein Transformator ist wie eine Wippe. Auf einer Seite sitzt ein leichtes Kind weit außen (hohe Spannung, kleiner Strom), auf der anderen Seite ein schweres Kind nahe der Mitte (niedrige Spannung, großer Strom). Die „Arbeit“ (Leistung), die die Wippe überträgt, bleibt gleich – nur das Verhältnis zwischen „Kraft“ (Strom) und „Weg“ (Spannung) ändert sich.

Man unterscheidet drei Fälle: Ist ü > 1, ist die Primärspannung größer als die Sekundärspannung – man spricht von einem Abspanntransformator (oder Abwärtstransformator). Ist ü < 1, wird die Spannung herauftransformiert – das ist ein Aufspanntransformator. Bei ü = 1 sind beide Spannungen gleich; solche Transformatoren werden als Trenntransformatoren zur galvanischen Trennung eingesetzt, etwa in der Medizintechnik oder für Sicherheitskleinspannung.

Wie verhält sich ein Transformator im Leerlauf?

Von „Leerlauf“ spricht man, wenn der Transformator primärseitig an Wechselspannung angeschlossen ist, aber sekundärseitig kein Verbraucher angehängt wird – die Klemmen sind also offen. In diesem Zustand fließt nur ein sehr kleiner Strom durch die Primärwicklung, der sogenannte Leerlaufstrom I₀. Dieser Strom ist typischerweise nur 2 % bis 10 % des Nennstroms und hat zwei Aufgaben: Er baut den magnetischen Fluss im Kern auf (Magnetisierungsstrom) und deckt die Eisenverluste im Kern (Wirbelstrom- und Hystereseverluste).

Der Leerlaufstrom lässt sich in zwei Komponenten zerlegen: den Magnetisierungsstrom I_µ, der den magnetischen Fluss im Kern erzeugt und um 90° zur Spannung phasenverschoben ist (rein induktiv), und den Verluststrom I_Fe, der die Eisenverluste deckt und in Phase mit der Spannung liegt (rein resistiv). Man kann sich das so vorstellen: Der Magnetisierungsstrom ist wie der Aufwand, um ein Schwungrad auf Drehzahl zu bringen (er speichert Energie im Magnetfeld, gibt sie aber jede Halbperiode wieder zurück), während der Verluststrom die Reibung des Schwungrads darstellt (er wird in Wärme umgesetzt und ist für immer verloren).

Im Leerlauf kann man an den Sekundärklemmen die Leerlaufspannung U₂₀ messen. Diese Spannung entspricht exakt dem Wert, den das Übersetzungsverhältnis vorhersagt. Da kein Strom fließt, gibt es auch keinen Spannungsabfall an der inneren Impedanz der Sekundärwicklung. Der Leerlaufversuch ist einer der zwei wichtigsten Prüfverfahren für Transformatoren – er liefert die Eisenverluste P_Fe und das Übersetzungsverhältnis.

Wie verhält sich ein Transformator unter Last?

Sobald an die Sekundärseite ein Verbraucher (eine Last) angeschlossen wird, beginnt ein Strom I₂ zu fließen. Dieser Sekundärstrom erzeugt in der Sekundärwicklung ein eigenes Magnetfeld, das dem Primärfeld entgegenwirkt – man spricht von der Rückwirkung des Sekundärstroms. Um den magnetischen Fluss im Kern aufrechtzuerhalten, muss die Primärseite sofort mit einem erhöhten Strom reagieren. Genau das geschieht automatisch: Der Primärstrom I₁ steigt an, um das Gleichgewicht im Kern wiederherzustellen. Dieses Verhalten ist vergleichbar mit einem Wasserrad: Sobald das Wasserrad belastet wird (Last), muss mehr Wasser nachfließen (höherer Primärstrom), um die Drehzahl (den Fluss) aufrechtzuerhalten.

Unter Last sinkt die Sekundärspannung U₂ gegenüber der Leerlaufspannung U₂₀ ab. Dafür gibt es zwei Ursachen: Erstens der ohmsche Spannungsabfall am Wicklungswiderstand (I₂ × R₂), zweitens der induktive Spannungsabfall an der Streuinduktivität (I₂ × X₂_σ). Die Streuinduktivität entsteht durch den Anteil des magnetischen Flusses, der nicht den Kern durchsetzt, sondern „streut“ – also die Gegenwicklung nicht erreicht. Je stärker die Last (je höher I₂), desto größer ist der Spannungsabfall und desto niedriger ist die tatsächliche Sekundärspannung U₂.

Ein wichtiges Kennzeichen ist die relative Kurzschlussspannung u_k. Sie wird im Kurzschlussversuch bestimmt: Die Sekundärseite wird kurzgeschlossen, und die Primärspannung wird langsam erhöht, bis der Nennstrom fließt. Die dabei angelegte Primärspannung (als Prozentwert der Nennspannung) ist u_k. Bei typischen Verteiltransformatoren liegt u_k zwischen 4 % und 6 %. Die Kurzschlussspannung gibt gleichzeitig Auskunft über den maximalen Spannungsabfall unter Nennlast und über den zu erwartenden Kurzschlussstrom: I_k ≈ I_N × (100 % / u_k).

Welche Verluste entstehen im Transformator?

Kein realer Transformator arbeitet verlustfrei. Die aufgenommene Primärleistung P₁ ist stets größer als die abgegebene Sekundärleistung P₂ – die Differenz wird als Verlustleistung in Wärme umgewandelt. Die Verluste lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen: Eisenverluste (auch Kernverluste) und Kupferverluste (auch Wicklungsverluste).

Die Eisenverluste P_Fe entstehen im magnetischen Kern und bestehen aus zwei Anteilen. Die Hystereseverluste resultieren aus der ständigen Ummagnetisierung des Kernmaterials bei jedem Wechsel der Feldrichtung. Man kann sich das vorstellen wie das wiederholte Biegen eines Drahtes: Bei jedem Hin- und Herbiegen wird etwas Energie in Wärme umgewandelt. Die Hystereseverluste hängen vom Kernmaterial (die Fläche der Hystereseschleife) und von der Frequenz ab. Der zweite Anteil sind die Wirbelstromverluste: Der magnetische Wechselfluss induziert im leitfähigen Kernmaterial Ströme, die in geschlossenen Kreisen fließen und das Material erwärmen. Durch die Blechung des Kerns werden diese Verluste reduziert, aber nie vollständig eliminiert. Wichtig: Die Eisenverluste sind spannungsabhängig und nahezu lastunabhängig – sie treten bei Nennspannung immer in gleicher Höhe auf, egal ob der Transformator belastet ist oder nicht.

Die Kupferverluste P_Cu entstehen durch den ohmschen Widerstand der Wicklungsdrähte. Sie berechnen sich nach der bekannten Formel P = I² × R und sind daher stark lastabhängig: Bei doppeltem Strom vervierfachen sich die Kupferverluste. Im Leerlauf sind die Kupferverluste vernachlässigbar (weil nur der kleine Leerlaufstrom fließt), bei Nennlast erreichen sie ihr Maximum.

Der Wirkungsgrad η gibt an, welcher Anteil der aufgenommenen Leistung tatsächlich an den Verbraucher abgegeben wird. Kleine Trafos (wenige VA) haben Wirkungsgrade um 85 % bis 92 %, mittlere Verteiltrafos (100 kVA bis 1000 kVA) erreichen 96 % bis 98 %, und große Leistungstrafos im MVA-Bereich kommen auf über 99 %. Der maximale Wirkungsgrad wird bei jener Belastung erreicht, bei der die Kupferverluste genau gleich den Eisenverlusten sind – denn an diesem Punkt ist die Summe der Verluste bezogen auf die Nutzleistung am geringsten.

Welche Bauformen und Anwendungen gibt es?

Transformatoren werden in einer Vielzahl von Bauformen hergestellt, die sich an die jeweiligen Einsatzanforderungen anpassen. Die grundlegendste Unterscheidung erfolgt nach der Phasenzahl: Einphasen-Transformatoren arbeiten mit einer Phase und werden in Haushaltsgeräten, der Mess- und Regeltechnik sowie für Sicherheitskleinspannung eingesetzt. Drehstrom-Transformatoren (Dreiphasen-Transformatoren) sind das Arbeitspferd der Energieversorgung und kommen in Umspannwerken, Industriebetrieben und überall dort zum Einsatz, wo große Leistungen übertragen werden müssen.

Eine besondere Bauform ist der Spartransformator (Autotransformator). Hier sind Primär- und Sekundärwicklung nicht galvanisch getrennt, sondern die Sekundärwicklung ist ein Teil der Primärwicklung (oder umgekehrt). Der Vorteil: Weniger Wicklungsmaterial, geringere Verluste und kleinere Bauform bei gleichem Übersetzungsverhältnis. Stell dir das vor wie eine Abzweigung auf einer Wasserleitung statt zwei getrennter Leitungen – du brauchst weniger Material. Der große Nachteil ist allerdings das Fehlen der galvanischen Trennung: Primär- und Sekundärseite sind elektrisch verbunden, was in vielen Anwendungen aus Sicherheitsgründen nicht zulässig ist. Spartransformatoren finden sich z. B. als Stelltransformatoren im Labor oder in der Energieübertragung bei kleinen Übersetzungsverhältnissen (z. B. 110 kV / 220 kV).

Messwandler sind spezialisierte Transformatoren für die Messtechnik. Stromwandler setzen hohe Betriebsströme (z. B. 1000 A) auf einen genormten Sekundärstrom von 5 A oder 1 A herunter, damit handelsübliche Messgeräte verwendet werden können. Die Sekundärseite eines Stromwandlers darf niemals offen betrieben werden – im Leerlauf würde die gesamte Durchflutung des Primärstroms zur Magnetisierung verwendet, was zu gefährlich hohen Spannungen an den offenen Klemmen und zur Zerstörung des Wandlers führt. Spannungswandler transformieren Hochspannungen auf die genormten Messspannungen von 100 V oder 100/√3 V herunter.

Trenntransformatoren (ü = 1) dienen der galvanischen Trennung. Sie werden in der Medizintechnik (OP-Säle, Intensivstationen), in Labors und auf Baustellen eingesetzt, um Patienten bzw. Personen vor gefährlichen Berührungsspannungen zu schützen. In der Medizintechnik arbeiten sie zusammen mit Isolationsüberwachungsgeräten, die einen ersten Isolationsfehler erkennen und melden, ohne dass es zu einer Abschaltung kommt.

Wie wird ein Transformator sicher betrieben und geprüft?

Der sichere Betrieb eines Transformators beginnt bei der richtigen Dimensionierung und Installation und erfordert regelmäßige Prüfungen gemäß den österreichischen Vorschriften. Ein Transformator ist eine elektrische Anlage im Sinne der ÖVE/ÖNORM E 8001, und seine Errichtung, sein Betrieb und seine Prüfung unterliegen der Elektroschutzverordnung (ESV 2012). Für Arbeiten an oder in der Nähe von Transformatoren gelten die Regeln der ÖVE/ÖNORM EN 50110 (Betrieb von elektrischen Anlagen).

Jeder Transformator trägt ein Leistungsschild (Typenschild), das alle wesentlichen Betriebsdaten enthält. Man kann das Typenschild als „Ausweis“ des Transformators betrachten – ohne es ist eine sichere Inbetriebnahme und ein korrekter Betrieb nicht möglich. Die wichtigsten Angaben sind: Bemessungsleistung in VA oder kVA, Primär- und Sekundärspannung, Frequenz, Schaltgruppe (bei Drehstromtrafos), Kurzschlussspannung u_k, Isolationsklasse und Kühlungsart.

Die Kühlung des Transformators ist entscheidend für seine Lebensdauer. Die Wicklungsisolation altert bei Übertemperatur exponentiell schneller – als Faustregel gilt: 10 °C Übertemperatur halbieren die Lebensdauer der Isolation. Trockentransformatoren (Kühlung durch Luft) werden mit Buchstaben wie AN (Air Natural = natürliche Luftkühlung) oder AF (Air Forced = Zwangsbelüftung) gekennzeichnet. Öltransformatoren tragen Bezeichnungen wie ONAN (Oil Natural Air Natural = natürliche Ölumwälzung und Luftkühlung) oder ONAF (Oil Natural Air Forced = mit Ventilatoren).

Vor der Inbetriebnahme und in regelmäßigen Abständen werden Transformatoren geprüft. Die Erstprüfung nach ÖVE/ÖNORM E 8001 umfasst die Sichtprüfung (Zustand des Kessels, Ölstand, Anschlüsse, Erdung), die Messung des Isolationswiderstands, die Kontrolle der Schutzmaßnahmen und die Überprüfung der Schutzeinrichtungen (Sicherungen, Buchholzrelais bei Öltrafos). Bei Öltransformatoren wird zusätzlich die Ölqualität geprüft (Durchschlagfestigkeit, Wassergehalt, Säurezahl). Das Buchholzrelais ist ein gasbetätigtes Schutzrelais, das bei internen Fehlern im Öltrafo – wie Lichtbogen, Windungsschluss oder Ölzersetzung – entstehende Gase sammelt und bei kritischer Gasmenge den Transformator abschaltet.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist der Schutz gegen Berühren spannungsführender Teile. Transformatoren mit Spannungen über 50 V AC müssen gegen direktes Berühren geschützt sein – durch Gehäuse, Abdeckungen oder ausreichende Abstände gemäß der ESV 2012. Bei Freilufttransformatoren in Umspannwerken werden die Sicherheitsabstände durch Zäune und Absperrungen sichergestellt.