Eine Autotransformator ist eine Art von elektrisch Transformator der eine einzige durchgehende Wicklung nutzt, um elektrische Energie zwischen Stromkreisen zu übertragen. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Transformator mit getrennten Primär- und Sekundärspulen nutzt der Autotransformator einen Teil derselben Wicklung sowohl für den Eingang als auch für den Ausgang. Durch diese Bauweise ist er kompakter, leichter und effizienter für Anwendungen, bei denen keine elektrische Trennung zwischen den Stromkreisen erforderlich ist.
Ganz gleich, ob Sie einem Autotransformator in einem Umspannwerk, einem Motorstarter-Schaltkasten oder einer variablen Wechselstromversorgung im Labor begegnen – er gehört zu den praktischsten und am häufigsten verwendeten Transformatorentypen in der Elektrotechnik. In diesem Leitfaden wird erläutert, wie er funktioniert, welche Typen es gibt, wie er sich im Vergleich zu herkömmlichen Transformatoren verhält und wo er in realen Systemen zum Einsatz kommt.
Ein Autotransformator ist ein Transformator mit einer einzigen Wicklung, die um einen laminierten Magnetkern gewickelt ist. Der Begriff “Auto” leitet sich vom griechischen Wort für “selbst” ab – die einzelne Wicklung wirkt auf sich selbst ein, anstatt auf zwei getrennte Spulen zurückzugreifen. Die Wicklung verfügt über mindestens drei Anschlüsse: zwei Endanschlüsse und einen oder mehrere Abgriffspunkte entlang der Spule.
Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass sich der Primär- und der Sekundärkreis einen Teil des gleichen Strompfades teilen. Die Energieübertragung erfolgt sowohl durch elektromagnetische Induktion (über den Kern) als auch durch direkte elektrische Leitung (über den gemeinsamen Wicklungsabschnitt). Dieser duale Mechanismus verleiht dem Autotransformator seine Vorteile hinsichtlich Wirkungsgrad und Baugröße.
Da zwischen Ein- und Ausgang keine galvanische Trennung besteht, ist ein Autotransformator nicht für jede Anwendung geeignet. Wo jedoch keine Trennung erforderlich ist – und das Spannungsverhältnis in einem praktikablen Bereich liegt –, übertrifft er einen herkömmlichen Zweiwicklungstransformator mit gleicher Nennleistung in Bezug auf Kosten, Größe und Wirkungsgrad.
Das Funktionsprinzip eines Autotransformators folgt denselben elektromagnetischen Gesetzen wie das jedes anderen Transformators: Ein Wechselstrom in der Wicklung erzeugt einen sich ändernden Magnetfluss im Kern, der in der Wicklung eine Spannung induziert, die proportional zur Anzahl der Windungen ist.
Was den Autotransformator auszeichnet, ist die Art und Weise, wie die Ein- und Ausgangsanschlüsse über diese einzige Wicklung verteilt sind. Durch die Wahl verschiedener Abgriffspunkte kann dasselbe physikalische Gerät die Spannung erhöhen, senken oder einen variablen Ausgang bereitstellen.
Stellen Sie sich eine Spule mit 200 Windungen vor, die an eine 240-V-Wechselstromquelle angeschlossen ist. Die gesamte Wicklung führt den Eingangsstrom und erzeugt ein Magnetfeld. Wenn Sie eine Last nur an 100 Windungen dieser Wicklung anschließen, beträgt die induzierte Spannung in diesem Abschnitt 120 V – die Hälfte der Eingangsspannung.
Der Teil der Wicklung, durch den sowohl der Eingangs- als auch der Ausgangsstrom fließt, wird als gemeinsame Wicklung. Der verbleibende Teil, durch den nur der Primär- oder Sekundärstrom fließt, ist der Reihenschaltung. Bei einer Abwärtskonfiguration befindet sich die Reihenschaltung zwischen dem Eingangsanschluss und dem Abgriffpunkt. Bei einer Aufwärtskonfiguration erstreckt sich die Reihenschaltung vom Abgriffpunkt bis zum anderen Ende der Spule.
Ein Autotransformator kann je nachdem, wo die Eingangsspannung angelegt und wo der Ausgang abgenommen wird, als Aufwärts- oder Abwärtstransformator fungieren.
| Merkmal | Aufwärtstransformator | Abwärtstransformator |
|---|---|---|
| Eingangsanschluss | Über einen Abschnitt der kurvenreichen | Über die gesamte Windung hinweg |
| Ausgangsanschluss | Über die gesamte Windung hinweg | Über einen Abschnitt der kurvenreichen |
| Ausgabe vs. Eingabe | Vraus > Vin | Vraus < Vin |
| Übersetzungsverhältnis | Nraus / Nin > 1 | Nraus / Nin < 1 |
| Typische Verwendung | Spannungserhöhung für die Übertragung | Spannungsabsenkung für die Verteilung oder für Geräte |
Das Spannungsverhältnis folgt derselben Windungsverhältnisformel, die für alle Transformatoren verwendet wird: Vraus / Vin = Nraus / Nin. Der Unterschied besteht darin, dass sowohl Vin und Vraus sich einen Teil desselben physikalischen Leiters teilen.
Autotransformatoren gibt es in verschiedenen Ausführungen, die jeweils für unterschiedliche Anwendungsbereiche optimiert sind. Wenn Sie die verschiedenen Typen kennen, können Sie das richtige Gerät für die jeweilige Aufgabe auswählen.
Ein Autotransformator mit festem Übersetzungsverhältnis verfügt über fest eingestellte Anzapfstellen, die bei einer bestimmten Eingangsspannung eine bestimmte Ausgangsspannung liefern. Diese Art von Autotransformatoren wird am häufigsten in Spannungswandlern verwendet. So wandelt beispielsweise ein Gerät mit einem Übersetzungsverhältnis von 2:1 eine Eingangsspannung von 240 V in eine Ausgangsspannung von 120 V um, ohne dass eine Einstellung durch den Benutzer erforderlich ist.
Geräte mit festem Übersetzungsverhältnis finden breite Anwendung in Industriemaschinen, bei der Spannungsumwandlung in Haushaltsgeräten sowie in Verteilungstransformatoren, bei denen das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung stabil ist. Sie sind einfach aufgebaut, robust und kommen ohne bewegliche Teile aus. Für Projekte, bei denen eine kompakte Auf- oder Abwärtswandlung im Verhältnis von 3:1 erforderlich ist, bietet ein Autotransformator mit festem Übersetzungsverhältnis ist oft die kostengünstigste Wahl.
Ein variabler Autotransformator ersetzt feste Anzapfstellen durch eine verschiebbare Kohlebürste, die sich entlang der Wicklung bewegt und so eine stufenlos einstellbare Ausgangsspannung von Null bis knapp über die Eingangsspannung ermöglicht. Der bekannteste Markenname für diese Bauweise ist Variac, obwohl viele Hersteller sie unter verschiedenen Markennamen produzieren.
Variable Autotransformatoren sind unverzichtbar in Prüflaboren, Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen, Reparaturwerkstätten und Bildungseinrichtungen, wo Geräte über einen breiten Eingangsspannungsbereich hinweg geprüft werden müssen. Sie werden außerdem zur Lichtdimmung, Heizungssteuerung und Drehzahlregelung von Motoren in Anwendungen eingesetzt, in denen eine Verzerrung der Wellenform durch elektronische Steuerungen nicht akzeptabel ist.
Für industrielle Stromversorgungssysteme, die mit dreiphasigem Wechselstrom betrieben werden, können Autotransformatoren in dreiphasiger Ausführung gebaut werden. Diese bestehen in der Regel aus drei einphasigen Autotransformatoreinheiten, die in Stern- oder Dreieckschaltung verbunden sind, oder aus einem einzigen dreischenkligen Kern mit gemeinsamen Wicklungen.
Dreiphasen-Autotransformatoren kommen häufig beim Anlaufen von Motoren, in der Stromverteilung und bei der Verbindung von Übertragungsnetzen mit unterschiedlichen Spannungsniveaus zum Einsatz – beispielsweise bei der Anbindung eines 132-kV-Systems an ein 66-kV-Netz. Aufgrund ihrer kompakten Bauweise und ihres hohen Wirkungsgrads eignen sie sich besonders für Hochleistungsanwendungen, bei denen das Spannungsverhältnis moderat ist.
Die Entscheidung zwischen einem Autotransformator und einem herkömmlichen Transformator mit zwei Wicklungen hängt von den Anforderungen Ihrer Anwendung hinsichtlich Isolation, Spannungsverhältnis, Fehlertoleranz und Budget ab. In der folgenden Tabelle werden beide Varianten anhand der wichtigsten Kriterien verglichen.
| Kriterium | Spartransformator | Herkömmlicher Transformator |
|---|---|---|
| Wicklungsanordnung | Einzige durchgehende Wicklung | Zwei getrennte Primär- und Sekundärwicklungen |
| Elektrische Isolierung | Keine — Ein- und Ausgang elektrisch verbunden | Galvanische Trennung zwischen Schaltkreisen |
| Größe und Gewicht | Kleiner und leichter | Größer und schwerer bei gleicher Nennleistung |
| Kosten | Geringere Material- und Herstellungskosten | Höhere Kosten |
| Effizienz | Höher – in der Regel 98% oder höher | Niedriger bei gleicher Nennleistung |
| Praktisches Spannungsverhältnis | Am besten bis zu etwa 3:1 | Beliebiges Verhältnis |
| Kurzschlussstrom | Höher — niedrigere Impedanz | Eine niedrigere bzw. höhere Impedanz begrenzt den Fehlerstrom |
| Sicherheit | Geringere Sicherheit – Bei einem Wicklungsausfall kann am Ausgang die volle Eingangsspannung anliegen | Sicherer – isolierter Sekundärstromkreis |
Einen ausführlicheren Vergleich zwischen Autotransformatoren und einem anderen gängigen Transformatorentyp finden Sie in unserem Vergleich zwischen Autotransformator und Regeltransformator.
Der weit verbreitete Einsatz von Autotransformatoren in Stromnetzen und Industrieanlagen ist auf mehrere eindeutige Vorteile zurückzuführen:
Die Autotransformator-Konstruktion weist zudem erhebliche Einschränkungen auf, die vorgeben, wo sie nicht eingesetzt werden sollte:
Autotransformatoren kommen über das gesamte Spannungsspektrum hinweg zum Einsatz, von der Unterhaltungselektronik bis hin zu Hochspannungsübertragungsnetzen.
| Anwendungsbereich | Typische Anwendung | Transformator Typ |
|---|---|---|
| Kraftübertragung | Verbindung von Netzen mit unterschiedlichen Spannungen (z. B. 220 kV an 132 kV) | Festes Übersetzungsverhältnis, dreiphasig |
| Verteilungsregelung | Autotransformatoren mit Stufenschaltung gleichen den Netzspannungsabfall aus | Festübersetzung mit Stufenschalter |
| Motorstart | Spannungsreduzierter Anlauf von großen Asynchronmotoren (Anschlüsse 50%, 65%, 80%) | Festes Verhältnis |
| Spannungsumwandlung | Betrieb von 110-V-Geräten an einem 220-V-Stromnetz und umgekehrt | Festes Übersetzungsverhältnis, einphasig |
| Laboruntersuchungen | Variable Wechselstromversorgung für die Prüfung und Kalibrierung von Geräten | Variable (Variac) |
| Elektrifizierung des Schienenverkehrs | Verlängerung der Zuleitungsstrecken in 25-kV-Wechselstrom-Traktionsnetzen | Festes Verhältnis |
| Audiosysteme | Impedanzanpassung zwischen Verstärkerausgang und Lautsprecherlasten | Festes Verhältnis |
Für gewerbliche Einkäufer und Händler, Aufwärts- und Abwärts-Autotransformatoren Die Baureihen STU und DT decken mit CE- und IC-Zertifizierung die meisten Anforderungen in den Bereichen Spannungsumwandlung, Motoranlauf und Leistungsanpassung von Geräten ab.
Ein Autotransformator ist eine praktische, effiziente und kostengünstige Lösung für die Spannungsumwandlung, den Motorstart, den Netzanschluss und Laborversuche – in allen Anwendungsfällen, in denen keine elektrische Trennung erforderlich ist. Durch seinen Einwicklungsaufbau bietet er im Vergleich zu einem herkömmlichen Zweikerntransformator gleicher Nennleistung einen höheren Wirkungsgrad bei geringerem Platzbedarf. Wenn Sie Hilfe bei der Auswahl des richtigen Autotransformators für Ihre Anwendung benötigen, Lesen Sie unseren Leitfaden zur Auswahl oder Wenden Sie sich an unser Ingenieurteam um Ihre Anforderungen zu besprechen.
Ein Autotransformator verfügt über eine einzige Wicklung, die sowohl für den Eingang als auch für den Ausgang genutzt wird, während ein normaler (herkömmlicher) Transformator zwei elektrisch getrennte Wicklungen aufweist – eine Primär- und eine Sekundärwicklung. Der Autotransformator ist kleiner, kostengünstiger und effizienter, bietet jedoch keine galvanische Trennung. Ein herkömmlicher Transformator sorgt für eine galvanische Trennung zwischen den Stromkreisen, was ihn sicherer für Anwendungen macht, bei denen der Ausgang elektrisch vom Eingang getrennt sein muss.
Nein. Ein Autotransformator bietet keine galvanische Trennung. Die Eingangs- und Ausgangskreise sind über die gemeinsame Wicklung elektrisch miteinander verbunden. Für Anwendungen, die eine Trennung erfordern – wie beispielsweise medizinische Geräte, Sicherheitsschaltungen oder Netzteile für Verbraucherelektronik – muss stattdessen ein herkömmlicher Transformator mit zwei Wicklungen oder ein Trenntransformator verwendet werden.
Ja. Derselbe Autotransformator kann je nach Anordnung der Ein- und Ausgangsanschlüsse in beiden Betriebsarten betrieben werden. Viele handelsübliche Geräte sind für beide Betriebsrichtungen ausgelegt und entsprechend gekennzeichnet. Überprüfen Sie jedoch stets die Herstellerangaben, da einige Geräte für eine bestimmte Betriebsrichtung optimiert sind.
In der Praxis sind Autotransformatoren bei Spannungsverhältnissen von bis zu etwa 3:1 am kostengünstigsten. Jenseits dieses Bereichs verringern sich die Materialeinsparungen, und das Fehlen der elektrischen Trennung lässt sich immer schwerer rechtfertigen. Bei sehr hohen Auf- oder Abwärtsübersetzungen ist ein herkömmlicher Transformator mit zwei Wicklungen die Standardwahl.
Autotransformatoren erzielen einen höheren Wirkungsgrad, da sie weniger Kupfer verbrauchen (geringerer I2R-Verluste) und einen kleineren Magnetkern (geringere Hysterese- und Wirbelstromverluste) als ein Transformator mit zwei Wicklungen gleicher Nennleistung. Zudem wird ein Teil der Leistung durch direkte elektrische Leitung statt allein durch magnetische Kopplung übertragen, was die Verluste weiter reduziert.
„Variac“ ist ein Markenname für einen variablen Autotransformator, der eine stufenlos einstellbare Wechselstrom-Ausgangsspannung liefert. Er verfügt über einen Drehknopf, der mit einer gleitenden Kohlebürste verbunden ist, die sich entlang der freiliegenden Wicklungsoberfläche bewegt, sodass der Benutzer jede beliebige Spannung von Null bis knapp über die Netzspannung einstellen kann. Variacs finden breite Anwendung in Laboren, Reparaturwerkstätten und bei Produktionstests.
Nein. Autotransformatoren funktionieren, wie alle Transformatoren, nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion, wofür ein durch Wechselstrom erzeugtes wechselndes Magnetfeld erforderlich ist. Gleichspannung erzeugt nicht den für die Induktion notwendigen wechselnden Magnetfluss. Zur Umwandlung von Gleichspannungen benötigen Sie einen Gleichstromwandler oder eine Kombination aus Wechselrichter und Gleichrichter.
