Ratgeber
In der Elektrotechnik steht Sicherheit bekanntlich an erster Stelle. Durch entsprechende Maßnahmen sind Menschen, Maschinen, Anlagen und Gebäude vor Schäden durch elektrischen Strom zu schützen. Zu den wichtigsten Schutzkomponenten gehören Sicherheitstransformatoren, auch bekannt als Isolationstransformatoren.
In unserem Ratgeber informieren wir Sie über Aufbau, Funktion und spezifische Vorteile dieser Transformatoren. Wir geben Ihnen außerdem Hinweise für die Beschaffung.
Galvanische Trennung oder Isolierung wird dort eingesetzt, wo zwei oder mehr Stromkreise miteinander interagieren müssen, deren Erdungen jedoch auf unterschiedlichen Potentialen liegen können. Sie ist eine effektive Methode zur Unterbrechung von Masseschleifen, indem sie verhindert, dass unerwünschte Ströme zwischen zwei Geräten fließen, die sich einen Masseleiter teilen. Galvanische Trennung wird auch aus Sicherheitsgründen eingesetzt, um versehentliche Stromschläge zu verhindern.
Es gibt mehrere Methoden der galvanischen Trennung, zum Beispiel durch kapazitive, induktive, optische, akustische oder mechanische Kopplung. Die am häufigsten eingesetzte Technik ist die Induktion mit Hilfe eines Transformators. Dabei gibt es keine elektrischen Verbindungen zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung.
Sicherheitstransformatoren gehören zu den Trenntransformatoren, stationären Geräten mit isolierten Primär- und Sekundärwicklungen zur elektrischen Trennung von zwei Stromkreisen. Sie übertragen elektrische Energie durch magnetische Induktion.
Ihre wesentliche Funktion: Die Beseitigung von Spannungsspitzen in den Versorgungsleitungen, die Menschen gefährden, zu Betriebsunterbrechungen führen oder Geräte beschädigen können.
Durch den Anschluss eines Sicherheitstransformators in den Stromversorgungsleitungen lassen sich Spannungsspitzen erheblich reduzieren oder sogar ganz ausschließen, bevor sie die Last erreichen.
Ein weiteres wichtiges Merkmal ist das Verhindern der Erdung im Sekundär-Stromkreis. Das unterdrückt Störungen und Rauscheffekte durch die Erdschleife der Last.
Ein Sicherheitstransformator ist ähnlich aufgebaut wie ein Standard-Kerntransformator. Er kann toroidal oder donutförmig sein. Ringkerntransformatoren bieten mehrere Vorteile, darunter ihre geringe Größe und ihr geringes Gewicht, wodurch sie für verschiedene Anwendungen geeignet sind. Die Wicklungen eines Ringkerntransformators sind gleichmäßig verteilt, da sie durch die Mitte des Kerns verlaufen. Zur Herstellung des Kerns wird meist Siliziumeisen oder eine Nickel-Eisen-Legierung verwendet.
Hinsichtlich der Funktion ein Beispiel: Angenommen, auf der Primärseite des Transformators tritt eine Spitze mit hoher Spannung und Stromstärke auf. Wenn der Strom ansteigt, steigt auch der Stromfluss, wodurch sich auch die Spannung in der Sekundärwicklung erhöht. Aufgrund des induktiven Charakters der Primär- und Sekundärwicklung wird verhindert, dass sich die Spitze in der Sekundärwicklung reproduziert.
Außerdem ist der Widerstand gegen den Strom proportional zur Frequenz. Da sich bei einer Spannungsspitze Spannung und Strom schnell ändern, ist der erzeugte Widerstand größer. Infolgedessen wird die Spannungsspitze im Sekundär- oder Lastkreis erheblich verringert, wodurch negative Auswirkungen auf die Lastgeräte vermieden werden.
Wie die meisten Transformatoren dienen auch Sicherheitstransformatoren zur Anpassung des Netzstroms an den Strombedarf des Endgeräts. Am Eingang des Trafos wird im Allgemeinen einphasiger Strom ab 215 Volt Wechselspannung oder dreiphasiger Strom bis etwa 415 Volt Wechselspannung eingespeist. Die Frequenz kann dabei 50 oder 60 Hz betragen.
Die typische Spannung am Ausgang ist in der Regel an SELV- oder PELV-Stromkreise angepasst. SELV steht für Safety Extra Low Voltage, früher auch als Sicherheitskleinspannung bekannt. Die Spannung ist so niedrig, dass beim direkten Berühren sowohl bei bestimmungsgemäßem Betrieb als auch bei einem einzelnen Fehler keine Gefahr durch zu hohe Körperströme besteht. Nach der Norm IEC 61140 darf eine Gleichspannung (DC) in diesem Bereich nicht höher sein als 120 Volt, bei Wechselspannung (AC) liegt die Grenze bei 50 Volt.
In PELV-Stromkreisen – PELV steht für Protective Extra Low Voltage, die Schutzkleinspannung – gelten dieselben Grenzwerte wie für SELV-Stromkreise. Allerdings müssen bei PELV die aktiven Leiter der Kleinspannungsseite geerdet und mit einem Schutzleiter verbunden sein. Das heißt auch: Wird ein SELV-Gerät geerdet, ist es automatisch ein PELV-Gerät.
Geringeres Auftreten von Stromstößen
Strombetriebene Geräte können durch Spannungsspitzen schwer beschädigt werden, selbst wenn diese Spannungsspitzen nur kurze Zeit andauern. Isolationstransformatoren verhindern weitgehend Überspannungen durch die galvanische Trennung.
Verhinderung von Erdungsfehlern
Dass sie Erdungsfehler verhindern, ist ein großer Vorteil von Isolationstrafos.
Grund: Es gibt keine leitende Verbindung zwischen der Erde und der Sekundärseite des Transformators.
Korrektur von Oberschwingungen
Elektronische Motoren finden sich in einer Vielzahl von Industriemaschinen und verursachen häufig harmonische Spannungsverzerrungen. Diese Oberschwingungen können Geräte schädigen. Sicherheitstransformatoren wirken dem entgegen.
Verbesserte Stromqualität
Sicherheitstransformatoren vermindern die Möglichkeit von Leckströmen und erhöhen so die Qualität der an die Maschinen gelieferten Energie. Infolgedessen verbessert sich indirekt auch die Lebensdauer der Geräte.
Bei der Auswahl von Sicherheitstransformatoren sind folgende Eigenschaften besonders wichtig:
Spannung
Die Spannung der primären Stromquelle bestimmt die Eingangsspannung des Transformators, auch wenn viele Transformatoren eine Reihe von Spannungen verarbeiten können. Die Ausgangsspannung lässt sich dann je nach Bedarf wählen. Gängige Eingangsspannungen liegen zwischen 215 Volt und 415 Volt AC. Die Skala der Ausgangsspannungen reicht von 9 Volt bis 230 Volt AC.
Anzahl der Phasen
Der Leistungsbedarf der Last entscheidet über einphasigen oder dreiphasigen Strom. Eine dreiphasige Versorgung ist meist für große Lasten und schwere Maschinen erforderlich.
Leistung
Da es sich um ein induktives, mit Wechselstrom betriebenes Gerät handelt, wird die Leistung nicht in Watt, sondern in Voltampere oder kurz VA angegeben. VA ist die gesetzliche Maßeinheit für die Scheinleistung, die sich aus der tatsächlichen Wirkleistung und der Blindleistung zusammensetzt. Übliche Trafos gibt es mit einer Leistung zwischen 10 VA und 2500 VA, wobei Trafos mit 100 VA zu den gefragtesten Typen gehören. Im oberen Leistungsbereich ist auch die Bezeichnung Kilovoltampere oder kVA üblich, 2500 VA entsprechen 2,5 kVA.
Standort
Da Sicherheitstransformatoren ohnehin meist in Gehäusen oder in Schaltschränken montiert werden, genügt oft schon die Schutzart IP 20 beziehungsweise Schutzklasse I. Bei der Schutzklasse I sind alle elektrisch leitfähigen Gehäuseteile des Gerätes mit dem Schutzleiter verbunden. Geräte der Schutzklasse II verfügen über eine verstärkte oder doppelte Isolierung. Selbst wenn Geräte elektrisch leitende Gehäuseteile haben, so sind diese vor Kontakt mit spannungsführenden Teilen geschützt.