Der Transformator

Beginnen wir doch gleich einmal mit dem Namen. Der Transformator ist so bekannt geworden, dass wir uns kaum mehr Gedanken darüber machen, wie er eigentlich zu diesem Namen gekommen ist. Der Begriff Transformator ist vom lateinischen Wort transformare abgeleitet worden. Übersetzt bedeutet das umwandeln oder umformen. Somit wird damit eigentlich die Aufgabe eines Transformators, der kurz auch Trafo genannt wird, erklärt. Wir wissen nun, was der Name bedeutet.

Die ersten funktionierenden Transformatoren standen ab 1885 zur Verfügung. Dies nachdem in Ungarn die ersten Patente an drei Herren erteilt wurden. Das waren neben Károly Zipernowsky (04.04.1853 – 29.11.1942), die Herren Miksa Déri (27.10.1984 – 03.03.1938) und Ottó Titusz Bláthy (11.08.1860 – 26.09.1939). Vertrieben wurden diese ersten Transformatoren durch die Firma Ganz + Cie in Budapest. Noch entsprach deren Transformator nicht den heutigen Modellen, aber am Prinzip hatte sich nicht viel geändert.

Der Transformator ist ein Bauteil, das nur bei Bahnen verwendet werden kann, die mit Wechselstrom arbeiten. Auch bei Drehstrom können Transformatoren verwendet werden, denn er hat viele Gemeinsamkeiten mit dem Wechselstrom. Bahngesellschaften, die mit Gleichstrom arbeiten, können den Transformator nicht nutzen und müssen andere Lösungen finden. Der Grund dafür ist simpel, denn Transformatoren funktionieren nur bei Wechselstrom und können bei Gleichstrom nicht ohne Probleme und komplizierte Tricks verwendet werden.

Heute funktioniert kaum ein Gerät mehr ohne Transformator. Wenn Sie mir nicht glauben, dann schauen Sie sich zu Hause um. Transformatoren gibt es in jeder Form und selbst die Versorgung mit elektrischer Energie funktioniert bei den meisten Häusern mit Wechselstrom. Warum das so ist, kann auf einfache Weise mit einem einzigen Wort erklärt werden, denn es gab den Transformator. Dadurch konnte man mit unterschiedlichen Spannungen arbeiten.

Mögen Sie sich noch an den Spannungswandler erinnern? Auch das Wort umwandeln ist Ihnen sicherlich noch nicht entfallen. Daher werden Transformatoren auch als Wandler bezeichnet. Genau genommen arbeiten die meisten Transformatoren jedoch nach dem Prinzip des Spannungswandlers. Doch letztlich spielt es kaum eine Rolle, denn Transformator ist ein so geläufiges Wort, dass niemand ernsthaft von einem Wandler sprechen wird.

 

Das Funktionsprinzip

Die Funktion eines Transformators basiert auf dem Prinzip des Elektromagnetismus. Ganz einfach kann man sagen, dass man für einen Transformator grundsätzlich drei Bauteile benötigt. Das sind zwei Spulen oder Wicklungen und einen Kern aus Eisen oder Ferrit. Wenn man das richtig anordnet, entsteht eine funktionierender Transformator. Doch schauen wir und das Funktionsprinzip etwas genauer an und das beginnt bei den Worten, die ich verwendet habe.

Für Profis und jene die sich selber dazu ernannt haben, kämen hier nun Fachbegriffe, die von magnetischer Feldstärke oder von magnetischer Flussdichte sprechen würden.

Das ist wirklich etwas, das nur für die Leute ist, die sich mit Transformatoren befassen müssen. Dort sind auch die Herren Tesla und Henri keine unbekannten Personen. Wir hier wollen jedoch nicht so stark ins Detail gehen, denn dann wird es für Laien zu kompliziert.

Wenn wir die Spule ansehen wollen, müssen wir uns in einen anderen Bereich vor wagen. Nehmen Sie mal das Nähkästchen Ihrer Frau zur Hand. Dort finden Sie den Faden, der auf einer Rolle aufgewickelt wurde.

Stellen Sie sich vor, der Faden wäre ein Draht aus Kupfer und schon haben Sie eine elektrische Spule. Auch beim Faden spricht man von einer Spule, wenn man diese Rolle meint. Sie können es mit glauben, gewisse Spulen bei einem Transformator sehen tatsächlich ähnlich aus.

Diese Spulen, die auch Wicklungen genannt werden, bieten dem Strom, der sie durchfliesst einen gewissen Widerstand. Das ist soweit klar, denn wir wissen, dass ein Material einem Strom einen gewissen Widerstand bietet.

Das ist in der Spule nicht anders, denn die Wicklung besteht aus einem metallischen Draht. Verwendet wird meistens Kupfer, es kann aber auch Aluminium verwendet werden. Wobei man klar dem Kupfer den Vorrang gibt.

Ich hoffe doch, sie haben nun die Spule mit dem Faden noch nicht zu weit weggelegt. Diese Spule hat in der Mitte ein Loch. In der Nähmaschine stecken Sie nun die Spule mit dem Faden auf einen metallischen Dorn. Jetzt stellen Sie sich vor, man bildet mit diesem Eisendorn einen Ring, wo man durch zwei Spulen steckt. Natürlich macht das beim Faden keinen Sinn, aber beim Transformator, denn dann spricht man von einem Kern.

Wir haben nun einen grundsätzlichen Transformator erstellt. Natürlich funktioniert dieser mit dem Faden nicht. Wichtig ist, dass wir durch die beiden Spulen einen Kern aus Eisen oder Ferrit stecken. Ob dieser nun rund oder eckig ist, spielt für die Funktion des Transformators keine Rolle. Es bleibt uns nun eigentlich nichts anderes mehr übrig, als die Funktion nun genauer anzusehen. Dabei verwenden wir zwar ein paar Fachbegriffe, aber ich verspreche diese so selten, wie nur möglich zu verwenden.

Die Primärwicklung: Die Primärwicklung ist der eigentliche Eingang des Transformators. Diese Wicklung wird bei der Lokomotive mit dem Hochspannungskabel und der Erdungsbürste verbunden. Daher auch der Name Primärwicklung, denn sie liegt auf der ersten Seite des Transformators. Wobei das eigentlich für die Funktion keine Rolle spielt, denn man könnte den Transformator auch in die andere Richtung betreiben. Er funktioniert daher bidirektional.

Diese Primärwicklung, die auch Primärspule genannt wird, erzeugt durch den Strom, der durch die Leiter fliesst ein Magnetfeld. Das passiert eigentlich bei jeder Spule, die von Strom durchflossen wird. Dadurch entsteht im Kern aus Eisen eine elektromagnetische Induktion. Der Widerstand in den Leitungen der Spule steigt dadurch an, so dass neben dem normalen Widerstand auch ein induktiver Widerstand entsteht.

Wir haben nun eine Spule, die durch die Wechselspannung ein magnetisches Feld erzeugt. Dieses magnetische Feld um die Leitungen kennen Sie vielleicht und Sie fürchten sich bei der Hochspannungsleitung über dem Dach davor, denn genau diesen Magnetismus nutzt man im Transformator nun um die gewünschte Funktion zu erreichen. Das heisst, die magnetischen Felder werden in den Eisenkern induziert. Daher wechseln wir nun auch zum Eisenkern.

Der Eisenkern: Der Kern aus Eisen oder Ferrit wird durch die Spannung in der Primärspule magnetisiert. Es entsteht ein Magnetfeld, das sich im Metall ausbreitet. Die Magnetfelder richten sich dabei immer vom Positiven zum negativen Pol aus. Sie haben vielleicht im Fernsehen schon von solchen Magnetfeldern gehört. Diese gibt es natürlich und wir leben nur auf diesem Planet, weil es diese Magnetfelder gibt.

Die Magnetfeldlinien treten beim Nordpol aus und bilden einen Kreis, der sie durch das All wieder zum Südpol führt. Diese Magnetfeldlinien verhindern, dass kosmische Strahlung, wie der Sonnenwind, auf den Planeten treffen kann.

Bei den Polen, wo die Linien eine Lücke bilden, können diese Strahlen in die Atmosphäre eindringen und dort die bekannten Nordlichter bilden, die am Südpol logischerweise Südlichter genannt werden.

Diese Feldlinien entstehen nun auch in unseren Eisenkern. Es entsteht ein magnetischer Fluss im Eisenkern. Wie dicht dieser magnetische Fluss ist, hängt vom Metall und von den elektrischen Daten ab.

Wir hier beschränken uns darauf, dass durch die Primärspule im Eisenkern ein magnetischer Fluss entsteht. Die elektrischen Daten sind zum Beispiel die Frequenz, denn je niederer diese Frequenz ist, desto schlechter sind die Induktion in den Eisenkern und daher der magnetische Fluss.

Hier liegt auch der Grund, dass ein Transformator, der für 50 Hertz ausgelegt ist, unter 16.7 Hertz nur eine geringere Leistung hat. Durch die geringere Frequenz kann im Eisenkern nur ein kleinerer magnetischer Fluss erzeugt werden.

Will man einen Transformator für 16.7 Hertz bauen, benötigt man deshalb viel mehr Eisen. Dadurch steht mehr Platz für den magnetischen Fluss bereit und der Transformator funktioniert wieder richtig.

Je tiefer die Frequenz ist, desto geringer ist die magnetische Induktion in den Eisenkern. Das hat Auswirkungen auf den magnetischen Fluss, den man mit mehr Eisen ausgleichen kann.

Daher kann der Transformator mit Gleichstrom nicht betrieben werden. Bei Gleichstrom entsteht trotz der Induktion im Eisenkern kein magnetischer Fluss. Daher kann auch keine Spannung in die zweite Spule übertragen werden. Wie das geht, sehen wir uns an.

Die Sekundärwicklung: Die Sekundärwicklung ist die zweite Wicklung in einem Transformator. Durch den magnetischen Fluss im Eisenkern, wird nun in dieser Wicklung eine Induktion erfolgen. Das Prinzip funktioniert nun eigentlich umgekehrt zur Primärwicklung, wo mit Hilfe der Spannung eine magnetische Induktion erfolgte. Jetzt erfolgt durch den magnetischen Fluss eine elektrische Induktion.

Die Sekundärspule wird dabei eine Wechselspannung mit der gleichen Frequenz erzeugen. Der Grund ist simpel, denn die Frequenz hängt davon ab, wie oft in einer Sekunde der magnetische Fluss seine Richtung ändert. Diese Richtungsänderungen sind aber von der Primärspule und der dort anliegenden Frequenz vorgegeben. Daher kann in der Sekundärwicklung nur die gleiche Frequenz entstehen.

Damit haben wir uns nun mit Fachbegriffen befassen müssen. Vereinfacht ausgedrückt erzeugt die erste Spule eine Induktion. Diese führt zu einem magnetischen Fluss, welcher dann eine zweite Induktion in der zweiten Spule hervorruft. Für den Laien reicht es eigentlich, wenn er weiss, dass im Eisenkern ein Magnetfeld entsteht. Warum das nun fliessen muss oder nicht, ist schon etwas für Profis. Jedoch können Sie eine Berechnung durchführen.

Unser Transformator hat in der Primärwicklung 15'000 Windungen und wird mit 15'000 Volt versorgt. Natürlich entspricht das nicht der realen Ausführung, ich arbeite mit vereinfachten Zahlen, damit es nicht zu kompliziert zum Rechnen wird. Der Strom der in dieser Leitung fliesst, liegt bei einem Ampère. Damit wird nun im Eisenkern ein magnetischer Fluss erzeugt. Dieser hat nun Auswirkungen auf die zweite Spule.

Bei der Sekundärspule haben wir 150 Windungen und somit eine Spannung von 150 Volt. Mit dem Strom passiert nun etwas ganz anderes, denn hier verläuft der Wert umgekehrt. Das heisst, wir erhalten mehr Strom, als in der Primärspule fliesst. Wenn primär ein Ampère fliesst, erhalten wir sekundär 100 Ampère. Diese Berechnung nennt man Transformatorformel. Den Grund dafür sehen wir, wenn wir die Leistung dieses Transformators ansehen. Diese berechnet sich aus Spannung und Strom.

Die vorhandene Leistung in der Primärwicklung rechnen wir daher 15‘000 Volt mal ein Ampère, so entsteht eine Leistung von 15‘000 VA. Genau diese Leistung muss nun auch auf der sekundären Seite anliegen. Wenn wir die Leistung durch die Spannung von 150 Volt teilen, erhalten wir 100 Ampère. Das stimmt jedoch nur theoretisch, denn praktisch haben wir Widerstände in den Spulen, aber auch im Eisenkern und somit einen Verlust.

Unser Beispieltransformator hat noch einen Nebeneffekt, den wir nicht vernachlässigen dürfen. Berühren wir einen Draht der Sekundärspule und stehen auf dem Boden unserer Lokomotive passiert nichts. Wir bekommen keinen Stromschlag, weil es zwischen der Sekundärspule und dem Boden keine elektrische Verbindung gibt. Das macht man sich bei speziellen Transformatoren zu nutze. Deshalb wollen wir uns nun ein paar Bauformen von Transformatoren ansehen.

 

Die Bauformen

Den vorher mit der Funktion beschriebenen Transformator, nennt man auch Normaltransformator. Ein Transformator ist also normalerweise so aufgebaut worden. Das heisst, er hat zwei Spulen, die elektrisch nicht miteinander verbunden sind und einen gemeinsamen Eisenkern. Man nennt das auch eine galvanische Trennung der beiden Spulen. Wir haben daher zwei komplett voneinander getrennte Stromkreise.

Es ist viel Kupfer nötig um die beiden Spulen zu erzeugen. Kupfer ist aber schwer und so wird unser Transformator sehr schwer. Es verwundert deshalb nicht, dass unser Transformator das grösste und schwerste Bauteil bei einer Lokomotive ist. Deshalb benötigen wir einen speziellen Ort um den Transformator zu montieren. Das ist meistens in der Mitte der Lokomotive. So ist die Gewichtsverteilung möglichst gleichmässig. Aber nicht jeder Transformator steht im Maschinenraum, denn ein Triebwagen hat keinen Platz im Maschinenraum.

Bei modernen Lokomotiven, aber auch bei Triebwagen werden Transformatoren unterflur montiert. Das heisst, sie sind nicht mehr im eigentlichen Maschinenraum platziert, sondern unter dem Fahrzeugboden aufgehängt. Der Vorteil dieser Bauweise ist, dass der Durchgang durch das Fahrzeug in einem geraden Gang möglich ist. Einen Nachteil bildet jedoch die Gefahr von Beschädigungen durch im Gleis liegende Gegenstände.

Soweit zu den normalen Transformatoren. Diese werden normalerweise so aufgebaut. Die nachfolgend aufgeführten Transformatoren haben allesamt eine spezielle Bezeichnung erhalten. Wenn Sie deshalb einen Transformator für Ihre Modellbahn kaufen, können Sie sicher sein, dass es sich um einen normalen Transformator handelt. Die Vorschriften lassen dort nämlich nur einen der hier beschriebenen Transformatoren zu. Sie werden schnell erkennen, welcher es ist.

Der Trenntransformator: Beginnen wir mit dem speziellen Transformator, der mit dem vorgestellten Standardmodell am nächsten verwandt ist. Speziell an ihm ist die Tatsache, dass er keine Veränderung der Spannung bewirkt. Sie haben richtig gelesen, der Trenntransformator hat zwei identische Spulen und bewirkt daher keine Änderung der Spannung. Nur, warum baut man denn diesen Transformator überhaupt?

Wo liegt der Grund für die gleiche Spannung auf beiden Seiten? Der Grund liegt in der Tatsache, dass man gar keine Veränderung der Spannung will, sondern den zweiten Punkt dieser Transformatoren, man kann die Spannung nach dem Transformator galvanisch trennen. Es gibt zwischen dem Stromkreis vor und nach dem Trenntransformator keine elektrische Verbindung. Am besten erkläre ich das an einem Beispiel, das Sie besser verstehen können.

Gehen wir dazu in Ihr Bad. Sie liegen genüsslich in der Badewanne und daneben frisiert sich gerade Ihre Frau. Dabei entgleitet ihr der Fön und fällt in Ihre Badewanne. Dabei passiert folgendes. Der Strom im Fön wird durch Ihr Badewasser mit der Erde verbunden und es fliesst nun ein hoher Strom gegen die Erde ab. Der Grund dazu liegt im Kraftwerk, denn dort ist ein Leiter, der so genannte Nullleiter mit der Erde verbunden.

Sie erleiden dadurch einen tödlichen Stromschlag und Ihre Frau kann endlich den Hausfreund zu sich ziehen lassen. Das sind dann Ihr Pech und das Glück Ihrer Frau. Zumindest dann wenn sie ihn hat absichtlich fallen lassen. Natürlich ist das Beispiel frei erfunden und sollte nicht nachgeahmt werden. Gehen Sie daher nie baden, wenn sich Ihre Frau frisiert. Sicher ist sicher, denn das ist wirklich sehr gefährlich, es sei denn, man baut die Stromversorgung für das Badezimmer speziell.

Haben Sie nun einen Trenntransformator in die Stromversorgung des Badezimmers eingebaut, ist dessen zweite Spule nicht über einen metallischen Leiter mit dem Kraftwerk verbunden, da die beiden Spulen keine elektrische Verbindung zu einander haben. Sie sind wie beim normalen Transformator galvanisch getrennt, haben jedoch auf beiden Seiten gleiche Spannung. Hier liegt auch der Grund für den Namen, denn der Trenntransformator, trennt nun Ihr Badezimmer elektrisch vom Hausanschluss.

Ihre Frau kann nun den Fön so lange in die Badewanne werfen wie sie will, Ihnen passiert nichts, weil der Kurzschlussstrom nicht über die Erde abfliessen kann. Es besteht ja nirgends eine metallische Verbindung. Es entsteht zwar ein Kurzschluss auf der Sekundärspule des Trenntransformators aber auch nicht mehr. Der Trenntransformator schützt Sie aber nicht Ihre Frau, denn Sie können sie nun zur Rechenschaft ziehen und rechtliche Schritte einleiten.

Versuchen Sie es nicht, Ihr Haus hat sicher keinen Trenntransformator und Sie sollten aufpassen, wenn Ihre Frau die Haare trocknet und Sie in der Badewanne liegen. Trenntransformatoren werden jedoch in öffentlichen Bädern für die Beleuchtung der Schwimmbecken verwendet. Bei speziellen Arbeiten, wo es eventuell für den Arbeiter zu gefährlich werden kann, sind solche Trenntransformatoren sogar durch den Gesetzgeber vorgeschrieben.

Solche Trenntransformatoren sind aber auch in Lokomotiven im Einsatz, denn ein Transformator mit zwei Spulen ist immer ein Trenntransformator, auch wenn er die Spannung umwandelt. Deshalb merken Sie sich, dass ein Transformator mit zwei Spulen immer eine galvanische Trennung ermöglicht. Es sei den, Sie sind so blöd und verbinden ein Kabel der sekundären Seite mit der Erde. Jedoch ist Ihnen dann nicht zu helfen, denn dann hätten Sie auch gleich einen Spartransformator verwenden können.

Der Spartransformator: Da Metalle schwer sind, versucht man immer wieder Lösungen zu finden, um bei einem Transformator Gewicht zu sparen. Daher blicken wir auf die Metalle, die in einem Transformator verwendet werden. Der Kern ist aus Eisen und er kann nicht verändert werden. Daher kann man nur beim Kupfer und dabei bei den Spulen Gewicht sparen. Machen wir das, erhalten wir einen Spartransformator. Der Name kommt von den Einsparungen beim Gewicht.

Gerade bei Lokomotiven mit hohen Leistungen, wurde früher oft um jedes Gramm gekämpft. Wobei das nicht der einzige Ort für solche Transformatoren ist, denn Sie werden es kaum vermuten, aber in Ihrem Auto gibt es auch einen Transformator. Diese Autotransformatoren sind jedoch genau gleich aufgebaut, wie der hier vorgestellte Spartransformator. Es gibt daher auch beim Modell für das Auto nur eine einzige Spule.

Um nun die, bei einem Transformator gewünschte Veränderung der Spannung zu bewirken, nutzt man eine Eigenschaft von Spulen, die in einem Transformator verwendet wurden. Die Spannung wird innerhalb der Spule gleichmässig verringert. Das heisst, je näher ich die Spannung in der Spule beim Erdpunkt messe, desto geringer ist die gemessene Spannung. Die volle anliegende Spannung ist nur an den beiden Enden der Spule vorhanden. Wenn man messen kann, kann man die Spannung dort auch abgreifen.

Ein Abgriff innerhalb einer Spule nennt man Anzapfung. Anzapfungen sind daher nichts anderes, als Anschlüsse irgendwo innerhalb der Spule, wo man eine Spannung abzapft.

Dazu nehmen wir wieder unseren Transformator mit den vereinfachten Werten. Ich hatte dort in der Primärspule 15'000 Windungen. Baue ich in dieser Spule nach 150 Windungen einen Anschluss ein, habe ich die gleiche Spannung wie auf der anderen Spule. Sie ist jedoch mit der ursprünglichen Spule verbunden.

So können an einem Transformator dank den Anzapfungen mehrere unterschiedliche Spannungen abgenommen werden. Es ist so möglich, einen Motor oder eine Lampe mit unterschiedlichen Spannungen zu betreiben.

Womit wir eigentlich schon bei der Regulierung der Fahrmotoren angelangt sind. Dazu kommen wir in diesem Artikel aber erst weiter unten. Doch gehen wir zur klassischen Modellbahn, wie es sie vielleicht bei Ihnen im Kinderzimmer gibt.

Der Modellbahntransformator: Transformatoren für Modellbahnen müssen sich an spezielle Vorschriften halten. Hier kommen daher Transformatoren mit zwei Wicklungen zum Einsatz.

So ist gesichert, dass es keine Gefahr für die Kinder gibt. Es muss daher ein Trenntransformator mit unterschiedlichen Spannungen verwendet werden. Ausnahmen von dieser Vorschrift gibt es keine, denn das ist der wichtigste Teil des Transformators.

Damit die Spannung für die Züge reguliert werden kann, wurde die Sekundärspule dieser Modellbahntrans-formatoren speziell gefertigt.

Die Wicklungen dieser Spule liegen im Transformator schön gereiht nebeneinander. Zudem sind die Drähte der Wicklung an der Oberfläche von der Isolation befreit.

Das Metall liegt daher blank an der Oberkante der Spule. Dort kann man nun die verlangten Spannungen abgreifen.

Das erfolgt mit einem Schleifer, der über diese blanken Windungen verschoben wird. Schliesst man nun an diesem Schleifer ein Kabel an, kann man unterschiedliche Spannungen abgreifen.

Der Schleifer verschiebt sich auf der Spule und je nach Stellung wird eine andere Spannung abgenommen. Wir haben dadurch nahezu eine stufenlose Regelung der Spannung. Sie können die Züge auf der Modellbahn damit regulieren und sich so am Betrieb erfreuen.

Das funktioniert bei mit Gleichstrom betriebenen Modellbahnen identisch, denn nach diesem Abgriff der Spannung erfolgt die Gleichrichtung.

Wobei ich hier natürlich sagen kann, dass diese Transformatoren für Modellbahnen auch an anderen Orten verwendet werden können. Zudem werden diese hier als Modellbahntransformatoren bezeichneten Transformatoren in ihrem ursprünglichen Bereich durch moderne Steuerung ersetzt.

Damit sind wir nun am Ende der Sonderbauformen angelangt. Die Transformatoren für die Modellbahn haben nun aber gezeigt, dass die Spule mit isoliertem Draht aufgebaut wurde. Es stellt sich nun die Frage, wie man diese Spulen wirklich aufbaut und wie man einen Transformator kühlen muss. Schliesslich werden Leiter, die von Strom durchflossen werden, warm. Sehen wir uns daher die Isolation und die Kühlung der Transformatoren genauer an.

 

Isolation und Kühlung

Sie haben das vorhin richtig gelesen, die einzelnen Windungen einer Wicklung sind isoliert. Nur so kann die Spule überhaupt funktionieren. Aber Sie haben auch gelesen, dass der Eisenkern keine elektrische Verbindung macht. Daher müssen vermutlich die Spulen gegenüber dem Eisenkern isoliert werden. Daher lohnt es sich, wenn wir kurz auf die Isolation eines Transformators sehen, denn die ist sicherlich nicht zu vernachlässigen.

Zur Isolation der in einem Transformator eingebauten Leitungen verwendet man unterschiedliche Materialien. So gibt es mechanisch stabile Bauteile, die mit der Hilfe von Kunststoffen isoliert werden. Hinzu kommen Isolationen aus speziellem Papier und weitere dazu geeignete Stoffe. Es werden daher in einem Transformator keine besonderen Materialien für die Isolation verwendet. Jedoch nutzt man zur Isolation eines Transformators auch das Kühlmittel, denn jeder Transformator muss gekühlt werden.

Speziell bei Transformatoren ist, dass sie, obwohl sie rein rechnerisch keine Leistung vollbringen, warm werden. Der Grund liegt dabei in den elektrischen Leitungen, die vom Strom durchflossen werden. Diese Leitungen werden um das Gewicht zu reduzieren, möglichst knapp bemessen. Ähnliches gilt auch für die Produkte, die zur Isolation benutzt werden. Das führt dazu, dass ein Transformator warm werden kann. Wir müssen ihn daher kühlen.

Luft: Man kann Transformatoren ganz normal mit Luft kühlen. Das erfolgt bei den kleineren Modellen, wie Sie sie zu Hause verwenden. Das Material wird warm und wird durch die Luft der Umgebung gekühlt. Speziell bemerken Sie das beim Ladegerät für Ihren tragbaren Computer. Das wird warm, wenn Sie den Computer angeschlossen haben. Diese Wärme wird durch das Gehäuse abgeführt. Wir kühlen das Material daher mit Luft.

Die Kühlung mit Luft ist eine einfache Möglichkeit um zu verhindern, dass der Transformator zu heiss wird. Jedoch hat Luft einen Nachteil, denn sie kann unterschiedlich gut isolieren. Ist die Luft feucht, leitet sie Elektrizität eher, als wenn sie trocken ist. Daher muss die Isolation der Bauteile und Leitungen stärker ausgeführt werden. Man kann die Luft nicht zur Isolation benutzen, ohne dass man viel Gewicht in die anderen Isolationen steckt.

Trotzdem, für diese Transformatoren, die oft für geringe Leistungen ausgelegt sind, reicht diese Art der Kühlung problemlos aus. Daher hängt das verwendete Kühlmittel auch vom Aufbau des Transformators ab. Transformatoren, die mit Luft gekühlt werden sind daher recht schwer, da man viel Gewicht. Die Isolationen mussten wegen der bescheidenen Kühlung verstärkt werden. Das gilt aber auch für die Metalle in den Spulen.

So gesehen ist die Kühlung mit Luft eine bescheidene Kühlung. Um die Leistung der Transformatoren zu erhöhen, muss man daher zu anderen Mitteln zur Kühlung und zur Isolation nutzen, denn nun kommen wir zu den Methoden der Kühlung, die zugleich auch der Isolation dient. Wobei sie überrascht sein werden, was für Mittel bei der Kühlung eines Transformators verwendet werden können. Daher fahren wir nun mit den Flüssigkeiten weiter.

Das Transformatoröl: Bei der Kühlung mit Flüssigkeiten beginne ich beim Öl. Der Grund dafür ist simpel, denn diese Transformatoren lösten bei den Lokomotiven die Modelle, die mit Luft gekühlt wurden, ab. Es gab so eine Möglichkeit, die Leistung der Transformatoren bei gleichem oder sogar geringerem Gewicht zu erhöhen. Daher denke ich, dass wir uns auch mit der Kühlung durch Öl befassen müssen.

Zudem bietet Öl eine wirksame Möglichkeit die Isolation in einem Transformator zu verbessern. Damit kann das Gewicht für die Isolationen, die aus festen Stoffen bestehen, verringert werden.

An die Stelle von Papier trat nun weiterhin Papier, das aber durch das Öl getränkt wurde und so besser isolieren konnte. Dazu wird dem Papier bei 100°C im Vakuum das Wasser entzogen und dieses dann durch das Öl ersetzt. So verbesserte sich die Isolationsfähigkeit des Papiers deutlich.

Dabei kommen jedoch spezielle für diesen Zweck entwickelte Öle zur Anwendung. Man nennt diese Öle deshalb Transformatoröl. Sie zeichnen sich durch die Tatsache, dass sie gut isolieren, aus.

Daher kann das Öl auch als zusätzliche Isolation benutzt werden. Hingegen bietet das Öl auch bei der Kühlung der Transformatoren einen grossen Vorteil. Daher verwendet man diese Transformatoröle auch als Kühlöl und somit zur Kühlung des Transformators.

Kühlöle zeichnen sich durch eine gute Aufnahme von Wärme aus. Dadurch kann mit dem Öl eine viel grössere Menge Wärme abgeführt werden. Die Folge davon war, dass man die Leiter stärker erwärmen konnte.

Diese Möglichkeit reduzierte das Gewicht des Kupfers so, dass die Transformatoren trotz der Füllung mit Öl leichter gebaut werden konnten. Daher konnten sich diese Transformatoren durchsetzen.

Mit Hilfe einer Umwälzpumpe, also einer Pumpe, die das Öl künstlich in Bewegung versetzt, kann eine gezielte Kühlung im Transformator erreicht werden. Solche Umwälzpumpen kommen auch bei anderen Ölen, die zur Kühlung genutzt werden, zum Einsatz.

Sie sorgen dafür, dass sich kein Öl an einer Stelle zu stark erwärmen kann. Jedoch hat die forcierte Kühlung mit einer Umwälzpumpe für das Transformatoröl negative Auswirkungen.

So gut die Kühlung mit Transformatoröl auch funktioniert, sie hat ein Problem. Das Öl muss regelmässig ersetzt werden, weil es sich zersetzt und dann plötzlich leitend werden kann. Ohne diesen Wechsel gäbe es einen Kurzschluss im Transformator. Damit man diese Fristen verlängern konnte, wurde bei besonders stark belasteten Transformatoren der Stoff PCB zugesetzt. So konnte die Zeit bis zum Wechsel vergrössert werden.

PCB steht für Polychloriertes Biphenyl. Dieser Zusatz wurde dem Transformatoröl zugegeben um die Lebensdauer des Öls zu verbessern. Da die Verbindung jedoch Chlor enthält, gilt sie als giftig und ist krebserregend. Das führte dazu, dass PCB als Zusatzstoff in Transformatoren seit dem 22. Mai 2001 weltweit verboten wurde. Dabei ist nicht nur seine Giftigkeit ein Problem. Man könnte sogar sagen, dass es noch das kleinere Übel ist.

PCB ist wie das Transformatoröl brennbar. Gerät ein solcher Transformator wegen einem Kurzschluss in Brand, entsteht durch die Verbrennung der Verbrennungsrückstand Dioxin. Dioxin ist ein hochgiftiger Stoff, der durch die Katastrophe von Seveso bekannt geworden ist.  Das als Sevesogift bekannte Dioxin ist im direkten Kontakt hoch giftig und gilt als krebsfördernd. Es ist ebenfalls weltweit verboten und wird nicht mehr verwendet.

Mittlerweile wurden aber diese Transformatoren ersetzt. Transformatoren auf Lokomotiven gehören aber nicht zu dieser Gruppe von PCB verseuchten Transformatoren. Das heisst, die Öle, die hier verwendet werden, sind nicht mit PCB belastet. Das heisst aber nicht, dass diese Öle, sollten sie in die Umwelt gelangen, harmlos sind. Daher musste man andere Mittel finden, die ähnliche Eigenschaften haben, sich aber besser mit der Umwelt vertragen.

Der Polyolester: Eine Lösung um das Transformatoröl zu ersetzen bietet der Polyolester. Diese Flüssigkeit hat ähnliche Eigenschaften, wie das Transformatoröl. Polyolester wird mit POE abgekürzt und besteht aus mehreren Alkoholen, die verestert wurden. Der Vorteil dieser Kühlmittel ist die Tatsache, dass sie in der Natur abgebaut werden können. Sie sind daher nicht mehr so belastend, wie die Transformatoröle.

Polyole sind mehrwertige Alkohole, die aus einer grossen Gruppe von einzelnen Stoffen besteht. Bekannte Polyole sind zum Beispiel Glycerin oder Ethylenglykol, das als Frostschutz verwendet wird. Hergestellt werden Polyole aus Ölen der Petrochemie oder aus Pflanzenölen. Gerade letztere sind umweltverträglich und kommen daher bei den entsprechenden Transformatoren an Stelle des bisherigen Transformatoröls zur Anwendung.

Dieses alkoholische Kühlmittel ist daher gut für Transformatoren geeignet. Polyolester ist in der Anwendung ähnlich wie das Transformatoröl. Es verbindet sich jedoch nur schwer mit mineralischen Ölen, wie zu Beispiel dem Transformatoröl. Ölrückstände führen daher nicht zum Problem mit der Isolation. Wobei man den Polyolester als Kühlmittel in Transformatoren nur als Zwischenlösung bezeichnen konnte, denn es gab wesentlich bessere und umweltverträglichere Kühlmittel.

Das Kühlwasser: Eine bessere Flüssigkeit zum kühlen von erhitzten Bauteilen ist Wasser. Wasser wird daher schon seit Urzeiten zur Kühlung verwendet. Es ist zudem ein in der Umwelt weit verbreiteter Stoff, der sich gut verträgt, weil er auch im natürlichen Umfeld vorhanden ist. Nur, Wasser, so wie wir es von der Wasserleitung her kennen, kann in einem Transformator nicht verwendet werden.

Wir trinken mit dem Trinkwasser im Grunde Mineralwasser. Das Wasser ist mit Mineralien und Salzen durchsetzt. Der Anteil ist so gering, dass wir diese Stoffe im Wasser nicht merken. Einen erhöhten Anteil dieser Zusätze haben spezielle benannte Mineralwasser, die man in Flaschen kaufen kann. Jedoch ist dieses Wasser für den Transformator nicht geeignet, denn die Mineralien machen es elektrisch leitend und das will man nicht.

Man muss dieses Wasser von den Mineralien befreien. Das kann man zum Beispiel durch erhitzen und wieder abkühlen erreichen. Es entsteht so destilliertes Wasser. Dieses Wasser ist chemisch rein und kann keine Elektrizität mehr leiten. Der Grund ist die Zusammensetzung, die nun nur noch aus Wasserstoff und Sauerstoff besteht. Solches Wasser ist gut für die Kühlung von Transformatoren geeignet und ist im höchsten Masse umweltverträglich.

Wasser hat jedoch einen Nachteil. Durch die forcierte Kühlung kann es Metalle auswaschen. Das führt dazu, dass sich im Wasser wieder Spurenelemente bilden. Das kann dazu führen, dass das Wasser plötzlich wieder leitend wird und so ein Kurzschluss entstehen kann. Jedoch sind diese Transformatoren bei der Entstehung dieses Artikels noch sehr neu, so dass kaum Angaben über die langfristigen Probleme gemacht werden können.

Damit wären wir nun beinahe fertig mit den Möglichkeiten einen Transformator zu kühlen. Jedoch haben wir mit der Luft begonnen und sind über die Flüssigkeiten wieder zur Luft gelangt. Genau genommen kann man einen Transformator sehr gut mit Gas kühlen. Bevor Sie nun erschrecken, es ist spezielles Gas, dass hier verwendet wird, daher sehen wir uns noch die Gaskühlung für Transformatoren an.

Die Gaskühlung: Bei der Kühlung mit Gasen kommen wir nun zur zweiten Variante. Die erste lernten wir schon kennen, denn die erfolgte mit der normalen Luft. Nun aber wollen wir uns eine Variante ansehen, die statt Luft, ein klar definiertes Gas enthält. Beim Hauptschalter lernten Sie, dass sich Elektrizität im luftleeren Raum nicht ausbreiten kann. Gewisse Gase bieten diese Möglichkeit auch. Daher lohnt es sich, wenn wir auf die Kühlung mit Gas eingehen.

Durch das Gas hat man nicht die Probleme von Öl und Wasser. Gas ist nicht flüssig und kann deshalb keine Metalle auswaschen und so plötzlich leitend werden. Man kann die Gase ewig verwenden und muss sie nicht regelmässig auswechseln. Jedoch muss beachtet werden, dass für die Kühlung mit Gasen nicht jedes Gas geeignet ist. Es gibt durchaus auch leitende Gase. Es wird deshalb für die Kühlung von Transformatoren nur SF6 Gas verwendet.

Mit der Abkürzung SF6 können Sie nicht viel anfangen. SF6 ist die Abkürzung für Schwefelhexafluorid. Der Name dieses Gases hört sich nur schon wegen dem Teil Schwefel als gefährlich an. Schwefelhexafluorid besteht aus Schwefel und Fluor. Diese chemische Verbindung führte zu einem Gas, das inert ist und daher zu der Gruppe der Edelgase gezählt werden kann. Das nur SF6 genannte Gas ist daher unbrennbar und ungiftig.

Weil SF6 aufgrund seiner hohen Dichte sehr schwer ist, kann es aber für den Menschen oder für Tiere erstickend wirken. Die Lungen können eingeatmetes Schwefelhexafluorid nur sehr schwer aus dem Körper drücken. Das Gas bleibt daher in den Lungen. Das führt dazu, dass kein Sauerstoff mehr in die Lungen geraten kann. Sie müssen einen Handstand machen, damit das Schwefelhexafluorid aus den Lungen fliessen kann.

SF6 kann als Isoliergas zur Isolation von Transformatoren genutzt werden. Dort zeichnet es sich durch seine hohe Isolierfähigkeit aus. Diese liegt über den Werten anderer Gase, so dass Schwefelhexafluorid auch für die Hochspannung bis zu 800‘000 Volt geeignet ist. Das Gas ist zudem nicht brennbar, was gerade bei Transformatoren hilfreich sein kann, da es bei einem allfälligen Brand sogar als spezielles Löschgas verwendet werden kann.

Schwefelhexafluorid steht jedoch auf der Liste der schlimmsten Treibhausgase. Jedoch kommen solche Transformatoren bei Lokomotiven und Triebwagen nicht zur Anwendung. Transformatoren bei den Lokomotiven werden entweder mit Luft oder mit Flüssigkeiten gekühlt. Gerade bei den Flüssigkeiten wurden mit dem Polyolester und dem Wasser grosse Fortschritte im Umweltschutz gemacht, so dass man nicht auf Gase setzen muss. Sie wissen ja, Gase sind in der Schweiz bei den Eisenbahnen verboten.

 

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