Transformator
Transformatoren begegnen uns überall: im Umspannwerk, in der Trafostation eines Industriebetriebs und im Ladegerät für das Smartphone. Ohne sie wäre eine wirtschaftliche Stromversorgung über weite Strecken nicht möglich.
In diesem Beitrag erläutern wir, wie ein Transformator funktioniert und wie man seine Spannungen und Ströme berechnet.
Was ist ein Transformator?
Haben Sie gewusst, dass Strom auf seinem Weg vom Kraftwerk bis zur Steckdose mehrfach die Spannung wechselt? Möglich macht das der Transformator, oft kurz „Trafo“ genannt. Er wandelt Wechselspannung in eine höhere oder niedrigere Wechselspannung um.
Zwei Arten von Transformatoren können unterschieden werden:
- Aufwärtstransformatoren erhöhen die Spannung. Sie werden z.B. in Kraftwerken eingesetzt, damit der Strom mit geringen Verlusten über Hochspannungsleitungen transportiert werden kann.
- Abwärtstransformatoren verringern die Spannung. Sie bringen die Spannung z.B. in Trafostationen auf die Niederspannung von 400 V bzw. 230 V, die in Gebäuden und Betrieben genutzt wird.
Transformatoren funktionieren nur mit Wechselstrom. Bei Gleichstrom entsteht kein sich änderndes Magnetfeld, und es wird keine Spannung übertragen.
Wie funktioniert ein Transformator?
Ein Transformator besteht aus zwei Spulen, die auf einem gemeinsamen Eisenkern sitzen. Fließt durch die erste Spule ein Wechselstrom, entsteht im Kern ein sich ständig änderndes Magnetfeld. Dieses Feld induziert in der zweiten Spule eine Spannung. Die beiden Spulen sind dabei elektrisch nicht miteinander verbunden.
Die Primärwicklung ist die Spule, an der die Eingangsspannung anliegt. Sie nimmt die Energie aus dem Netz auf.
Die Sekundärwicklung ist die Spule, an der die umgewandelte Ausgangsspannung abgenommen wird. Wie hoch diese Spannung ist, hängt vom Verhältnis der Windungszahlen ab.
Der magnetische Fluss im Eisenkern verbindet beide Wicklungen miteinander.
Lesetipp: In unserem Glossar erklären wir den Unterschied zwischen Gleichstrom und Wechselstrom.
Warum ist der Transformator wichtig?
Hohe Spannungen ermöglichen den Transport großer Leistungen bei geringen Strömen und damit bei geringen Verlusten. Für die Nutzung in Gebäuden und Anlagen muss die Spannung wieder sicher heruntertransformiert werden. Transformatoren sind deshalb das Bindeglied zwischen den Spannungsebenen des Stromnetzes.
Auf der Niederspannungsseite großer Transformatoren fließen sehr hohe Ströme. Die Verbindung zur Hauptverteilung muss diese Ströme sicher führen und eine hohe Kurzschlussfestigkeit aufweisen. Hier kommen häufig Schienenverteiler zum Einsatz.
Formeln und Berechnung
Beim idealen Transformator verhalten sich die Spannungen wie die Windungszahlen der Spulen:
U₁ / U₂ = N₁ / N₂
Dabei ist U₁ die Primärspannung, U₂ die Sekundärspannung, N₁ die Windungszahl der Primärspule und N₂ die Windungszahl der Sekundärspule. Für die Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis:
I₁ / I₂ = N₂ / N₁
Wird die Spannung also heruntergesetzt, steigt der Strom entsprechend an. Bei einem Drehstromtransformator lässt sich der Nennstrom auf der Niederspannungsseite aus der Scheinleistung berechnen:
I = S / (√3 ⋅ U)
Ein Beispiel: Ein Transformator mit 1.000 kVA liefert bei 400 V einen Nennstrom von rund 1.440 A.
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Transformatoren sind unverzichtbar für die elektrische Energieversorgung. Sie passen die Spannung an den jeweiligen Einsatzzweck an und ermöglichen so eine sichere und effiziente Übertragung. Für die anschließende Verteilung der hohen Ströme ist eine leistungsfähige Energieverteilung entscheidend.
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