Ratgeber
In der industriellen Automation sind in der Regel zahlreiche elektromagnetische Komponenten zu finden, zum Beispiel Relais, Magnetschalter oder Elektromotoren. Ihre Energie beziehen diese Geräte in der Regel aus Hilfsstromkreisen. Deren Spannungen und Stromstärken sollten zur Sicherung der Produktivität so gut wie möglich gegen Schwankungen geschützt sein. Diese Aufgabe können Steuertransformatoren übernehmen.
Wie sie funktionieren und nach welchen Kriterien sich die Auswahl richten sollte, erfahren Sie in unserem Ratgeber.
Ein Steuertransformator – bekannt auch Steuertrafo oder Sicherheitstransformator – ist im Wesentlichen ein Trenntransformator für die Spannungsregelung. Er ist häufig so konstruiert, dass er eine hohe Stabilität der Sekundärspannung während kurzzeitiger Überlastbedingungen gewährleistet. Dazu gehört der für induktive Lasten übliche Einschaltstrom.
Die meisten Steuertrafos regeln den Strom von höheren zu niedrigeren Spannungen. Es gibt auch aber Transformatoren, die identische Ein- und Ausgangsspannungen liefern oder als Aufwärtstransformator die Eingangsspannung um einen beträchtlichen Teil anheben.
Steuertransformatoren finden sich üblicherweise in elektronischen Schaltkreisen, in denen eine konstante Spannung oder ein konstanter Strom erforderlich ist. Im industriellen Bereich ist es meist die speicherprogrammierbare Steuerung oder kurz SPS. Viele elektromotorische Aktoren in einem solchen System arbeiten mit Wechselspannungen und -strömen in unterschiedlichen Größenordnungen.
Größter Vorteil eines Steuertransformators: Die Steuerspannung für die Maschine oder Anlage lässt sich unabhängig von der Netzspannung konfigurieren. Außerdem sorgt er für eine Begrenzung des sekundären Kurzschlussstroms und ermöglicht den Betrieb sowohl von geerdeten als auch von ungeerdeten Geräten. In komplexeren Anlagen sind diese Transformatoren laut DIN EN 60204-1 vorgeschrieben. Dies gilt für Dreiphasen-Transformatoren ebenso wie Einphasen-Steuertransformatoren. Es gilt zudem die Norm DIN EN 61558.
Der Steuertransformator funktioniert nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Wie jeder Transformator verfügt er über getrennte Wicklungen aus Kupfer: Eine oder zwei Primärspulen und eine Sekundärspule. Bei einem Abwärtstransformator enthält die Primärspule erheblich mehr Wicklungen als die Sekundärspule, die Ausgangsspannung wird daher reduziert. Im umgekehrten Fall steht an den Ausgangskontakten eine höhere Spannung zur Verfügung.
Ein Steuertrafo wird immer dann eingesetzt, um hohe Phasenspannungen auf ein Niveau herunterzustufen, das für Steuerkomponenten wie Relais, Elektromotoren oder Magnetschalter besser geeignet ist. Da es sich bei diesen Komponenten überwiegend um induktive Geräte handelt, wird die Leistung der Trafos nicht in Watt, sondern in Voltampere – kurz VA – angegeben. Die Werte sind identisch mit Watt-Angaben. Typische Steuertransformatoren verfügen über Leistungen von wenigen Voltampere bis zu einigen tausend Voltampere.
Da Steuertrafos wie jeder Transformator mit einem Überstromschutz ausgestattet sein müssen, sind sie oft mit einer integrierten primären und sekundären Absicherung versehen. Bei Drehstrom schützen zwei Sicherungen die Primärseite und eine Sicherung die Sekundärseite. In der Regel sind mehrere Anzapfungen an den Primär- und Sekundärwicklungen vorhanden, um den Transformator an unterschiedliche Bedürfnisse anzupassen. Dazu zählt auch eine besondere Klemme an der Primärspule, mit der sich plus oder minus 5 Prozent der Eingangsspannung abgreifen lassen.
Zunächst kommt es darauf an, ob Dreiphasen-Transformatoren oder Einphasen-Steuertransformatoren nötig sind.
Bei Dreiphasen-Trafos stehen im Allgemeinen Nenneingangsspannungen von 380 Volt bis zu 725 Volt zur Verfügung, einphasige Modelle gibt es für 208 bis 250 Volt. Auf der Ausgangsseite sind Nennausgangsspannungen von 6 bis 400 Volt üblich.
Auch die Stromstärke für den Hilfsstromkreis dürfte für die meisten Anwendungen ausreichend sein, sie liegt im Allgemeinen zwischen 270 Milliampere bis über 10 Ampere. Die Leistungen gängiger Modelle betragen meist 13 bis 3200 Voltampere.
Wesentlich für die Integration von Trenntransformatoren in die betriebliche Umgebung sind die baulichen Anschlussmöglichkeiten. Viele Trafos lassen sich sowohl an Hutschienen befestigen als auch über Fußwinkel mit Schrauben auf einer Fläche montieren.
Für den elektrischen Kontakt stehen Schraub- oder Federklemmen zur Verfügung.
Welche Rolle spielt die Last beim Einsatz eines Sicherheitstrafos?
Ein Steuertransformator ist so konzipiert, dass er bei voller Leistung die Nennausgangsspannung liefert. Wenn die Last sinkt, steigt die Ausgangsspannung an. Umgekehrt führt ein Anstieg der Last zu einer niedrigeren Ausgangsspannung. Je kleiner die Leistung des Geräts, desto größer ist in der Regel der Unterschied zwischen Leerlauf- und Volllastspannung.
Kann der Trafo auch die Ausgangsspannung regulieren?
Solche Trafos sind nicht spannungsregulierend. Da Spannungsänderungen eine Funktion des Windungsverhältnisses des Transformators sind, wirken sich Schwankungen der Eingangsspannung proportional auf den Ausgang aus.
Wie wirkt sich die Umgebungstemperatur aus?
Übliche Sicherheitstransformatoren sind für eine Umgebungstemperatur von maximal 40 Grad Celsius ausgelegt. In diesem Umfeld leisten sie 100 Prozent. Steigt die Temperatur auf 60 oder mehr Grad, kann die Leistung um bis zu 70 Prozent abfallen.
Welche Rolle spielt die Kapselung der Spulen?
Die Kapselung der Spulen eines Trenntrafos trägt dazu bei, das Gerät vor Feuchtigkeit, Staub, Schmutz und industriellen Verunreinigungen zu schützen. Die Kapselung sorgt für maximalen Schutz in aggressiven Umgebungen und sorgt gleichzeitig dafür, dass der Trafo kühler läuft als ein nicht gekapseltes Gerät.
Wie lässt sich die erforderliche Größe des Trafos berechnen?
Die Größe des Steuertransformators lässt sich berechnen, indem man den Leistungsbedarf der Komponenten im Steuerkreis addiert. Dazu ein Beispiel: Ein Gebäudesteuergerät für Heizung, Lüftung und Klimatisierung benötigt 10 Voltampere bei 24 Volt Spannungsversorgung. Der Controller versorgt auch zwei Feuchtigkeitssensoren und zwei elektronische beziehungsweise pneumatische Messwandler mit Strom. Die beiden Sensoren und die beiden Messwandler benötigen jeweils 3 Voltampere, insgesamt also 12 Voltampere. Daher muss der Steuertransformator so dimensioniert sein, dass er mindestens 22 Voltampere (10 + 12 = 22) an Leistung liefert.
Welchen Vorteil bieten Dreiphasen-Transformatoren?
Steuertransformatoren mit zwei Primärspulen für dreiphasigen Strom und einer Sekundärspule sind weit verbreitet. Die Primärspulen sind hier gekreuzt, so dass sie für den Betrieb mit 240 Volt oder 480 Volt verbunden werden können. Viele Trafos sind so konzipiert, dass sie sekundärseitig 12 Volt oder 24 Volt liefern. Einige Typen liefern jedoch auch 120 Volt. Bei einem Modell mit einem Windungsverhältnis von 10:1 lassen sich zum Beispiel die beiden Primärspulen parallel schalten. Dadurch wird die Primärspannung von 240 Volt auf 24 Volt an der Sekundärseite heruntergesetzt. Wenn die beiden Primärspulen in Reihe geschaltet sind, wird die Spannung von 480 V auf 24 V herabgesetzt.