Transformator
Abkürzung: Trafo
Ein Transformator besteht aus zwei oder mehr Wicklungen auf einem gemeinsamen Eisenkern. Fließt Wechselstrom durch die Primärwicklung, erzeugt er im Kern ein wechselndes Magnetfeld, das in der Sekundärwicklung eine Spannung induziert. Das Verhältnis der Windungszahlen bestimmt das Verhältnis der Spannungen:
U₁ / U₂ = N₁ / N₂
Ein Trafo mit 1.000 Windungen primär und 50 sekundär setzt 230 V auf 11,5 V herab. Der Strom verhält sich umgekehrt: Was an Spannung sinkt, steigt an Strom. Die Leistung bleibt bis auf die Verluste gleich.
Weil das Prinzip auf einem wechselnden Magnetfeld beruht, funktioniert es nur mit Wechselstrom. Gleichstrom lässt sich mit einem Transformator nicht umspannen.
Verluste
| Verlust | Ursache | Wann |
|---|---|---|
| Leerlaufverluste | Ummagnetisierung und Wirbelströme im Eisenkern | immer, sobald Spannung anliegt |
| Lastverluste | Widerstand der Wicklungen | steigen mit dem Quadrat des Stroms |
Große Transformatoren erreichen Wirkungsgrade über 99 %. Weil aber alle Energie aus dem Netz durch mehrere Trafos fließt, summieren sich die Verluste. Die EU schreibt mit der Ökodesign-Verordnung (EU) Nr. 548/2014 Höchstwerte für Leerlauf- und Lastverluste vor; seit dem 1. Juli 2021 gilt deren zweite, strengere Stufe.
Im Stromnetz
Strom wird über weite Strecken mit hoher Spannung übertragen, weil bei gleicher Leistung weniger Strom fließt und die Leitungsverluste sinken. Transformatoren verbinden die Netzebenen:
| Netzebene | Spannung in Deutschland |
|---|---|
| Höchstspannung | 220 und 380 kV |
| Hochspannung | 110 kV |
| Mittelspannung | meist 10 bis 30 kV |
| Niederspannung | 400/230 V |
Zwischen Mittel- und Niederspannung sitzen die Verteiltransformatoren in Ortsnetzstationen, Industriebetrieben und Rechenzentren.
Im Rechenzentrum
Große Rechenzentren werden an Mittel- oder Hochspannung angeschlossen. Hinter der Mittelspannungsschaltanlage setzen Transformatoren die Spannung auf 400 V herab, von dort geht es über Niederspannungshauptverteilung und USV zu den Racks. Jeder Transformator versorgt einen Strompfad; bei 2N-Auslegung gibt es zwei unabhängige Sätze.
In Gebäuden werden meist Gießharztransformatoren eingesetzt: Ihre Wicklungen sind in Kunstharz eingegossen, sie kommen ohne Öl aus und sind damit brandschutztechnisch einfacher. Öltransformatoren sind günstiger und kompakter, brauchen aber Auffangwannen und stehen eher im Freien oder in eigenen Räumen.
Kleine Transformatoren
Im Kleinen steckt das Prinzip in klassischen Netzteilen, Klingeltrafos und Halogen-Trafos. Moderne Schaltnetzteile nutzen ebenfalls einen Transformator, betreiben ihn aber mit hoher Frequenz — dadurch wird er viel kleiner. In der Nachrichtentechnik trennen Übertrager Signale galvanisch, etwa in jedem Ethernet-Port.
Normen
- DIN EN 60076 – Leistungstransformatoren
- DIN EN 50588 – Transformatoren mittlerer Leistung (50 Hz), höchste Spannung für Betriebsmittel nicht über 36 kV