Ein Transformator ändert die Spannung von Wechselstrom, ohne die Frequenz zu verändern. Er nutzt dafür elektromagnetische Induktion: Eine Wechselspannung an der Primärwicklung erzeugt ein magnetisches Wechselfeld im Eisenkern, das in der Sekundärwicklung wieder eine Spannung induziert. Das Verhältnis der Windungszahlen bestimmt, ob die Spannung steigt oder sinkt. Neben Kern und Wicklungen entscheidet vor allem das Isoliersystem aus festem Isolierstoff und Isolieröl über Lebensdauer und Sicherheit des Transformators, ein Punkt, den viele Erklärungen zum Thema auslassen.
Was ist ein elektrischer Transformator?
Ein elektrischer Transformator ist eine ruhende elektrische Maschine ohne bewegliche Teile, die Wechselspannung von einem Spannungsniveau auf ein anderes umsetzt. Er besteht im Kern aus zwei oder mehr Wicklungen um einen gemeinsamen Eisenkern: der Primärwicklung, an die die Eingangsspannung angelegt wird, und der Sekundärwicklung, an der die umgesetzte Spannung abgegriffen wird. Die Frequenz bleibt dabei gleich, in Europa also 50 Hertz. Genau diese Eigenschaft, hohe Spannungen verlustarm über weite Strecken zu übertragen und beim Endverbraucher wieder auf ungefährliche Werte zu senken, macht den Transformator zum zentralen Bauteil jeder Stromversorgung, vom Kraftwerk bis zur Steckdose.
Wie funktioniert ein Transformator?
Fließt Wechselstrom durch die Primärwicklung, baut sich um sie ein magnetisches Wechselfeld auf. Der Eisenkern aus geschichteten, gegeneinander isolierten Blechen führt dieses Feld verlustarm zur Sekundärwicklung und induziert dort eine Wechselspannung, deren Frequenz mit der Eingangsfrequenz übereinstimmt. Entdeckt hat dieses Prinzip, die elektromagnetische Induktion, Michael Faraday im Jahr 1831.
Das Übersetzungsverhältnis
Wie stark sich die Spannung ändert, hängt allein vom Verhältnis der Windungszahlen ab: Sekundärspannung zu Primärspannung verhält sich wie die Sekundärwindungen zu den Primärwindungen, der Strom verhält sich umgekehrt dazu. Im verlustfreien Idealfall bleibt die übertragene Leistung gleich. Hat die Sekundärwicklung mehr Windungen als die Primärwicklung, steigt die Spannung, ein Aufwärtstransformator. Hat sie weniger, sinkt sie, ein Abwärtstransformator. Ein realer Transformator erreicht diesen Idealfall nie ganz, ein Teil der Leistung fließt als Verlustwärme ab, siehe der Abschnitt Verluste und Wirkungsgrad weiter unten.
Aufbau eines Transformators
Ein Transformator besteht aus vier Baugruppen, die zusammen die Spannungsumwandlung sicher machen: Eisenkern, Wicklungen, Isoliersystem und Gehäuse.
Eisenkern
Der Eisenkern führt den magnetischen Fluss zwischen den Wicklungen. Er besteht aus dünnen, gegeneinander isolierten Blechen aus kornorientiertem Silizium-Eisen, meist 0,23 bis 0,35 Millimeter dick. Die Schichtung unterbricht Wirbelströme, die sich sonst im massiven Eisen bilden und als Wärme verloren gehen würden.
Wicklungen
Primär- und Sekundärwicklung bestehen aus isoliertem Kupfer- oder Aluminiumdraht, gewickelt auf oder um den Kern. Ihr Windungsverhältnis legt das Übersetzungsverhältnis fest. Zwischen den Windungen, den Wicklungslagen und gegenüber dem Kern sitzt die Wicklungsisolierung, mechanisch und elektrisch die am stärksten beanspruchte Komponente im gesamten Transformator.
Gehäuse und Kühlung
Das Gehäuse schützt Kern und Wicklungen vor der Umgebung. Beim Öltransformator ist es zugleich der Behälter für das Isolieröl, das Wärme abführt und die Wicklungen isoliert. Trockentransformatoren verzichten auf Öl und kühlen über Luft, meist mit Gießharz vergossen oder mit Aramidpapier isoliert.
Das Isoliersystem: feste und flüssige Isolierung
Wie lange ein Transformator hält und wie sicher er läuft, entscheidet vor allem sein Isoliersystem, nicht der Kern oder die Wicklungen selbst. Es besteht aus zwei Teilen, die zusammenarbeiten: einer festen Isolierung aus Zellulose- oder Aramidwerkstoffen und, beim Öltransformator, einer flüssigen Isolierung aus Isolieröl.
Feste Isolierung: Transformerboard, Pressspan und Aramidpapier
Im ölgefüllten Leistungstransformator übernehmen Transformerboard und Pressspan die feste Isolierung: hochverdichtete Zellulosewerkstoffe in Stärken von etwa 0,5 bis 8 Millimeter, die als Barrieren, Winkelringe, Distanzstücke und Zylinder zwischen und um die Wicklungen sitzen. Reine, additivfreie Zellulose bleibt im heißen Öl über Jahrzehnte formstabil und dielektrisch sauber. Für Trockentransformatoren und höhere thermische Belastungen kommt stattdessen Aramidpapier zum Einsatz, das deutlich höhere Dauertemperaturen verträgt als Zellulose.
Flüssige Isolierung: Isolieröl
Mineralölbasiertes Isolieröl übernimmt im Leistungstransformator zwei Aufgaben zugleich: Es kühlt die Wicklungen durch Konvektion und isoliert zusammen mit dem festen Zellulosewerkstoff. Das Board saugt das Öl auf, feste und flüssige Isolierung bilden so ein gemeinsames System und stützen sich in ihren dielektrischen Werten gegenseitig. Biologisch abbaubare Esteröle gewinnen bei Anlagen mit hohen Umweltauflagen an Bedeutung, etwa in Wasserschutzgebieten.
Isolierstoffklassen und Alterung der Isolierung
Wie hoch ein Transformator dauerhaft belastet werden darf, legt seine Isolierstoffklasse fest. Reine Zellulose gehört klassisch zur Wärmeklasse A mit 105 Grad Celsius Grenztemperatur, Aramidpapier erreicht je nach Type deutlich höhere Klassen. Für die Lebensdauer gilt näherungsweise die 10-Kelvin-Regel nach Montsinger: Jede dauerhafte Überschreitung der Grenztemperatur um 10 Kelvin halbiert die Lebensdauer der Isolierung. Ob die Isolierung noch intakt ist, zeigen zwei Prüfwerte, der Isolationswiderstand und die Durchschlagsfestigkeit. Beide sinken mit fortschreitender Alterung und Feuchteaufnahme.
Arten von Transformatoren
Transformatoren unterscheiden sich nach Leistung, Spannungsebene und Bauform.
| Typ | Einsatz | Spannungsebene |
|---|---|---|
| Leistungstransformator | Kraftwerke, Umspannwerke | Hochspannung, mehrere hundert kV |
| Verteiltransformator | Ortsnetzstationen, Gebäude | Mittel- auf Niederspannung |
| Spartransformator | kleine Spannungsanpassung, hoher Wirkungsgrad | galvanisch nicht getrennt |
| Messwandler | Strom- und Spannungsmessung, Schutztechnik | alle Ebenen |
| Trenntransformator | Sicherheitsisolierung, Baustellen, medizinische Geräte | meist Niederspannung |
Bei allen fünf Typen entscheidet die Bauart, ob Öl oder Luft isoliert und kühlt: Leistungs- und Verteiltransformatoren laufen fast immer im Öl, kleinere Trenntransformatoren und Messwandler häufig trocken. Für den Trockentransformator im Innenraum, etwa in Krankenhäusern oder Rechenzentren, scheidet Öl aus Brandschutzgründen ohnehin aus.
Wo Transformatoren eingesetzt werden
Transformatoren stehen an jedem Übergang zwischen Spannungsebenen. Leistungstransformatoren heben die Spannung im Kraftwerk auf Übertragungsniveau an, Umspannwerke senken sie stufenweise wieder ab. In Ortsnetzstationen wandeln Verteiltransformatoren Mittelspannung auf die haushaltsübliche Niederspannung um. In der Industrie versorgen sie Produktionsanlagen, in der Elektronik übernehmen Kleintransformatoren diese Aufgabe in Netzteilen und Ladegeräten. Auch die Energiewende hängt an Transformatoren: Windparks und Solaranlagen speisen ihre Leistung über Transformatoren ins Netz ein, ein Feld, in dem GOBA Isolierstoffe für Anlagen der erneuerbaren Energien liefert.
Verluste, Wirkungsgrad und Wartung
Ein realer Transformator verliert einen Teil seiner Leistung als Wärme, in zwei Formen. Kupferverluste entstehen durch den ohmschen Widerstand der Wicklungen und steigen mit dem Quadrat des Stroms. Eisenverluste entstehen durch Hysterese und Wirbelströme im Kern und fallen auch im Leerlauf an. Gut ausgelegte Leistungstransformatoren erreichen dennoch Wirkungsgrade von deutlich über 98 Prozent.
Regelmäßige Wartung verlängert die Lebensdauer: Ölanalyse und Isolationsmessung beim Öltransformator, Sichtprüfung der Wicklungsisolierung beim Trockentransformator. Wer Temperatur und Feuchte konsequent im Griff behält, bringt einen Leistungstransformator auf 30 Jahre Betriebsdauer und mehr, meist begrenzt durch die Alterung der Isolierung, nicht durch Kern oder Wicklungen selbst.
GOBA Fazit
Ein Transformator wandelt Spannung durch elektromagnetische Induktion, seine Lebensdauer entscheidet aber sein Isoliersystem: die feste Isolierung aus Zellulose oder Aramidpapier, abgestimmt auf Isolierstoffklasse und Betriebstemperatur. GOBA liefert diese Isoliermaterialien seit 1959 und fertigt daraus einbaufertige Isolierteile und Formteile für den Transformatorenbau, von Barrieren über Winkelringe bis zu Zylindern nach Zeichnung. Für Sonderformate und kleine bis mittlere Stückzahlen sprechen Sie uns über kundenspezifische Produkte an.
