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Elektrische Energieverteilung und Betriebstechnik – Transformatoren im Verteilnetz erklären

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Elektrische Energieverteilung und Betriebstechnik – Transformatoren im Verteilnetz erklären

Zielgruppe: Auszubildende in elektrotechnischen Berufen

Kurzbeschreibung: Du lernst, wie Transformatoren die Spannung im Verteilnetz anpassen, wie elektrische Verluste entstehen und wie Du Betriebsdaten fachlich beurteilst.

Lernzeit: ca. 50 Minuten für die Lerneinheiten, zuzüglich Aufgaben und Lernnachweis.

Lernziele: Du kannst einen Verteiltransformator im Netz einordnen, sein Funktionsprinzip erklären, vereinfachte Berechnungen durchführen, Signaldiagramme lesen und Verluste vergleichen.

Einleitung

Strom wird über unterschiedliche Spannungsebenen verteilt. Transformatoren verbinden diese Ebenen. In einer typischen Ortsnetzstation wird beispielsweise eine Mittelspannung von 20 kV auf 400 V Niederspannung umgesetzt.

Bildimpuls: Ein Verteiltransformator. Das Foto zeigt eine ausländische Anlage; die deutschen Netzspannungen werden daraus nicht abgeleitet.

Deine Leitfrage: Wie kommt elektrische Energie mit möglichst geringen Verlusten vom Mittelspannungsnetz zu den Verbrauchern?

Sicherheitsregel für den gesamten Kurs: Du arbeitest ausschließlich mit Bildschirm-Simulationen, vorhandenen Unterlagen oder ausdrücklich freigegebenen, geprüften, berührungssicheren Schulungsmodellen unter fachlicher Aufsicht. Du stellst keine Verbindungen zum öffentlichen Netz her, öffnest keine elektrischen Anlagen und führst keine Schalthandlungen oder Messungen an realen Verteilanlagen aus. Reale Elektroarbeiten bleiben entsprechend qualifizierten und beauftragten Personen im jeweils zulässigen Aufgabenbereich vorbehalten. Ein Quiz, Lernnachweis oder Simulationsergebnis ist niemals eine Arbeits- oder Schaltfreigabe.

Dein Ausbildungsfall: Ortsnetzstation Werkpark

Im fiktiven Gewerbegebiet Werkpark steigt der Strombedarf. Dein Ausbildungsbetrieb soll anhand bereitgestellter Daten beurteilen, wie ein vorhandener Transformator belastet wird.

Merkmal	Übungswert
Bemessungsscheinleistung	400 kVA
Oberspannung	20 kV
Unterspannung	0,4 kV
Frequenz	50 Hz
Beispiel-Schaltgruppe	Dyn5
Leerlaufverluste	0,60 kW
Lastverluste bei Nennstrom	4,00 kW
Leistungsfaktor für Rechenaufgaben	0,90

Wichtig: Der Werkpark und seine Verlustdaten sind ausdrücklich fiktive Übungsangaben, keine Herstellerdaten, Messwerte oder Betriebsfreigaben.

Kurze Lerneinheiten

Lerneinheit 1: Den Energieweg verstehen – 5 Minuten

Abgebildet ist ein 100-kVA-Gießharztransformator des Deutschen Museums mit 10 kV/400 V und Dyn5. Er dient als reales Anschauungsbeispiel, nicht als Werkpark-Trafo.

Vereinfachtes Einlinienbild des Werkparks:

Mittelspannungsnetz
       20 kV
         |
 [MS-Schaltanlage]
         |
 [Transformator T1]
    20/0,4 kV
     400 kVA
         |
 [NS-Verteilung]
    400/230 V
         |
     Verbraucher

Funktionsschema, kein vollständiger Stromlauf-, Schutz- oder Anschlussplan.

Der Transformator passt das Spannungsniveau an. Die Schaltanlage und die Niederspannungsverteilung übernehmen weitere Aufgaben der sicheren Verteilung und des Schutzes.

Merksatz: Höhere Übertragungsspannung ermöglicht bei gleicher übertragener Leistung geringere Ströme und damit geringere Leitungsverluste.

Mini-Auftrag: Zeige im Einlinienbild die Mittelspannungsseite, den Transformator und die Niederspannungsseite.

Lerneinheit 2: Warum funktioniert ein Transformator? – 7 Minuten

Ein einfacher Transformator enthält eine Primärwicklung, eine Sekundärwicklung und einen gemeinsamen magnetischen Kern.

Eine zeitliche Änderung des magnetischen Flusses erzeugt durch Induktion eine Spannung in den Wicklungen.

Wichtig: Eine dauerhaft angelegte Gleichspannung erzeugt im gewöhnlichen Transformator keinen kontinuierlichen Transformationsbetrieb und kann zu gefährlicher Überlastung führen.

Video: Transformator einfach erklärt – Erhard Hörner

Sichere Entdeckersimulation:

PhET – Elektromagnetische Induktion

Simulation von PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, CC BY-NC 4.0.

Dein Auftrag: Verändere in der Simulation die Bewegung des Magneten. Beobachte, wann eine Spannung entsteht und wie sich die Anzeige verändert.

Begründetes Feedback: Bei verändertem magnetischem Fluss entsteht eine Induktionsspannung. Bei ruhendem Magneten und unveränderter Feldanordnung bleibt die induzierte Spannung aus. Die Simulation erklärt das Induktionsprinzip, bildet aber keinen vollständigen Verteiltransformator ab.

Lerneinheit 3: Spannungsverhältnis und Signaldiagramme – 7 Minuten

Für den idealen Einphasentransformator gilt:

U1/U2 = N1/N2

Zeichen	Bedeutung
U1	Spannung an der Primärwicklung
U2	Spannung an der Sekundärwicklung
N1	Primärwindungszahl
N2	Sekundärwindungszahl

Beispiel mit ausschließlich rechnerischen Modellwerten:

U1 = 12 V, N1 = 600, N2 = 300.

U2 = 12 V · 300/600 = 6 V.

Bei idealer Übertragung bleibt die Frequenz gleich. Die Spannung ändert ihre Amplitude entsprechend dem Wicklungsverhältnis.

Signaldiagramm A: gleiche Frequenz, verschiedene Amplituden

Die Abbildung veranschaulicht zwei Sinussignale mit unterschiedlicher Amplitude. Ihre konkreten Spannungswerte werden im folgenden Übungsdiagramm festgelegt.

Zeit	u1 bei 12 V effektiv	u2 bei 6 V effektiv
0 ms	0 V	0 V
5 ms	+17,0 V	+8,5 V
10 ms	0 V	0 V
15 ms	−17,0 V	−8,5 V
20 ms	0 V	0 V

Idealisiertes Sinusmodell mit gleicher gewählter Bezugspolarität, gerundeten Scheitelwerten und 50 Hz. Die Periodendauer beträgt 20 ms.

Signaldiagramm B: Spannung und Strom an einer ohmschen Modelllast

Bei U2 = 6 V effektiv und R = 6 Ohm beträgt I2 = 1 A effektiv.

Zeit	u2	i2
0 ms	0 V	0 A
5 ms	+8,5 V	+1,41 A
10 ms	0 V	0 A
15 ms	−8,5 V	−1,41 A
20 ms	0 V	0 A

Beobachtung: Bei der rein ohmschen Modelllast verlaufen Spannung und Strom phasengleich. Bei anderen Lastarten kann eine Phasenverschiebung auftreten.

Lerneinheit 4: Digitales Schaltungslabor – 10 Minuten

Berührungssichere Browsersimulation:

Falstad CircuitJS – interaktiver Stromkreissimulator

iFrame blockiert

Diese externe Quelle ist für aiMOOC-iFrames nicht freigegeben.

Schaltungsbeispiel: Öffne im Simulator über das Menü Circuits → Other Passive Circuits → Transformers das Beispiel Step-Down Transformer.

Aufgaben am Bildschirm:

Spannung: Vergleiche die dargestellte Primär- und Sekundärspannung des Beispieltransformators.
Signaldiagramm: Betrachte die Wechselspannungen im virtuellen Oszilloskop.
Belastung: Untersuche ausschließlich im Simulator, wie sich eine geänderte Last auf den Strom auswirkt.
Modellgrenzen: Notiere, welche Eigenschaften einer realen Ortsnetzstation nicht vollständig dargestellt werden.

Orientierungswert im vorgegebenen Beispiel: Der Falstad-Abwärtstransformator verwendet ein Wicklungsverhältnis von etwa 10:1; die Sekundärspannung weicht wegen modellierter Widerstände und unvollkommener Kopplung vom idealen Wert ab.

Feedback: Eine kleinere Sekundärspannung ist bei einem Abwärtstransformator zu erwarten. Mit zunehmender Last steigt der benötigte Sekundärstrom. Die Simulation erlaubt Beobachtungen ohne reale spannungsführende Teile, ersetzt aber weder Schutzberechnungen noch echte Herstellerangaben.

Weitere Simulation: CircuitJS → Circuits → Other Passive Circuits → Long Distance Power Transmission. Vergleiche dort die Übertragung mit und ohne Spannungsanpassung.

Sicherheitsgrenze: Eine Bildschirm-Simulation ist kein Prüfstand. Wenn ein praktisches Schulungsmodell eingesetzt wird, muss es durch die verantwortliche Lehrkraft nach Gefährdungsbeurteilung ausgewählt, geprüft, bereitgestellt und beaufsichtigt werden; berührbare aktive Netzspannungen sind ausgeschlossen. Ohne geeignetes Schulungsmodell bleibt es bei der Simulation.

Lerneinheit 5: Dreiphasentransformator im Verteilnetz – 6 Minuten

Im realen Verteilnetz werden häufig Dreiphasentransformatoren eingesetzt.

Begriff	Erklärung
20 kV	Bemessungs-Außenleiterspannung der Oberspannungsseite im Werkpark
400 V	Bemessungs-Außenleiterspannung der Unterspannungsseite
230 V	Ungefähre Nennspannung zwischen Außenleiter und Neutralleiter im 400/230-V-Sternsystem
Dyn5	Oberspannungswicklung Dreieck, Unterspannungswicklung Stern mit herausgeführtem Neutralpunkt; Kennzahl 5 beschreibt 150 Grad Uhrzeiger-Phasenverschiebung

Fachlich wichtiger Unterschied: 20 kV / 400 V = 50 ist das Verhältnis der angegebenen Außenleiterspannungen. Bei einer Dreieck-Stern-Schaltung darf dieser Quotient nicht ungeprüft als Verhältnis der einzelnen Wicklungswindungszahlen verwendet werden. Dafür müssen die tatsächlichen Wicklungsspannungen und die Schaltgruppe berücksichtigt werden.

Video zur Vertiefung: Transformers Explained – The Engineering Mindset (Englisch)

Kontrollfrage: Warum benötigt ein dreiphasiges Verteilnetz mit Neutralleiter andere Betrachtungen als der einfache Einphasentransformator?

Feedback: Außenleiter- und Strangspannungen sind bei der Sternschaltung nicht identisch. Außerdem bestimmt die Schaltgruppe die Anschlüsse und die relative Phasenlage.

Lerneinheit 6: Wo entstehen Transformatorverluste? – 8 Minuten

Ein realer Transformator hat keinen Wirkungsgrad von 100 Prozent.

Leerlaufverluste: Entstehen vor allem im magnetischen Kern durch Hysterese und Wirbelströme. Bei annähernd konstanter Spannung und Frequenz ändern sie sich mit der Belastung nur wenig.

Lastverluste: Entstehen hauptsächlich in den Wicklungen und steigen näherungsweise mit dem Quadrat des Stroms. Dazu gehören bei realen Transformatoren auch zusätzliche lastabhängige Streuverluste.

Warum wird ein Transformatorenkern aus gegeneinander isolierten dünnen Blechen aufgebaut? Die Abbildung zeigt die Verringerung von Wirbelstromverlusten.

Vereinfachtes Verlustmodell des Werkparks:

Pverlust = P0 + x² · Pk,N

Dabei ist x der Anteil des Betriebsstroms am Nennstrom. Bei näherungsweise konstanter Spannung kann x auch über S/SN angenähert werden.

Belastung x	Leerlaufverlust	Lastverlust	Gesamtverlust
0 %	0,60 kW	0,00 kW	0,60 kW
50 %	0,60 kW	1,00 kW	1,60 kW
100 %	0,60 kW	4,00 kW	4,60 kW

Merke: Verdoppelt sich der Strom, vervierfachen sich näherungsweise die stromabhängigen Verluste bei gleichem Wicklungswiderstand.

Wirkungsgrad:

η = Pab / (Pab + Pverlust)

Bei 50 % Bemessungsscheinleistung und Leistungsfaktor 0,90 beträgt die modellierte abgegebene Wirkleistung 180 kW.

η = 180 / (180 + 1,60) ≈ 99,1 %.

Rechenmodell ohne zusätzliche Leitungs- und Schaltanlagenverluste.

Vertiefungsbild: Ersatzschaltung eines realen Transformators

Die Ersatzschaltung veranschaulicht Wicklungswiderstände, Streureaktanzen, Magnetisierung und Kernverluste. Sie ist ein erweitertes Modell und keine Arbeitsanweisung.

Lerneinheit 7: Betriebsdaten richtig beurteilen – 7 Minuten

Im Werkpark kann die Belastung über den Tag stark schwanken. Du vergleichst deshalb nicht nur die Bemessungsleistung, sondern auch Leerlaufverluste, Lastverluste und die Dauer verschiedener Betriebszustände.

Eine hohe Belastung kann größere Verluste, Erwärmung und Spannungsabweichungen verursachen. Ob ein Transformator betrieblich geeignet ist, erfordert weitere Angaben wie Temperaturgrenzen, Lastprofil, Netzberechnungen, Schutzkonzept und Herstellerunterlagen.

Entscheidungsregel: Deine Berechnungen ergeben eine fachliche Einschätzung für die Ausbildung – niemals die Erlaubnis, einen Transformator zu schalten, zu belasten oder an ihm zu arbeiten.

Basis-, Anwendungs- und Transferaufgaben

Basisaufgaben

B1 – Einlinienbild lesen: Ordne Mittelspannungsanlage, Transformator und Niederspannungsverteilung dem Energieweg zu. Erkläre, wofür jede Station im Funktionsbild steht.

B2 – Spannung berechnen: Ein idealer Einphasentransformator hat N1 = 600, N2 = 300 und U1 = 12 V. Berechne U2 und begründe, warum es ein Abwärtstransformator ist.

Anwendungsaufgaben

A1 – Schaltungssimulation: Beobachte den Falstad-Abwärtstransformator. Vergleiche berechnetes Spannungsverhältnis und simulierten Spannungsverlauf. Erkläre mögliche Abweichungen.

A2 – Verluste berechnen: Ermittle für den Werkpark die Gesamtverluste bei 50 % Belastung. Berechne zusätzlich die Energie der Leerlaufverluste über 24 Stunden.

Transferaufgaben

T1 – Zwei Transformatoren vergleichen: Vergleiche für ein fiktives Tagesprofil zwei Modelle. Modell A besitzt P0 = 0,60 kW und Pk,N = 4,00 kW; Modell B besitzt P0 = 0,35 kW und Pk,N = 4,50 kW. Das Profil enthält 18 Stunden mit 25 % sowie 6 Stunden mit 75 % Nennstrom. Welches Modell verursacht die geringere tägliche Verlustenergie?

T2 – Photovoltaik und Rückspeisung: Eine Photovoltaikanlage speist in das Niederspannungsnetz ein. Erkläre, weshalb sich die Leistungsflussrichtung unter geeigneten Netz- und Betriebsbedingungen umkehren kann. Benenne wichtige technische Prüfbereiche, ohne eine reale Betriebsfreigabe zu erteilen.

Gestufte Hilfen

Hilfestufe	Basis	Anwendung	Transfer
Hilfe 1: Denkimpuls	Wo liegen Eingang und Ausgang?	Welche Größe ändert sich mit der Belastung?	Welche Betriebszustände dauern besonders lange?
Hilfe 2: Fachhinweis	Vergleiche Windungszahlen und Spannungen.	Trenne Leerlauf- und Lastverlust.	Vergleiche Verlustenergie statt nur Nennverluste.
Hilfe 3: Rechenstart	U2 = U1 · N2/N1	Pverlust = P0 + x² · Pk,N	E = Summe aus Verlustleistung · Betriebsdauer

Lösungen und begründetes Feedback

Aufgabe	Erwartetes Ergebnis und Begründung
B1	Mittelspannungsanlage vor dem Transformator, Niederspannungsverteilung nach ihm. Der Transformator ändert das Spannungsniveau; die Verteilungen übernehmen weitere Schalt-, Schutz- und Verteilungsfunktionen.
B2	U2 = 6 V. Die Sekundärwicklung hat halb so viele Windungen wie die Primärwicklung; die ideale Sekundärspannung beträgt deshalb die Hälfte.
A1	Etwa zehnfache Spannungsabsenkung im vorgegebenen Falstad-Modell. Die exakten Spannungen weichen vom Idealmodell ab, weil das Simulationsbeispiel nicht vollkommen verlust- und streuungsfrei ist.
A2	Bei halbem Nennstrom beträgt der Lastverlust 1,00 kW und der Gesamtverlust 1,60 kW. Die Leerlaufverlustenergie ist 0,60 kW · 24 h = 14,4 kWh. Begründung: Leerlaufverluste entstehen auch ohne abgegebene Nutzleistung.
T1	Modell A: 32,40 kWh pro Tag. Modell B: 28,65 kWh pro Tag. Modell B spart in diesem fiktiven Lastprofil 3,75 kWh pro Tag. Begründung: Die geringeren Leerlaufverluste von B überwiegen hier dessen höhere Nennlastverluste. Das Ergebnis gilt nicht automatisch bei einem anderen Lastprofil.
T2	Ein geeigneter Transformator kann Energie auch bei umgekehrter Leistungsflussrichtung übertragen. Entscheidend sind unter anderem Spannungsband, thermische Belastbarkeit, Netzschutz, Erdungs- und Schaltkonzept sowie Netzanschlussbedingungen. Nur zuständige Fachverantwortliche dürfen reale Betriebsentscheidungen treffen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Aufgabe übernimmt ein Verteiltransformator in einer typischen Ortsnetzstation? (Anpassung der Mittelspannung an die Niederspannung) (!Erhöhung der Netzfrequenz) (!Speicherung elektrischer Energie im Kern) (!Umwandlung jeder Wechselspannung in Gleichspannung)

Welches physikalische Prinzip ermöglicht die Spannungsübertragung zwischen den Wicklungen? (Elektromagnetische Induktion) (!Chemische Reaktion) (!Wärmeleitung) (!Elektrostatische Aufladung ohne Flussänderung)

Welche Aussage gilt für einen gewöhnlichen Transformator bei dauerhaft angelegter Gleichspannung? (Er arbeitet damit nicht kontinuierlich als normaler Spannungstransformator) (!Er liefert dauerhaft eine Wechselspannung mit 50 Hertz) (!Sein Wirkungsgrad beträgt immer 100 Prozent) (!Er speichert unbegrenzt elektrische Energie)

Wie groß ist die ideale Sekundärspannung bei 12 Volt Eingangsspannung und halb so vielen Sekundärwindungen? (6 Volt) (!24 Volt) (!12 Volt) (!48 Volt)

Wie verändert sich die Frequenz beim idealen gewöhnlichen Wechselspannungstransformator? (Sie bleibt unverändert) (!Sie verdoppelt sich immer) (!Sie halbiert sich immer) (!Sie wird zu null)

Welche Verluste bestehen auch bei unbelastetem eingeschaltetem Transformator? (Leerlaufverluste) (!Ausschließlich Verluste in der angeschlossenen Last) (!Nur mechanische Reibungsverluste) (!Gar keine Verluste)

Wie ändern sich näherungsweise die stromabhängigen Wicklungsverluste bei verdoppeltem Strom und gleichem Widerstand? (Sie vervierfachen sich) (!Sie halbieren sich) (!Sie bleiben gleich) (!Sie verdoppeln sich nur)

Warum ist das Verhältnis 20 Kilovolt zu 400 Volt bei Dyn5 nicht automatisch das Windungsverhältnis einzelner Wicklungen? (Weil bei Stern und Dreieck Außenleiter- und Wicklungsspannungen verschieden zusammenhängen) (!Weil ein Dreiphasentransformator keine Wicklungen besitzt) (!Weil die Netzfrequenz auf der Sekundärseite immer doppelt so hoch ist) (!Weil die Unterspannungsseite ausschließlich mit Gleichstrom betrieben wird)

Welcher Gesamtverlust ergibt sich im Werkparkmodell bei halbem Nennstrom? (1,60 Kilowatt) (!4,60 Kilowatt) (!0,15 Kilowatt) (!2,60 Kilowatt)

Was bedeutet ein bestandenes Transformatorenquiz für Arbeiten an realen Anlagen? (Es ersetzt weder fachliche Qualifikation noch betriebliche Beauftragung) (!Es berechtigt automatisch zum Schalten einer Ortsnetzstation) (!Es ersetzt die Gefährdungsbeurteilung) (!Es erlaubt selbstständige Arbeiten an Mittelspannungsanlagen)

Memory

Primärwicklung	Wicklung auf der Einspeiseseite
Sekundärwicklung	Wicklung auf der Abgabeseite
Induktion	Spannung durch zeitliche Änderung des magnetischen Flusses
Magnetkern	Führung des gemeinsamen magnetischen Flusses
Leerlaufverlust	Verlustleistung auch ohne angeschlossene Last
Lastverlust	Stromabhängige Verlustleistung
Schaltgruppe	Kennzeichnung von Wicklungsverbindung und Phasenverschiebung
Wirkungsgrad	Verhältnis von abgegebener zu aufgenommener Wirkleistung

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Spannungsanpassung	Hauptaufgabe des Verteiltransformators
Eisenkern	Gemeinsamer magnetischer Flussweg
Sinusspannung	Periodisch wechselnde Spannung
Kupferverlust	Ohmsche Erwärmung der Wicklungen
Wirbelstromverlust	Energieverlust durch induzierte Kreisströme im leitenden Kern
Neutralleiter	Leiter am herausgeführten Sternpunkt des betrachteten Sternsystems
Bemessungsscheinleistung	Nennangabe der maximal vorgesehenen Scheinleistung unter festgelegten Bedingungen

Kreuzworträtsel

Induktion	Wie heißt die Erzeugung einer Spannung durch Änderung des magnetischen Flusses?
Primärwicklung	Wie heißt die Wicklung auf der Einspeiseseite?
Sekundärwicklung	Welche Wicklung befindet sich auf der Abgabeseite?
Eisenkern	Welches Bauteil führt den magnetischen Fluss zwischen den Wicklungen?
Wirbelstrom	Welche im leitenden Kern umlaufende Stromart verursacht zusätzliche Verluste?
Wirkungsgrad	Wie heißt das Verhältnis von abgegebener zu aufgenommener Wirkleistung?

LearningApps

Die eingeblendete Suche führt zu fremden Lernangeboten. Prüfe deren fachliche Richtigkeit und Nutzungsbedingungen vor der Verwendung. Ein Ergebnis ist keine elektrotechnische Berechtigung.

Lückentext

Eine Ortsnetzstation verbindet häufig das Mittelspannungsnetz mit dem

.

Der zentrale Spannungswandler in der Ortsnetzstation heißt

.

Die einspeiseseitige Wicklung bezeichnet man als

.

Die abgabeseitige Wicklung heißt

.

Die Spannungsübertragung beruht auf elektromagnetischer

.

Ein magnetischer

koppelt die Wicklungen.

Die ideale Spannung ist proportional zur Anzahl der

.

Bei einer gewöhnlichen Wechselspannungstransformation bleibt die

erhalten.

Eine 50-Hertz-Sinusspannung besitzt eine Periodendauer von

Millisekunden.

Im europäischen Niederspannungs-Drehstromnetz ist eine Außenleiterspannung von

Volt üblich.

Die Kennzeichnung Dyn beschreibt eine Dreieck-Stern-

mit herausgeführtem Neutralpunkt.

Die Verluste im magnetischen Kern heißen vereinfacht

.

Die näherungsweise lastunabhängigen Verluste nennt man

.

Der Lastverlust steigt bei gleichem Widerstand mit dem

des Stroms.

Das Verhältnis der Nutzleistung zur aufgenommenen Wirkleistung ist der

.

Digitale Schaltungssimulationen ersetzen keine fachliche

.

Offene Aufgaben

Leicht

Energieverteilung: Zeichne den Energieweg vom Mittelspannungsnetz über einen Transformator zur Niederspannungsverteilung als übersichtliche Infografik.
Transformator: Beschrifte eine Kopie des vereinfachten Transformatorbildes mit Kern, Primärwicklung und Sekundärwicklung.
Wechselspannung: Zeichne für zwei idealisierte Spannungen gleicher Frequenz unterschiedliche Amplituden und erläutere Dein Bild.
Elektromagnetische Induktion: Erstelle eine kurze Bildschirmpräsentation mit der PhET-Simulation und erkläre, wann eine Spannung induziert wird.

Standard

Windungszahl: Erstelle eine digitale Rechentabelle zur Spannungstransformation im idealen Einphasenmodell und erläutere drei Ergebnisse.
Schaltungssimulation: Dokumentiere eine sichere Falstad-Simulation mit Bildschirmbildern, Signalbeobachtungen und einer Erklärung der Modellgrenzen.
Transformatorverluste: Erstelle aus den Werkparkdaten ein Diagramm für Leerlauf-, Last- und Gesamtverluste.
Energieeffizienz: Verfasse einen kurzen technischen Bericht darüber, warum niedrige Leerlaufverluste bei lange eingeschalteten Transformatoren wichtig sind.

Schwer

Lastprofil: Entwickle ein eigenes fiktives Tageslastprofil und vergleiche damit die Verlustenergie zweier Transformatoren.
Photovoltaikanlage: Erarbeite ein Erklärvideo zur möglichen Rückspeisung über einen Verteiltransformator und beschreibe die Grenzen eines vereinfachten Modells.
Elektrische Sicherheit: Führe ein Interview mit einer entsprechend qualifizierten Fachperson über Verantwortlichkeiten, Berechtigungen und Schutzmaßnahmen. Dokumentiere Antworten, ohne praktische Schalthandlungen vorzunehmen.
Transformatorenstation: Plane gemeinsam mit Deiner Lehrkraft eine genehmigte Exkursion oder virtuelle Besichtigung. Untersuche Aufbau und Funktionen ausschließlich aus sicheren Besucherbereichen oder anhand bereitgestellter Unterlagen; dokumentiere keine sensiblen Anlagendaten.

Lernkontrolle

Die folgenden Aufgaben prüfen Zusammenhänge, Begründungen und Transfer statt bloßes Auswendiglernen.

Energieübertragung: Begründe mit dem Zusammenhang zwischen Spannung, Strom und Leitungsverlusten, weshalb höhere Spannungsebenen für die Energieübertragung genutzt werden.
Dreiphasenwechselstrom: Ein Lernender setzt das Verhältnis 20 kV zu 400 V direkt mit dem Windungsverhältnis eines Dyn5-Transformators gleich. Erkläre den Denkfehler und welche Zusatzinformation benötigt wird.
Energieverluste: Zwei Modelle besitzen unterschiedliche Leerlauf- und Lastverluste. Entwickle ein geeignetes Vergleichsverfahren für ein beliebiges Lastprofil und begründe Deine Wahl.
Signaldiagramm: Vergleiche zwei Wechselspannungsdiagramme. Erläutere den Unterschied zwischen Amplitude, Effektivwert, Frequenz und Phasenlage.
Betriebstechnik: Ein fiktives Lastprofil steigt deutlich an. Beschreibe, welche möglichen technischen Auswirkungen untersucht werden müssen und welche Informationen für eine betriebliche Entscheidung fehlen.
Arbeitssicherheit: Begründe, warum selbst ein vollständig richtiges Quiz, eine gelungene Simulation und eine bestandene schulische Lernkontrolle keine Berechtigung für Arbeiten an einer realen Transformatorenstation erteilen.

Lernnachweis

Für Deinen Lernnachweis gibst Du eine kurze digitale Ausbildungsmappe ab.

Ein selbst beschriftetes Einlinienbild einer fiktiven Ortsnetzstation mit verständlicher Erklärung.
Eine richtige Berechnung der idealisierten Spannungstransformation einschließlich Voraussetzungen.
Zwei nachvollziehbar beschriftete Signaldiagramme mit Einheiten und Erklärung.
Einen dokumentierten digitalen Simulationsversuch mit Beobachtung, fachlicher Interpretation und Modellgrenzen.
Eine vollständige Verlustrechnung mit nachvollziehbarem Rechenweg.
Einen begründeten Vergleich unterschiedlicher Betriebs- oder Belastungssituationen.
Eine kurze Sicherheitsreflexion zu Qualifikation, Beauftragung, Aufsicht und den Grenzen schulischer Simulationen.
Korrekte Quellen-, Bild- und Mediennachweise.

Bewertung: Fachliche Richtigkeit, verständliche Darstellungen, nachvollziehbare Begründungen, sachgerechte Modellkritik und sichere Arbeitsweise.

Keine Freigabe: Der Lernnachweis ist ausschließlich eine schulische beziehungsweise ausbildungsbezogene Leistungsdokumentation. Er ersetzt keine elektrotechnische Qualifikation, Beauftragung, Gefährdungsbeurteilung oder Freigabe.

OERs zum Thema

Wikipedia: Transformator

Ergänzende Grundlagen:

Fachquellen und fachliche Prüfung

Die Grundlagen und Modellannahmen des Lernkurses wurden mit folgenden Quellen abgeglichen. Der Werkpark bleibt ein frei konstruiertes didaktisches Rechenbeispiel.

Quelle	Geprüfter Schwerpunkt
badenovaNETZE – Trafostationen	Spannungsumsetzung 20 kV auf 400 V und Bestandteile einer Trafostation
Westnetz – Umspannanlagen und Ortsnetzstationen	Verbindung verschiedener Spannungsebenen und Energiefluss
Landesbildungsserver Baden-Württemberg	Ideale Transformatorgleichung und Spannungsanpassung
Wikipedia – Dreiphasenwechselstrom-Transformator	Stern-Dreieck-Schaltung und Schaltgruppen
U.S. Department of Energy – Distribution Transformers	Leerlaufverluste, Lastverluste und quadratische Lastabhängigkeit
DKE – Betrieb von elektrischen Anlagen	Fachliche Verantwortung, Beauftragung und grundlegende Sicherheitsmaßnahmen
DGUV – Im Bereich Elektrotechnik tätige Personen	Unterscheidung von Elektrofachkraft und elektrotechnisch unterwiesener Person

Mediennachweise und Nutzungsrechte

Wikimedia Commons: Die folgenden konkret recherchierten Abbildungen haben auf ihren verlinkten Dateiseiten ausgewiesene freie Lizenzen beziehungsweise eine Gemeinfreiheitsfreigabe. Urheberangaben, Lizenzbedingungen und Änderungskennzeichnungen sind bei jeder Weiterverwendung zu beachten.

Eingesetzte Abbildung	Urheber und Lizenz
Distribution Transformer 1.jpg	Yoshieslunchbox; CC BY-SA 4.0
DMM 86-531 Gießharz-Trockentransformator.jpg	Dmm2va7; CC BY 3.0
Transformer3d.svg	BillC; CC BY-SA 3.0
Transformer under load.svg	BillC; überarbeitete Fassung von Gutten på Hemsen; CC BY-SA 3.0
Amplified sine wave.svg	crh23; CC BY-SA 4.0
Laminated core eddy currents 2.svg	Chetvorno; CC0 1.0
Transformer equivalent circuit.svg	BillC; CC BY-SA 3.0

Videos: Die beiden eingebetteten YouTube-Videos wurden anhand ihrer tatsächlichen Videoseiten und Themenbeschreibungen ausgewählt. Sie stammen von Erhard Hörner beziehungsweise The Engineering Mindset. Die Einbettung ist keine Behauptung, dass die Videos frei lizenziert seien. Die Rechte bleiben bei den jeweiligen Berechtigten; keine Kopien werden zum Herunterladen angeboten.

Simulationen: PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu, veröffentlicht die regulären HTML-Simulationen unter CC BY-NC 4.0. Für kommerzielle Nutzung können zusätzliche Rechte erforderlich sein. Falstad CircuitJS ist freie Software unter GPL, Version 2 oder später; die Anwendung wird hier von ihrer Originalseite verlinkt, nicht als eigener Download verbreitet.

LearningApps: Das iFrame öffnet eine thematische Suche, keine fachlich vorab geprüfte einzelne LernApp. Inhalte und Nutzungsrechte der gefundenen Angebote sind gesondert zu kontrollieren.

Stand der Quellen- und Medienprüfung: 8. Oktober 2026. Verfügbarkeit, Lizenzhinweise und Einbettungsmöglichkeiten können sich ändern.