Ein Transformator (von ‚umformen, umwandeln‘; auch Umspanner, kurz Trafo) ist ein Bauelement der Elektrotechnik. Er besteht meist aus zwei oder mehr Spulen (Wicklungen), die in der Regel aus isoliertem Kupferdraht gewickelt sind und sich auf einem gemeinsamen Eisenkern befinden. Ein Transformator wandelt eine Eingangswechselspannung, die an einer der Spulen angelegt ist, in eine Ausgangswechselspannung um, die an der anderen Spule abgegriffen werden kann. Dabei entspricht das Verhältnis von Eingangs- und Ausgangsspannung dem Verhältnis der Windungsanzahlen der beiden Spulen. So wird zum Beispiel bei einem Windungsverhältnis von 20 zu 1 eine Eingangsspannung von 240 Volt in eine Ausgangsspannung von 12 Volt transformiert. Je nach Auslegung des Transformators kann die Ausgangsspannung somit kleiner, größer oder gleich der Eingangsspannung sein.
Transformatoren dienen vielfach zur Spannungswandlung in Energieversorgungsanlagen und in technischen Geräten, dabei insbesondere in Netzteilen zur Bereitstellung von Kleinspannungen in vielen Arten von elektrischen und elektronischen Geräten. Weiterhin werden sie bei der Signalübertragung und der Schutztrennung benötigt.
Geschichte mini|1885: Transformator von Zipernowsky, Déri und Bláthy mini|Patentzeichnung von William Stanley 1886 Obwohl das Induktionsprinzip seit den Entdeckungen Michael Faradays von 1831 bekannt war, wurde der Transformator erst 44 Jahre später entwickelt. Pawel Nikolajewitsch Jablotschkow entwickelte 1875 eine verbesserte Form der Kohlebogenlampe und verwendete für deren Betrieb Induktionsspulen, die prinzipiell einen Transformator darstellten.NATIONAL HIGH MAGNETIC FIELD LABORATORY USA – The Stanley Transformer – 1886 (englisch) Er beschäftigte sich jedoch nicht weiter mit diesen Geräten. Lucien Gaulard und John Dixon Gibbs stellten 1881 einen Transformator in London aus und 1882 wurde ihnen dafür das englische Patent Nr. 4362 zuerkannt.VDE „Chronik der Elektrotechnik – Transformator“ Der Begriff Transformator war zur damaligen Zeit noch nicht üblich; die Geräte wurden als Sekundär-Generator bezeichnet. Davon leitet sich die bis heute übliche Zuordnung der Transformatoren zum Bereich der elektrischen Maschinen ab.Borns: Beleuchtung mittels sekundärer Generatoren. In: Elektrotechnische Zeitung. Nr. 5, 1884, S. 77–78. Károly Zipernowsky, Miksa Déri und Ottó Titusz Bláthy (alle drei Ungarn) erhielten 1885 ein Patent auf den Transformator. Dieser war mechanisch nach dem umgekehrten Prinzip der heutigen Transformatoren aufgebaut; die Leiterspulen waren um einen festen Kern aus unmagnetischem Material gewunden, darüber wurden dicke Eisendraht-Lagen gelegt, die eine ferromagnetische Schale bildeten. Dieser Transformator wurde vom Unternehmen Ganz & Cie aus Budapest weltweit vertrieben.
Wesentlichen Anteil an der Verbreitung des Wechselstromsystems und mit ihm des Transformators hatte der Amerikaner George Westinghouse. Er erkannte die Nachteile der damals von Thomas A. Edison betriebenen und favorisierten Energieverteilung mittels Gleichstrom und setzte stattdessen auf Wechselstrom (vgl. Stromkrieg). 1885 erwarb Westinghouse die Patentrechte von Gaulard und Gibbs und importierte eine Anzahl von deren Sekundär-Generatoren sowie einen Generator von Siemens. Damit baute er in Pittsburgh ein Stromnetz mit Wechselspannung für die elektrische Beleuchtung. William Stanley führte im gleichen Jahr als Chefingenieur von Westinghouse in Pittsburgh wesentliche Verbesserungen an Lucien Gaulards und John Gibbs’ Gerät durch. Westinghouse installierte 1886 in Great Barrington, Massachusetts, einen Wechselspannungsgenerator, dessen 500 V Wechselspannung zur Verteilung auf 3.000 V hochtransformiert und zum Betrieb der elektrischen Beleuchtung an den Anschlussstellen wieder auf 100 V heruntertransformiert wurde. Der wachsende Einsatz von Transformatoren führte in Verbindung mit der Schaffung von Wechselstromnetzen zum weltweiten Fortschreiten der Elektrifizierung.
Michail Dolivo-Dobrowolski entwickelte Anfang der 1890er-Jahre bei der AEG in Berlin den ersten Transformator für dreiphasigen Wechselstrom und führte den Begriff Drehstrom ein.VDE-Website - Dolivo-DobrowolskyGerhard Neidhöfer: Michael von Dolivo-Dobrowolsky und der Drehstrom. Anfänge der modernen Antriebstechnik und Stromversorgung. VDE-Buchreihe Geschichte der Elektrotechnik Band 9, 2. Auflage. VDE VERLAG, Berlin/Offenbach, ISBN 978-3-8007-3115-2. Sein Drehstromtransformator wurde 1891, auf Anregung von Oskar von Miller, für die erste Fernübertragung elektrischer Energie mit Dreiphasenwechselstrom eingesetzt. Die Leitung ging am 24. August 1891 zwischen Lauffen am Neckar und der Internationalen Elektrotechnischen Ausstellung im 175 km entfernten Frankfurt am Main in Betrieb. Die in einem Wasserkraftwerk erzeugte Spannung von 50 V wurde zur Übertragung auf 15 kV hochtransformiert.
Bereits 1888 veröffentlichte der Münchner Elektroingenieur Friedrich Uppenborn ein Buch zur Geschichte des Transformators.Friedrich Uppenborn: Geschichte der Transformatoren. München/Leipzig 1888. Englische Übersetzung 1889 als History of The Transformer. In: Open Library ((Volltext bei Open Library)) Gisbert Kapp erarbeitete bis 1907 die Grundlagen für die Berechnung und den Bau von Transformatoren.Gisbert Kapp: Transformatoren für Wechselstrom und Drehstrom: Eine Darstellung ihrer Theorie, Konstruktion und Anwendung. Berlin 1907 ((Volltext bei Open Library)).
Grundprinzip mini|Prinzipskizze eines Transformators Idealtypisch besteht ein Transformator aus einem magnetischen Kreis, welcher als Transformatorkern bezeichnet wird und mindestens zwei stromdurchflossene Wicklungen hat. Die der elektrischen Energiequelle zugewandte Wicklung wird als Primärseite bezeichnet. Diejenige, an welcher sich die elektrische Last befindet, wird als Sekundärseite bezeichnet.
Die Wirkungsweise lässt sich durch die folgenden Mechanismen beschreiben:Karl Küpfmüller, Wolfgang Mathis, Albrecht Reibiger: Kapitel 29.3 Der Transformator In: Theoretische Elektrotechnik, Eine Einführung. 17. Auflage, ISBN 3-540-29290-X (). Eine Wechselspannung auf der Primärseite des Transformators bewirkt entsprechend dem Induktionsgesetz einen wechselnden magnetischen Fluss im Kern. Der wechselnde magnetische Fluss wiederum induziert auf der Sekundärseite des Transformators eine Spannung (Spannungstransformation). Ein Wechselstrom in der Sekundärwicklung bewirkt dem Ampèreschen Gesetz entsprechend einen Wechselstrom in der Primärwicklung (Stromtransformation).
Bei niedriger Wechselstromfrequenz wird typischerweise ein Eisenkern aus einem ferromagnetischen Material hoher Permeabilität verwendet. Damit können gegenüber Transformatoren ohne Eisenkern hohe magnetische Wechselflussdichten und damit eine wesentlich höhere Windungsspannung erzielt werden, was gewährleistet, dass die übertragbare Leistung groß ist im Vergleich zur Verlustleistung, die durch den ohmschen Widerstand in den Wicklungen entsteht. Einfach ausgedrückt, benötigt ein Transformator mit Eisenkern wesentlich weniger Windungen auf den Wicklungen als ein Trafo ohne Eisenkern.
Zum magnetischen Fluss im Unterpunkt 1 gehört ein Magnetfeld, welches ähnlich wie in einem Elektromagneten einen Stromfluss in der Primärspule bedingt. Der zum Aufbau des magnetischen Feldes benötigte Strom heißt Magnetisierungsstrom. Der Primärstrom, der entsprechend Unterpunkt 2 von der Stromtransformation herrührt, heißt primärer Zusatzstrom. Er fließt zusätzlich zum Magnetisierungsstrom und ist in der Regel als Wirkstrom wesentlich größer als dieser.
Funktionsweise
Idealer Transformator mini|3D-Zeichnung eines typischen Netztransformators. Die innere Wicklung ist für Netzspannung (die Speisespannung) ausgelegt – erkennbar an der großen Windungszahl aus dünnem Draht. An der äußeren Wicklung wird die Ausgangsspannung entnommen. Sie ist meist wesentlich geringer und erfordert daher eine kleinere Windungszahl – der Strom ist jedoch höher, daher ist die Drahtdicke größer. Der Trafokern besteht aus dünnen Eisenblechen, die, um Wirbelströme zu vermeiden, gegeneinander isoliert sind.
Unter einem idealen Transformator versteht man einen in der Praxis nicht realisierbaren, verlustfreien Transformator. Dabei werden die Widerstände R1 und R2 der Primär- beziehungsweise Sekundärwicklung mit R1 = R2 = 0 Ω angenommen. Ebenso wird angenommen, dass keine Streuung des magnetischen Flusses stattfindet. Diese Modellvorstellung ist hilfreich bei der Funktionsbeschreibung. In der Praxis treten mehr oder weniger große Abweichungen auf, die Gesetzmäßigkeiten gelten nur näherungsweise.
Beim idealen Transformator sind die Spannungen an den Wicklungen aufgrund der elektromagnetischen Induktion proportional zur Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses und zur Windungszahl der Wicklung. Daraus folgt, dass sich die Spannungen so zueinander verhalten wie die Windungszahlen. Sind N1, N2, U1 und U2 die Windungszahlen beziehungsweise die Effektivwerte der primär- und sekundärseitigen Spannungen, so gilt beim idealen Transformator
bzw.
Das Verhältnis von Windungszahlen, beziehungsweise der primär- und sekundärseitigen Spannungen, wird auch als Übersetzungsverhältnis ü bezeichnet:
bzw.
Durch geeignete Wahl des Übersetzungsverhältnisses ü, also der Windungszahlen N1 und N2, können mit einem Transformator Wechselspannungen sowohl hochtransformiert werden, indem ü kleiner 1 gewählt wird, oder heruntertransformiert, wenn ü größer 1 gewählt ist.
Aus der Annahme eines idealen Transformators ergibt sich, dass die Verlustleistung eines idealen Transformators Null ist. Er hat einen Wirkungsgrad von η = 100 %. Damit muss die einem idealen Transformator zugeführte Leistung P1 gleich der abgegebenen Leistung P2 sein:
bzw.
Daraus wiederum kann man das Stromübersetzungsverhältnis des idealen Transformators bestimmen. Die Ströme verhalten sich umgekehrt proportional zum Übersetzungsverhältnis:
Da man nun die Strom- und Spannungsverhältnisse am idealen Transformator kennt, kann man weiterhin das Übersetzungsverhältnis von Wechselstromimpedanzen durch den idealen Transformator bestimmen:
Das heißt, ein idealer Transformator transformiert eine Wechselstromimpedanz quadratisch mit dem Übersetzungsverhältnis.
Wird an die sekundäre Wicklung ein Verbraucher angeschlossen, so entnimmt dieser der Sekundärspule elektrische Energie. Dabei kommt ein Strom auf der Sekundärseite zustande und der Primärstrom vergrößert sich. Im Gegensatz zu den Spannungen an den Wicklungen sind die Ströme in den Wicklungen jedoch entgegengesetzt gerichtet: Wenn der Primärstrom bezogen auf den Kern rechtsherum durch die Spule fließt, fließt der Sekundärstrom linksherum und umgekehrt (Lenzsche Regel). Physikalisch lässt sich der gegensinnige Stromfluss mit dem Durchflutungssatz erklären. Dabei wird davon ausgegangen, dass die von der Primärspannung U1 erzeugte Flussdichte B im Kern nur endlich große Werte annimmt und dass die Permeabilitätszahl μr des Kerns sehr groß ist. Unter diesen Umständen wird die magnetische Feldstärke H im Kern so klein, dass sie nahezu vernachlässigbar ist (H → 0) und die Anwendung des Durchflutungssatzes auf einen Integrationsweg entlang des Kernes ergibt:
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Die gegensinnige Flussrichtung des Stromes wird im Schaltbild durch den aus dem Transformator herausgerichteten Strompfeil I2 gekennzeichnet.
Realer Transformator
Ideale Transformatoren sind praktisch nicht realisierbar. Ein realer Transformator unterscheidet sich u. a. folgendermaßen vom idealen Transformator: Die Wicklungen haben Widerstände und parasitäre Kapazitäten; im Eisenkern treten Wirbelstrom- und Ummagnetisierungs-Verluste auf nicht der gesamte magnetische Fluss, den die Primärwicklung erzeugt, führt auch durch die Sekundärwicklung; es tritt ein Streufluss auf. Daher entspricht das Spannungsverhältnis der Wicklungen auch im Leerlauf nicht exakt deren Windungszahlenverhältnis.