Transformator – Aufbau und Funktion

Strom aus dem Kraftwerk kommt mit einer Spannung an, die zur Übertragung optimiert ist — nicht zum direkten Anschluss eines Radios. Genau hier setzt der Transformator an: Er passt eine Wechselspannung an die jeweils gebrauchte Höhe an. Eine Spule mit vielen Windungen auf der einen Seite, eine mit wenigen auf der anderen, ein gemeinsamer Eisenkern — das ist die ganze Maschine.

Zwei Aufgaben übernimmt er gleichzeitig:

• Spannungsanpassung. Hochspannung im Übertragungsnetz reduziert Leitungsverluste, weil bei gleicher übertragener Leistung der Strom kleiner ist. Im Haushalt braucht man dagegen 230 V, ein Smartphone-Ladegerät 5 V. Der Trafo ist das Werkzeug für diesen Wechsel.
• Galvanische Trennung. Primär- und Sekundärseite sind elektrisch nicht verbunden — die Energie geht über das Magnetfeld. Das ist die Grundlage für viele Schutzmaßnahmen, etwa beim Sicherheits- oder Trenntrafo.

Beides geht aber nur mit Wechselspannung. Eine Gleichspannung treibt zwar einen Strom durch die Primärwicklung, dieser baut ein konstantes Magnetfeld auf — und dann passiert nichts mehr. Induziert wird nur bei einer Änderung des Flusses, und die liefert eben erst der ständige Polaritätswechsel der Wechselspannung.

Ein Transformator besteht aus drei wesentlichen Teilen: einem Eisenkern und mindestens zwei Wicklungen. Mehr ist es im Prinzip nicht — der Rest ist Mechanik, Isolation und Gehäuse.

Der Eisenkern führt den magnetischen Fluss von der einen Wicklung zur anderen. Verwendet wird ein weichmagnetischer Werkstoff — meist Dynamoblech, eine Eisen-Silizium-Legierung mit etwa 3 bis 4 Prozent Silizium. Weichmagnetisch heißt: Das Material lässt sich leicht ummagnetisieren, behält also keine nennenswerte Restmagnetisierung. Das ist wichtig, weil sich die Polarität bei 50 Hz hundertmal pro Sekunde umkehrt — jedes Restfeld würde Energie kosten.

Der Kern ist nicht massiv, sondern aus dünnen Blechen geschichtet, typisch 0,3 bis 0,5 mm dick. Jedes einzelne Blech ist zur Nachbarschicht hin elektrisch isoliert (Lack oder Phosphatierung). Der Sinn dieser Bauweise — Wirbelströme klein zu halten — wird in Kapitel 5 ausführlich behandelt.

Die Wicklungen bestehen aus Kupferlackdraht. Die Primärwicklung hängt an der Eingangsspannung, die Sekundärwicklung gibt die transformierte Spannung an den Verbraucher ab. Welche Wicklung welche ist, hängt nur davon ab, wo man einspeist — der Aufbau ist symmetrisch. Bei Anpassung an die Last muss die Wicklung mit dem höheren Strom (also der niedrigeren Spannung) einen größeren Drahtquerschnitt haben, sonst überhitzt sie.

Die Klemmen werden so bezeichnet, dass Oberspannung und Unterspannung auseinandergehalten werden können. Üblich sind Großbuchstaben für die Oberspannungsseite (U, V) und Kleinbuchstaben für die Unterspannungsseite (u, v). Das verhindert Verwechslungen bei Anschluss und Wartung.

Bauformen: Kerntransformator und Manteltransformator

Beim Kerntransformator sitzt auf jedem der beiden Schenkel eine Wicklung — Primär auf dem einen, Sekundär auf dem anderen. Aufbau einfach, Wicklungen leicht zugänglich, dafür etwas größerer Streufluss (Flussanteile, die nicht durch beide Wicklungen gehen).

Beim Manteltransformator wird der Kern als „liegende 8″ ausgeführt: drei Schenkel, beide Wicklungen sitzen ineinandergeschachtelt auf dem Mittelschenkel. Der Fluss teilt sich symmetrisch auf die beiden äußeren Schenkel auf, der magnetische Kreis ist enger geschlossen, der Streufluss kleiner. Standardbauform bei Netztrafos kleiner und mittlerer Leistung.

Beim Kerntrafo läuft der ganze Fluss durch beide Wicklungen — einfache, geschlossene Bahn. Beim Manteltrafo teilt sich der Fluss vom Mittelschenkel auf die beiden Außenschenkel auf (jeweils Φ/2), kehrt dann durch das obere und untere Joch zurück.

Wie kommt die Energie von Primär nach Sekundär, ohne dass beide Wicklungen elektrisch verbunden sind? Antwort: über das gemeinsame Magnetfeld.

Liegt an der Primärwicklung eine Wechselspannung U₁ an, fließt durch sie ein Wechselstrom. Dieser Strom baut nach dem Durchflutungsgesetz ein magnetisches Feld auf — und weil der Eisenkern dieses Feld bündelt und kanalisiert, entsteht ein Wechselfluss Φ im Kern. Der ändert sich im selben Rhythmus wie die Primärspannung: 50-mal pro Sekunde sein Maximum, 50-mal sein Minimum, dazwischen alle Werte.

Dieser Fluss läuft im Eisenkern auch durch das Innere der Sekundärwicklung. Dort gilt das Induktionsgesetz: Eine zeitliche Änderung des Flusses induziert in jeder Windung eine Spannung. Bei N₂ Windungen addieren sich diese Einzelspannungen zur Sekundärspannung U₂.

Beide Wicklungen sehen denselben Fluss — denn er läuft durch denselben Eisenkern. Die induzierte Spannung pro Windung ist also auf beiden Seiten gleich. Daraus folgt direkt das Übersetzungsverhältnis:

Mehr Windungen auf der Primärseite als auf der Sekundärseite ergibt einen Abwärtstransformator (ü > 1, U₂ < U₁). Umgekehrt ergibt ein Aufwärtstrafo (ü < 1) eine höhere Sekundär- als Primärspannung.

Wichtig dabei: Die Polarität des Flusses kehrt sich periodisch um — die Pfeile im Bild zeigen nur eine Momentaufnahme. Eine halbe Periode später laufen sie in die andere Richtung.

Was nicht in diesem Beitrag behandelt wird: konkrete Berechnungsbeispiele und das Verhalten der Ströme (I₁/I₂ = N₂/N₁) sowie die Bauleistung. Das findet sich im eigenen Beitrag Einphasentransformator – Übersetzungsverhältnis und Berechnungen.

Bisher wurde das Übersetzungsverhältnis hergeleitet, als wäre der Trafo unbelastet. Was passiert nun, wenn man auf der Sekundärseite einen Verbraucher anschließt? Und wie verhält sich der Trafo, solange dort nichts hängt?

Leerlauf

Im Leerlauf ist die Sekundärwicklung offen — es fließt sekundärseitig kein Strom. Primärseitig fließt aber sehr wohl ein kleiner Strom, der Magnetisierungsstrom. Er ist nötig, um den Wechselfluss im Kern überhaupt aufzubauen. Außerdem fließt ein Anteil zur Deckung der Eisenverluste (die in Kapitel 5 behandelt werden).

Der Leerlaufstrom liegt bei kleinen Trafos bei einigen Prozent des Nennstroms — er „lebt“ also auch ohne Last und braucht eine gewisse Grundaufnahme. Wer einen kleinen Netztrafo nachts am Netz hängen lässt, zahlt diese Magnetisierung dauerhaft mit.

Belastung

Schließt man auf der Sekundärseite einen Verbraucher an, fließt durch die Sekundärwicklung ein Strom I₂. Dieser Strom erzeugt seinerseits ein eigenes Magnetfeld — und zwar so gerichtet, dass es dem Primärfluss entgegenwirkt. Es will den Kernfluss schwächen.

Was geschieht jetzt? Die Primärspannung liegt weiter unverändert an. Damit der induzierte Spannungsabfall in der Primärwicklung der angelegten Spannung weiterhin das Gleichgewicht hält, muss der Fluss im Kern ungefähr seinen ursprünglichen Wert behalten. Also zieht die Primärseite automatisch mehr Strom — gerade so viel, dass dessen Magnetfeld den Gegenfluss der Sekundärseite kompensiert. Das passiert von selbst, ohne Regelung, allein durch das physikalische Gleichgewicht.

Anschaulich gesagt: Die Sekundärseite nimmt sich, was sie braucht, und die Primärseite liefert nach. Ein leerlaufender Trafo zieht wenig Strom, ein voll belasteter zieht primärseitig den Nennstrom — das alles geschieht nur, weil ein Verbraucher sekundärseitig „nachfragt“.

Ein realer Trafo gibt sekundärseitig weniger Leistung ab, als er primär aufnimmt — ein kleiner Teil bleibt unterwegs. Diese Differenz nennt man Verlustleistung P_v. Sie zerfällt in zwei Gruppen, die sich physikalisch sauber trennen lassen.

Eisenverluste — lastunabhängig

Eisenverluste entstehen im Kern und treten schon im Leerlauf auf. Sie hängen von der Wechselspannung und ihrer Frequenz ab, aber praktisch nicht von der Belastung. Zwei Effekte:

Hystereseverluste. Ein Trafokern wird 100-mal pro Sekunde ummagnetisiert (bei 50 Hz, je halbe Periode einmal). Jeder Ummagnetisierungszyklus kostet Energie — sichtbar als Fläche der Hystereseschleife. Weichmagnetisches Dynamoblech hat eine schmale Schleife und damit kleine Hystereseverluste.

Wirbelstromverluste. Der Wechselfluss induziert nicht nur in den Wicklungen Spannungen — auch im leitfähigen Eisen selbst. Diese induzierten Spannungen treiben Ströme durch den Kern, die sogenannten Wirbelströme. Sie erwärmen den Kern, ohne irgendeinen Nutzen.

Genau dagegen ist der Kern geblecht: Statt eines massiven Eisenblocks ein Stapel dünner, gegeneinander isolierter Bleche. Die Wirbelströme können sich nur innerhalb jedes einzelnen Blechs ausbilden — ihre Wege werden kurz, ihr Wert klein. Je dünner die Bleche, desto kleiner die Wirbelstromverluste; daher die typischen 0,3 bis 0,5 mm.

Kupferverluste — lastabhängig

In den Wicklungen fließt ein Strom durch einen ohmschen Widerstand. Daraus folgt unvermeidlich Wärme: P_Cu = I² · R. Diese Verluste hängen quadratisch vom Strom ab — und damit von der Last. Im Leerlauf praktisch null, bei Volllast am größten.

Zusammengefasst:

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der primär aufgenommenen Leistung sekundärseitig wieder herauskommt:

Es gilt außerdem P₁ = P₂ + P_v, also lässt sich der Wirkungsgrad ebenso aus den Verlusten berechnen.

Typische Wirkungsgrade:

• kleine Klingel- oder Steckertrafos: 70 bis 85 %
• mittlere Netztrafos: 90 bis 96 %
• große Verteil- und Leistungstransformatoren: 98 bis 99,5 %

Der Grund für den Größeneinfluss: Bei großen Trafos wächst die Leistung schneller als die Verluste, weil das Verhältnis Oberfläche zu Volumen günstiger wird und konstruktiv mehr Aufwand in Verlustreduktion gerechtfertigt ist.

Die bisherigen Kapitel zeigen das Grundprinzip. In der Praxis tritt der Trafo in verschiedenen Spezialbauformen auf — alle nutzen das gleiche Funktionsprinzip, sind aber für unterschiedliche Aufgaben optimiert.

• Netz- und Verteiltransformator. Sitzt in Trafostationen zwischen den Spannungsebenen des Versorgungsnetzes. Typische Leistung von wenigen kVA bis mehrere MVA. Bei den größeren Bauformen wird der Kern mitsamt Wicklungen in Öl getaucht — das Öl isoliert elektrisch und führt gleichzeitig die Verlustwärme an die Außenwand ab.
• Klingel- und Sicherheitstransformator. Wandelt 230 V auf Kleinspannung (typisch 8, 12 oder 24 V) für klingel-, beleuchtungs- oder hobbytaugliche Anwendungen. Charakteristisch: verstärkte Isolation zwischen Primär- und Sekundärwicklung. Die Sekundärspannung gilt als Schutzkleinspannung (SELV), solange sie 50 V Wechselspannung nicht übersteigt. Eine Berührung der Sekundärseite ist dann ungefährlich.
• Trenntransformator. Übersetzungsverhältnis 1:1 — also gleiche Spannung primär wie sekundär. Sein Zweck ist allein die galvanische Trennung. Eingesetzt wird er an Messplätzen, in Werkstätten zur Schutztrennung oder zur Versorgung medizinischer Geräte. Wer „erdfrei“ arbeiten muss (etwa beim Messen an netzgespeisten Schaltungen), kommt ohne Trenntrafo kaum aus.
• Spartransformator. Hat nur eine einzige Wicklung mit einer Anzapfung. Primär- und Sekundärseite teilen sich einen Wicklungsabschnitt — daraus folgt keine galvanische Trennung. Dafür ist der Spartrafo bei gleicher Leistung kleiner und billiger als ein klassischer Zweiwicklungstrafo, besonders bei Übersetzungsverhältnissen nahe 1. Verwendung beispielsweise als Anlasstrafo für große Motoren oder als Stellgerät (Stelltrafo) im Labor.
• Strom- und Spannungswandler. Spezialtrafos der Messtechnik. Stromwandler haben primärseitig oft nur eine einzige Windung (oder einen durchgezogenen Leiter) und sekundärseitig viele — sie reduzieren hohe Ströme auf messbare 5 oder 1 A. Spannungswandler reduzieren Hochspannung auf typisch 100 V. Beides erlaubt Messung in Hochspannungsanlagen, ohne mit dem Messgerät direkt auf der Hochspannungsebene zu hängen.
• Drehstromtransformator. Für die Übertragung in Drehstromnetzen. Drei Wicklungspaare auf einem gemeinsamen dreischenkligen Kern, je nach Schaltgruppe (Stern, Dreieck, Zickzack) ergeben sich verschiedene Spannungs- und Stromverhältnisse. Mehr dazu im Beitrag Drehstromtransformator und Schaltgruppen.