Der Transformator: Geschichte, Theorie und Zukunft der elektristen Spannungswandlung

Einleitung

Stellen Sie sich eine Welt ohne Transformatoren vor: Elektrische Energie könnte nur über kurze Strecken transportiert werden, jedes Kraftwerk müsste in unmittelbarer Nähe der Verbraucher stehen, und die heutige flächendeckende Stromversorgung wäre schlicht unmöglich. Der Transformator – oft kurz „Trafo“ genannt – ist das unsichtbare Rückgrat unserer elektrifizierten Welt.

Kaum ein anderes elektrisches Bauelement ist so allgegenwärtig und doch so unbemerkt: In jedem Handy-Netzteil steckt ein kleiner Transformator, an jedem Straßenrand stehen die grünen oder grauen Kästen der Ortsnetztransformatoren, und in Umspannwerken transformieren gigantische Geräte die Spannung von Höchstspannungsebenen auf Verteilnetze. Die Spanne reicht von winzigen Hochfrequenztransformatoren auf Smartphone-Platinen bis zu 1-GVA-Kolossen in Kraftwerken, die ganze Landstriche mit Energie versorgen .

Dieser Artikel zeichnet ein umfassendes Bild dieser fundamentalen Erfindung: Von den ersten Entdeckungen Michael Faradays über den „Stromkrieg“ zwischen Edison und Westinghouse bis zu modernsten Entwicklungen wie Festkörpertransformatoren und pflanzenölgekühlten Umwelttrafos. Wir werden sehen, wie eine über 190 Jahre alte Entdeckung auch heute noch in rasanter Entwicklung ist und entscheidend zur Energiewende beiträgt.

Teil I: Was ist ein Transformator? – Definition und Grundprinzip

Definition und Zielsetzung

Ein Transformator (vom lateinischen „transformare“ – umformen, umwandeln) ist ein elektrisches Gerät, das elektrische Wechselstromenergie durch elektromagnetische Induktion von einem Stromkreis auf einen anderen überträgt, wobei die Frequenz gleich bleibt . In der Regel wird dabei die Spannung geändert – entweder herauf- oder heruntertransformiert .

Die Grundidee ist ebenso einfach wie genial: Durch zwei galvanisch getrennte Wicklungen auf einem gemeinsamen Eisenkern kann Energie von der Primär- auf die Sekundärseite übertragen werden, ohne dass eine elektrische Verbindung besteht .

Die Bedeutung der Spannungswandlung

Warum ist diese Fähigkeit so entscheidend? Bei der Übertragung elektrischer Energie über weite Entfernungen entstehen Verluste durch den Widerstand der Leitungen. Diese Verluste sind proportional zum Quadrat des Stroms (P = I² × R) . Wenn man also die Spannung erhöht, sinkt bei gleicher übertragener Leistung der Strom – und damit die Verluste drastisch.

Beispiel: Soll eine Leistung von 100 kW übertragen werden:

• Bei 230 V fließt ein Strom von etwa 435 A → hohe Verluste
• Bei 110 kV fließt ein Strom von nur etwa 0,9 A → geringe Verluste

Genau deshalb wird der in Kraftwerken erzeugte Strom auf Höchstspannungsebenen (bis 380 kV oder mehr) hochtransformiert, über Land transportiert und am Zielort wieder auf für Verbraucher nutzbare Spannungen heruntertransformiert .

Das Induktionsprinzip als Grundlage

Die physikalische Grundlage des Transformators ist die elektromagnetische Induktion, die 1831 von Michael Faraday entdeckt wurde . Faraday fand heraus, dass eine Änderung des magnetischen Flusses in einer Spule eine Spannung induziert.

Dieses Prinzip wird beim Transformator gezielt genutzt: Eine an die Primärspule angelegte Wechselspannung erzeugt einen sich ständig ändernden magnetischen Fluss im Eisenkern. Dieser wechselnde Fluss durchsetzt auch die Sekundärspule und induziert dort eine Spannung – Energie wird berührungslos übertragen .

Wichtige Eigenschaften

Transformatoren haben einige bemerkenswerte Eigenschaften :

• Galvanische Trennung: Primär- und Sekundärseite sind elektrisch nicht verbunden – das erhöht die Sicherheit
• Gleichstromsperre: Gleichspannung wird nicht übertragen (nur Wechselspannung)
• Kurzschlussstrombegrenzung: Durch ihre innere Impedanz können sie den Strom im Fehlerfall begrenzen

Teil II: Geschichte des Transformators

Frühe Entdeckungen: Faraday und die Induktion (1831)

Die Geschichte des Transformators beginnt mit einem grundlegenden wissenschaftlichen Durchbruch. Am 29. August 1831 entdeckte der englische Physiker Michael Faraday die elektromagnetische Induktion . Er wickelte zwei isolierte Drähte um einen eisernen Ring und stellte fest, dass beim Ein- und Ausschalten einer Batterie im ersten Draht im zweiten Draht kurzzeitig ein Strom floss .

Faraday hatte den ersten Induktionsapparat gebaut – den Vorläufer aller Transformatoren. Allerdings erzeugte seine Anordnung nur Impulse beim Ein- und Ausschalten, keine dauerhafte Wechselspannungsumwandlung . Die praktische Nutzung dieser Entdeckung ließ noch Jahrzehnte auf sich warten.

Die ersten technisch brauchbaren Transformatoren (1881-1885)

In den 1880er Jahren begann die Entwicklung der Wechselstromtechnik rasant voranzuschreiten. Mehrere Erfinder arbeiteten parallel an brauchbaren Transformatoren:

Gaulard und Gibbs (1881-1883):
Die Franzosen Lucien Gaulard und der Engländer John Dixon Gibbs stellten 1881 in London den ersten technisch brauchbaren Transformator aus . Ihre Geräte wurden damals noch als „Sekundär-Generator“ bezeichnet . 1883 erregten sie auf einer Ausstellung im Londoner Royal Aquarium großes Interesse .

Die entscheidende Neuerung von Gibbs bestand darin, den Transformatorkern als geschlossenen magnetischen Kreis aus Eisendraht auszuführen . Dies verbesserte die magnetische Kopplung erheblich.

Das ungarische Triumvirat (1885):
Den Durchbruch zur industriell nutzbaren Form brachten drei ungarische Ingenieure der Firma Ganz & Cie in Budapest: Károly Zipernowsky, Miksa Déri und Ottó Titusz Bláthy . Ihnen wurde 1885 ein Patent auf den Transformator erteilt .

Ihre entscheidende Verbesserung: Sie verwendeten erstmals geschichtete Bleche für den Kern, um Wirbelströme zu reduzieren . Zudem führten sie die Parallelschaltung von Primär- und Sekundärwicklung ein . Auf der Budapester Ausstellung von 1885 präsentierten sie ihre Neuerung der Fachwelt .

William Stanley (1885):
Unabhängig davon entwickelte William Stanley als Chefingenieur von George Westinghouse in Pittsburgh ebenfalls Verbesserungen an den Gaulard-Gibbs-Transformatoren .

Der „Stromkrieg“ – Gleichstrom vs. Wechselstrom

Eine der dramatischsten Episoden der Technikgeschichte ist der sogenannte Stromkrieg zwischen Thomas Alva Edison und George Westinghouse in den späten 1880er Jahren .

Edison setzte auf Gleichstrom:
Edison hatte sein Gleichstromsystem entwickelt und vermarktete es aggressiv. Der große Nachteil: Gleichstrom lässt sich nicht einfach transformieren. Um Verbraucher in größerer Entfernung zu versorgen, mussten dicke, teure Kupferkabel verlegt werden – und die Verluste waren enorm.

Westinghouse setzte auf Wechselstrom:
George Westinghouse erkannte früh das Potenzial des Wechselstromsystems. Er importierte 1885 Gaulard-Gibbs-Transformatoren und einen Siemens-Wechselstromgenerator für die elektrische Beleuchtung in Pittsburgh .

Der Durchbruch: 1886 in Great Barrington:
Westinghouse installierte 1886 in Great Barrington, Massachusetts, einen Wechselstromgenerator mit 500 V Spannung. Diese wurde zur Übertragung auf 3000 V hochtransformiert und an den Verbrauchsorten wieder auf 100 V heruntertransformiert . Dies war die erste erfolgreiche Demonstration der Überlegenheit des Wechselstromsystems mit Transformatoren.

Der „Stromkrieg“ endete mit dem Sieg des Wechselstroms – vor allem wegen der Möglichkeit, mit Transformatoren Spannungen effizient zu wandeln und damit Energie über weite Strecken zu transportieren.

Die Drehstromtransformatoren von Dolivo-Dobrowolski (1891)

Einen weiteren Meilenstein setzte Michail Dolivo-Dobrowolski von der AEG in Berlin. Er entwickelte 1891 das Drehstromsystem und den dazugehörigen Drehstromtransformator .

Auf Anregung von Oskar von Miller realisierte Dolivo-Dobrowolski die erste bedeutende Fernübertragung elektrischer Energie: Am 24. August 1891 wurde Drehstrom von Lauffen am Neckar zum 175 km entfernten Frankfurt am Main übertragen . Die im Wasserkraftwerk erzeugte Spannung von 50 V wurde auf 15.000 V hochtransformiert – ein Meilenstein der Elektrotechnik.

Die Entwicklung bis zur Reife (1900-1950)

In den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts wurden die Grundlagen für den modernen Transformatorenbau gelegt:

• Ölisolation: Um die Isolation und Kühlung zu verbessern, wurden Transformatoren in ölgefüllte Tanks eingebaut . Mineralöl diente sowohl als Isolator als auch als Kühlmittel.
• Siliziumstahl-Kerne: Die Einführung von Siliziumstahlblechen für den Kern reduzierte die Verluste durch Hysterese und Wirbelströme erheblich .
• Berechnungsgrundlagen: Gisbert Kapp erarbeitete bis 1907 die theoretischen Grundlagen für die Berechnung und den Bau von Transformatoren .

Teil III: Aufbau und Funktionsweise im Detail

Der magnetische Kreis – der Kern

Das Herzstück jedes Transformators ist der magnetische Kreis (Kern). Er besteht aus übereinander geschichteten Blechen aus Elektroblech (meist Siliziumstahl) . Warum Bleche und kein massiver Eisenkern?

Wirbelstromvermeidung: Ein massiver Eisenkern würde wie eine kurzgeschlossene Windung wirken – in ihm würden massive Wirbelströme induziert, die den Kern glühend heiß machen und enorme Verluste verursachen. Durch die Schichtung in dünne, voneinander isolierte Bleche werden diese Wirbelströme auf ein Minimum reduziert .

Bauformen: Es gibt verschiedene Kernformen:

• EI-Kerne: Die gebräuchlichste Form für kleine und mittlere Transformatoren
• UI-Kerne: Ähnlich wie EI, aber mit anderen Abmessungen
• Ringkerne: Geschlossene Ringform mit besonders geringer Streuung
• Mantelkerne: Bei großen Leistungstransformatoren 

Die Wicklungen

Um den Kern sind die Wicklungen angeordnet – in der Regel aus lackisoliertem Kupferdraht, seltener aus Aluminium . Man unterscheidet:

Primärwicklung (Eingangsseite): Die Wicklung, die an die Spannungsquelle angeschlossen wird .

Sekundärwicklung (Ausgangsseite): Die Wicklung, an die der Verbraucher angeschlossen wird .

Bei größeren Transformatoren sind die Wicklungen oft auf einen Wickelkörper aus Kunststoff gewickelt, der die Anschlussklemmen für die Wicklungsanfänge und -enden bereitstellt .

Das Übersetzungsverhältnis

Die zentrale Gleichung des Transformators lautet :

U₂ / U₁ = N₂ / N₁

Dabei ist:

• U₁ = Primärspannung
• U₂ = Sekundärspannung
• N₁ = Windungszahl der Primärwicklung
• N₂ = Windungszahl der Sekundärwicklung

Das Übersetzungsverhältnis bestimmt, ob der Transformator die Spannung erhöht oder senkt :

• N₂ > N₁ → U₂ > U₁ → Aufwärtstransformator (Hochspannungstransformator)
• N₂ < N₁ → U₂ < U₁ → Abwärtstransformator (Niederspannungstransformator)

Strom- und Leistungsverhältnisse

Bei einem idealen (verlustfreien) Transformator sind die Leistungen auf Primär- und Sekundärseite gleich :

P₁ = P₂ → U₁ × I₁ = U₂ × I₂

Daraus folgt für die Stromstärken :

I₂ / I₁ = N₁ / N₂

Das bedeutet: Ein Aufwärtstransformator (höhere Spannung) liefert einen geringeren Strom – und umgekehrt.

Die drei Betriebszustände

Ein Transformator kann in verschiedenen Zuständen betrieben werden :

1. Leerlauf (unbelastet):
Die Sekundärwicklung ist offen (kein Verbraucher angeschlossen). Es fließt nur ein geringer Magnetisierungsstrom in der Primärwicklung, der den magnetischen Fluss aufbaut. Die Eisenverluste (Hysterese, Wirbelströme) sind größer als die Kupferverluste .

2. Belasteter Zustand:
Ein Verbraucher ist an der Sekundärwicklung angeschlossen. Der Sekundärstrom erzeugt ein Gegenfeld, das den magnetischen Fluss schwächen will. Um dies auszugleichen, erhöht sich der Primärstrom entsprechend . Die Ströme in den Wicklungen fließen in entgegengesetzte Richtungen .

3. Kurzschluss:
Die Sekundärwicklung ist kurzgeschlossen. Bei voller Primärspannung fließt ein extrem hoher Strom, der den Transformator in kürzester Zeit zerstören kann . Die Kurzschlussfestigkeit ist daher ein wichtiges Qualitätsmerkmal .

Teil IV: Bauformen und Typen von Transformatoren

Einteilung nach Anwendungsbereich

Transformatoren lassen sich grob in drei Kategorien einteilen :

Kategorie	Leistung	Anwendung
Energiesysteme	MVA bis GVA	Stromübertragung und -verteilung
Geringe Leistung	VA bis kVA	Netzteile, Elektrogeräte
Spezialtransformatoren	Variabel	Messwandler, Trenntrafos

Einphasen- und Drehstromtransformatoren

Einphasentransformatoren:
Der einfachste Typ, bestehend aus einem Kern mit zwei Wicklungen. Einsatz in Haushalten, kleinen Netzteilen, Elektronik .

Drehstromtransformatoren:
Drei einzelne Transformatoren in einem Gehäuse oder drei Schenkel auf einem gemeinsamen Kern. Standard in der Energietechnik für Drehstromnetze . Die Wicklungen können in Stern (Y) oder Dreieck (Δ) geschaltet werden .

Spartransformator

Eine Sonderform ist der Autotransformator :

• Er hat nur eine Wicklung, von der ein Teil sowohl Primär- als auch Sekundärseite dient
• Die beiden Seiten sind galvanisch verbunden (keine Trennung!)
• Vorteil: geringerer Materialaufwand, kompakter
• Nachteil: keine galvanische Trennung, daher nicht für Sicherheitsanwendungen geeignet

Trenntransformator

Ein Trenntransformator hat ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 – Primär- und Sekundärspannung sind gleich . Sein Zweck ist ausschließlich die galvanische Trennung von Stromkreisen aus Sicherheitsgründen.

Messwandler

Spezialtransformatoren für die Messtechnik :

Stromwandler:

• Primärwicklung wird in den zu messenden Stromkreis in Reihe geschaltet
• Sekundärseite wird mit einem Strommessgerät (Amperemeter) verbunden
• Arbeiten im kurzschlussnahen Zustand 

Spannungswandler:

• Primärwicklung parallel zur zu messenden Spannung
• Sekundärseite mit Spannungsmessgerät (Voltmeter)
• Arbeiten im leerlaufnahen Zustand 

Hochfrequenztransformatoren

Mit der Entwicklung der Leistungselektronik gewinnen Hochfrequenztransformatoren zunehmend an Bedeutung :

Eigenschaften:

• Arbeiten mit Frequenzen im kHz- bis MHz-Bereich
• Wesentlich kleinere Bauform als Netzfrequenz-Trafos (50/60 Hz)
• Spezielle Kernmaterialien (Ferrit, Nanokristallin)

Anwendungen:

• Schaltnetzteile (SMPS) in Computern, Fernsehern, LED-Treibern 
• DC-DC-Wandler in Elektrofahrzeugen 
• Solarenergie und Photovoltaik-Wechselrichter 
• Medizintechnik (MRT, Ultraschall) 

Teil V: Verluste und Wirkungsgrad

Arten von Verlusten

Ein realer Transformator hat immer Verluste – er kann niemals 100% Wirkungsgrad erreichen . Die Hauptverlustquellen sind:

1. Kupferverluste (Stromwärmeverluste):

• Entstehen durch den ohmschen Widerstand der Wicklungen
• Proportional zum Quadrat des Stroms (I² × R)
• Abhängig von der Belastung (Lastverluste) 

2. Eisenverluste:

• Hystereseverluste: Bei der Ummagnetisierung des Kerns muss Energie aufgewendet werden
• Wirbelstromverluste: Durch die leitfähigen Bleche entstehen kleine Kreisströme
• Sind nahezu unabhängig von der Belastung (Leerlaufverluste) 

3. Streuverluste:

• Nicht der gesamte magnetische Fluss erfasst beide Wicklungen
• Ein Teil „verirrt“ sich und erzeugt Verluste in benachbarten metallischen Teilen 

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad η ist das Verhältnis von abgegebener Leistung (P₂) zu aufgenommener Leistung (P₁) :

η = P₂ / P₁

Große Leistungstransformatoren erreichen Wirkungsgrade von über 99% – sie gehören zu den effizientesten Maschinen überhaupt. Bei kleinen Netztrafos kann der Wirkungsgrad deutlich niedriger sein (70-90%).

Das Brummen von Transformatoren

Wer schon einmal einen größeren Transformator in Betrieb erlebt hat, kennt das charakteristische Brummen . Dieses Geräusch hat eine physikalische Ursache: die Magnetostriktion.

Die magnetischen Dipole im Kern richten sich im Takt des magnetischen Wechselfeldes aus. Dabei kommt es zu mikroskopisch kleinen Längenänderungen der Bleche – sie dehnen sich und ziehen sich zusammen (Stauchung und Dehnung) . Diese Schwingungen werden als hörbares Brummen wahrgenommen.

Die Frequenz des Brummens entspricht dem Doppelten der Netzfrequenz (bei 50 Hz also 100 Hz, bei 60 Hz also 120 Hz) . Je höher die Belastung, desto stärker das Brummen.

Überlastbarkeit

Transformatoren können kurzzeitig stark überlastet werden . Dies liegt an ihrer hohen Wärmekapazität – sie erwärmen sich nur langsam. Allerdings führt dauerhafte Überlastung zur Zerstörung der Isolation (thermische Alterung).

Teil VI: Anwendungen in der Praxis

Energieübertragung und -verteilung

Die wichtigste Anwendung ist die Einbindung in die Stromnetze :

Kraftwerkstransformatoren (Maschinentransformatoren):
Erhöhen die Generatorspannung (meist 10-30 kV) auf die Höchstspannungsebene (220 kV, 380 kV) .

Netztransformatoren:
Verbindungen zwischen verschiedenen Spannungsebenen:

• Höchstspannung (380 kV, 220 kV) → Hochspannung (110 kV)
• Hochspannung (110 kV) → Mittelspannung (20 kV, 10 kV)
• Mittelspannung → Niederspannung (400 V/230 V) 

Ortsnetztransformatoren:
Die grünen oder grauen Kästen am Straßenrand transformieren Mittelspannung auf die haushaltsübliche 230/400 V.

Netzteile und Stromversorgungen

In fast jedem elektronischen Gerät steckt ein Transformator :

Steckernetzteile:
Kleine Transformatoren (oft als Hochfrequenztrafos in Schaltnetzteilen) wandeln 230 V auf die benötigte Gerätespannung (5 V, 12 V, 24 V etc.) .

Klingeltransformatoren:
Besonders sichere Trenntransformatoren für Klingelanlagen .

Spielzeugeisenbahnen:
Klassische Anwendung für Niederspannungstransformatoren .

Hochspannungsanwendungen

Zündtransformatoren:
Erzeugen die Hochspannung für Zündungen (Ölheizung, Automotor) .

Zeilentransformatoren:
In älteren Röhrenfernsehern wurde die Hochspannung für die Bildröhre erzeugt (heute historisch) .

Elektrische Weidezäune:
Kleine Hochspannungstransformatoren erzeugen die Impulse für Weidezäune .

Schweißtransformatoren

Schweißtransformatoren sind spezielle Hochstrom-Niederspannungstransformatoren :

• Primärwicklung: viele Windungen
• Sekundärwicklung: wenige Windungen (oft nur 5-10)
• Sekundärspannung: nur etwa 2-3 V
• Sekundärstrom: 100 A und mehr

Beim Widerstandsschweißen werden die zu verbindenden Teile durch den hohen Strom zur Rotglut erhitzt und verschweißt .

Teil VII: Sonderformen und spezielle Anwendungen

Der Resonanztransformator (Tesla-Spule)

Nikola Tesla entwickelte Ende des 19. Jahrhunderts einen speziellen Transformator, der ohne Eisenkern auskommt und im Resonanzbetrieb arbeitet. Mit Teslaspulen können extrem hohe Spannungen (Millionen Volt) bei hohen Frequenzen erzeugt werden – heute vor allem für Demonstrationszwecke und in der Forschung.

Phasenschiebertransformatoren

In der Elektrizitätswirtschaft werden spezielle Transformatoren eingesetzt, um die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung zu beeinflussen . Damit kann die Verteilung von Wirk- und Blindleistung in vermaschten Netzen gesteuert werden.

Umspanner mit Stufenschalter

Viele Netztransformatoren sind mit Laststufenschaltern ausgestattet. Sie ermöglichen eine Anpassung der Spannung unter Last, um Schwankungen im Netz auszugleichen.

Pflanzenöltransformatoren – ein ökologischer Fortschritt

Eine aktuelle Entwicklung sind Transformatoren mit biologisch abbaubaren Isolierflüssigkeiten auf Pflanzenölbasis (Raps, Soja, Sonnenblumen) :

Vorteile:

• Biologisch abbaubar und grundwasserneutral
• Deutlich höherer Flammpunkt (schwerer entzündlich)
• Keine Ölwannen erforderlich – Kostenersparnis
• Bessere Feuchtigkeitsaufnahme

Anwendungen:

• Deutsche Bahn setzt erstmals Pflanzenöl-Trafos ein 
• Siemens installierte 2014 erste Anlagen im Umspannwerk Bruchsal 
• General Electric fertigt in Mönchengladbach Bahntrafos mit Pflanzenöl 

Diese Transformatoren sind hermetisch dicht verschweißt und wartungsärmer als konventionelle Öltrafos .

Teil VIII: Zukunftsperspektiven

Festkörpertransformatoren (Solid-State Transformer)

Die vielleicht bedeutendste Zukunftstechnologie ist der Festkörpertransformator (Solid-State Transformer, SST) . Er ersetzt den Eisenkern und die Kupferwicklungen durch Leistungselektronik.

Aufbau:

• Gleichrichter wandelt Wechselspannung in Gleichspannung
• DC/DC-Wandler mit Hochfrequenztransformator (klein und leicht)
• Wechselrichter erzeugt wieder Wechselspannung

Vorteile gegenüber konventionellen Transformatoren :

• Deutlich geringeres Volumen und Gewicht (höhere Frequenz → kleinere magnetische Komponenten)
• Kompakte Bauweise durch Hochfrequenztechnik
• Aktive Regelbarkeit von Spannung, Strom und Blindleistung
• Gleichstromanschlüsse möglich (wichtig für Gleichstromnetze)
• Fehlertoleranz und hohe Zuverlässigkeit
• Bidirektionaler Betrieb (Energie kann in beide Richtungen fließen)
• Galvanische Trennung bleibt erhalten

Herausforderungen :

• Höhere Kosten als konventionelle Trafos
• Komplexere Leistungselektronik
• Wirkungsgrad bei Volllast noch nicht ganz auf Höhe von 99%+ Trafos
• Langzeitzuverlässigkeit muss sich noch beweisen

Anwendungen:

• Erneuerbare Energien (Netzanbindung von Solar- und Windparks) 
• Elektromobilität (Schnellladestationen) 
• Intelligente Stromnetze (Smart Grids) 
• Bahnstromversorgung
• Rechenzentren (Gleichstromverteilung)

Hochfrequenztransformatoren mit neuen Materialien

Die Entwicklung neuer magnetischer Materialien schreitet voran :

• Nanokristalline Kerne: Noch geringere Verluste als Ferrit
• Verbundkerne: Optimierte magnetische Eigenschaften
• KI-optimiertes Design: Simulationstools und KI entwerfen optimale Kerngeometrien

Systemintegration und Digitalisierung

Transformatoren werden zunehmend zu intelligenten Systemkomponenten :

• Integration von Sensorik (Temperatur, Last, Zustandsüberwachung)
• Echtzeitüberwachung und adaptive Steuerung
• IoT-Anbindung für Predictive Maintenance
• Kommunikation mit übergeordneten Netzleitsystemen

Supraleitende Transformatoren

Forschungsthema für die Zukunft: Transformatoren mit supraleitenden Wicklungen. Sie hätten praktisch keine Kupferverluste, müssen aber aufwendig gekühlt werden. Für Spezialanwendungen (z.B. in Kraftwerken) könnte dies interessant werden.

Teil IX: Der Transformator in der Reihe

Verbindung zu den vorherigen Artikeln

Der Transformator fügt sich nahtlos in die bisher behandelten Themen ein:

1. Verbindung zur Graetz-Brücke:
In jedem klassischen Netzteil folgt auf den Transformator die Graetz-Brücke zur Gleichrichtung . Der Trafo senkt die gefährliche Netzspannung auf einen sicheren Wert (z.B. 12 V Wechselspannung), die Diodenbrücke macht daraus eine (pulsierende) Gleichspannung, und der Kondensator glättet sie. Die drei Komponenten – Trafo, Graetz-Brücke, Kondensator – bilden die klassische Netzteil-Topologie.

2. Verbindung zum Frequenzumrichter:
Auch im Frequenzumrichter spielt der Transformator eine Rolle – allerdings meist als Hochfrequenztransformator in Schaltnetzteilen für die Steuerelektronik oder in modernen SST-Konzepten. Die Weiterentwicklung des Frequenzumrichters (SiC/GaN) und die des Transformators (SST) gehen Hand in Hand.

3. Verbindung zur Stern-Dreieck-Schaltung:
Drehstromtransformatoren werden oft in Stern oder Dreieck geschaltet  – hier treffen sich die Themen. Die Stern-Dreieck-Schaltung für Motoren ist eine analoge Idee zur unterschiedlichen Verschaltung von Wicklungen.

Stellung in der Elektrotechnik

Der Transformator ist das fundamentalste aller elektrischen Bauelemente – er hat die Elektrifizierung der Welt erst ermöglicht. Ohne ihn gäbe es keine Stromnetze, keine Elektrizitätswirtschaft, keine flächendeckende Versorgung mit elektrischer Energie.

In der Reihe „fundamentale Schaltungen und Bauelemente“ gebührt ihm daher ein zentraler Platz – zusammen mit:

• Der Graetz-Brücke (Gleichrichtung)
• Dem Frequenzumrichter (moderne Antriebstechnik)
• Der Stern-Dreieck-Schaltung (Motorenanlauf)

Teil X: Zusammenfassung und Ausblick

Rückblick: Von Faraday zu 1-GVA-Kolossen

Was 1831 mit Faradays Induktionsring begann, hat sich zur Schlüsseltechnologie der Elektrifizierung entwickelt. Die Meilensteine:

• 1881-1885: Erste praktische Transformatoren (Gaulard/Gibbs, Zipernowsky/Déri/Bláthy)
• 1886: Westinghouse demonstriert die Überlegenheit des Wechselstromsystems
• 1891: Drehstromübertragung Lauffen–Frankfurt mit Transformatoren
• 1900-1950: Ölisolation, Siliziumstahl-Kerne, Berechnungsgrundlagen
• 1950-2000: Verbreitung in der gesamten Elektrotechnik, Hochleistungstrafos
• 2000-heute: Pflanzenöl-Trafos, Hochfrequenztrafos, Festkörpertransformatoren

Gegenwart: Ausgereift und doch in Entwicklung

Heute sind Transformatoren allgegenwärtig:

• Gigantische Maschinentransformatoren in Kraftwerken (>1 GVA)
• Ortsnetztransformatoren in jeder Straße
• Winzige Hochfrequenztrafos in jedem Handy-Netzteil
• Spezialtrafos für Messtechnik, Bahn, Medizin

Zukunft: Festkörper, Pflanzenöl, Digitalisierung

Die Entwicklung ist nicht abgeschlossen:

• Festkörpertransformatoren (SST) werden konventionelle Trafos in vielen Anwendungen ergänzen oder ersetzen 
• Pflanzenöl-Isolation macht Transformatoren umweltfreundlicher 
• Hochfrequenztechnik ermöglicht immer kompaktere Bauweisen 
• Digitalisierung macht Trafos zu intelligenten Netzkomponenten 

Fazit

Der Transformator ist das unsichtbare Rückgrat unserer elektrischen Welt. Ohne ihn gäbe es keine Stromversorgung, wie wir sie kennen – weder die Versorgung der Industrie noch den Strom aus der Steckdose.

Die Verbindung zu den anderen Artikeln dieser Reihe ist eng: Der Transformator liefert die angepasste Wechselspannung, die Graetz-Brücke richtet sie gleich, der Kondensator glättet sie, und der Frequenzumrichter macht daraus eine variable Spannung für drehzahlgeregelte Antriebe. Zusammen bilden diese vier Themen ein umfassendes Bild der elektrischen Energieumwandlung.

In einer Welt, die zunehmend elektrifiziert wird und in der erneuerbare Energien eine immer größere Rolle spielen, wird der Transformator – in seinen klassischen und zukünftigen Formen – eine Schlüsselrolle spielen. Vom winzigen Hochfrequenztrafo im Smartphone bis zum 1-GVA-Festkörpertransformator im Höchstspannungsnetz: Der Transformator bleibt unverzichtbar.

Anhang

Literaturverzeichnis

1. Borns (1883). „Die elektrische Ausstellung im Aquarium zu London“. Elektrotechnische Zeitung Nr. 4, S. 221-225 
2. Borns (1884). „Beleuchtung mittels sekundärer Generatoren“. Elektrotechnische Zeitung Nr. 5, S. 77-78 
3. Krause, M. (2010). Wie Nikola Tesla das 20. Jahrhundert erfand. Wiley-VCH, S. 104-105 
4. Jäger, K. & Heilbronner, F. (2010). Lexikon der Elektrotechniker (2. Auflage). VDE-Verlag 
5. Botland.de (2023). „Transformator – Was ist das und wie funktioniert er?“ 
6. Bioökonomie.de (2025). „Trafo auf Pflanzenöl-Basis für die Deutsche Bahn“ 
7. Landesbildungsserver Baden-Württemberg. „Hoch- und Niederspannungstransformatoren“ 
8. LPEMA (2025). „Umfassende Analyse von Hochfrequenztransformatoranwendungen“ 
9. Reinhausen. „Transformator Basics“ 
10. Botland.de (2024). „Transformatoren“ 
11. IEK Industry Reports (2025). „次世代電網關鍵設備:固態變壓器的商業化前景與挑戰“ 
12. Smithsonian Online Virtual Archives. „Halacsy and Von Fuchs Documentation for the Transformer History“ 

Wichtige Daten im Überblick

Jahr	Ereignis
1831	Michael Faraday entdeckt die elektromagnetische Induktion
1881	Gaulard und Gibbs stellen ersten technischen Transformator aus
1885	Zipernowsky, Déri, Bláthy patentieren Transformator mit Blechkern
1885	William Stanley verbessert den Transformator für Westinghouse
1886	Erste Wechselstromübertragung mit Transformation in Great Barrington
1891	Drehstromübertragung Lauffen–Frankfurt mit Dolivo-Dobrowolski-Trafos
~1900	Einführung der Ölisolation für Transformatoren
1907	Gisbert Kapp veröffentlicht Berechnungsgrundlagen
~1950	Verbreitung von Siliziumstahl-Kernen
2014	Siemens installiert erste Pflanzenöl-Trafos in Deutschland
2025	Deutsche Bahn setzt Pflanzenöl-Trafos ein

Glossar

• Autotransformator: Transformator mit nur einer Wicklung (galvanische Verbindung)
• Eisenverluste: Hysterese- und Wirbelstromverluste im Kern (lastunabhängig)
• Galvanische Trennung: Keine elektrische Verbindung zwischen Primär- und Sekundärseite
• Hochfrequenztransformator: Transformator für Frequenzen im kHz- bis MHz-Bereich
• Hysterese: Magnetische „Reibung“ bei der Ummagnetisierung des Kerns
• Kupferverluste: Verluste durch den Widerstand der Wicklungen (lastabhängig)
• Kurzschlussspannung: Spannung, die bei kurzgeschlossener Sekundärseite Nennstrom erzeugt
• Leerlauf: Zustand ohne Last an der Sekundärseite
• Magnetostriktion: Längenänderung magnetischer Materialien im Magnetfeld (verursacht Brummen)
• Messwandler: Spezialtransformatoren für Strom- und Spannungsmessung
• Ortsnetztransformator: Transformator von Mittelspannung auf Niederspannung (230/400 V)
• Spartransformator: Siehe Autotransformator
• Streufluss: Magnetischer Fluss, der nicht beide Wicklungen erfasst
• Trenntransformator: Transformator mit Übersetzung 1:1 (nur zur galvanischen Trennung)
• Übersetzungsverhältnis: Verhältnis der Windungszahlen (N₂/N₁)
• Wirbelstrom: Induzierter Strom im Kernmaterial (unerwünscht, wird durch Blechung reduziert)