Ringkern-Transformatoren Relais schützt Trafo

Im Einschaltmoment fließt in Ringkerntransformatoren ein sehr hoher Strom, besonders wenn die Wicklung für niedrige Kupferverluste mit dickem Draht ausgeführt ist. Einschaltstrombegrenzer bieten nur eingeschränkt Abhilfe, ein spezielles Relais aber schon. Ein Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass sich die Verluste weiter reduzieren lassen.

Ringkern-Transformatoren sparen Stromkosten, weil sie einen viel geringeren Leerlaufstrom haben als andere Trafos. Der Leerlaufstrom entsteht durch die Ummagnetisierungsverluste im Eisenkern und erwärmt diesen. Wenn Ringkerntrafos außerdem mit extra wenig Kupferverlusten ausgelegt sind, dann kann man sie als Energiespartrafos bezeichnen. Dazu benutzt man einen größeren Kern mit dickeren Wickeldrähten, als es für die erforderliche Leistung nötig wäre.

Solche Trafos verursachen dann aber einen sehr hohen Einschaltstrom, was die Anwendung erschwert, weil die Absicherung auf der Primärseite für den Nennstrom dafür schwierig bis unmöglich wird. Der Einschaltstrom wird lediglich durch den Kupferwiderstand der Primärwicklung begrenzt. Einschaltstrombegrenzer bieten da nur eingeschränkt Abhilfe.

Einen Ausweg aus dem Einschaltstrom-Dilemma zeigt das Trafoschaltrelais »TSRL«. Dieser »intelligente« Netzschalter vermeidet immer den »Inrush«-Effekt, er ermöglicht damit sogar häufiges Aus- und Einschalten von nicht benötigten Trafolasten und beherrscht auch sogenannte Netz-Halbwellenausfälle. Ringkerntrafos haben vor allem im Teillastbetrieb deutliche Stromsparvorteile gegenüber herkömmlichen Trafos mit EI-Kern mit geschweißtem Kern.

Weil sie keinerlei Luftspalt im Eisenkern aufweisen, haben Ringkerntrafos einen um bis zum Faktor 100 geringeren Leerlaufstrom gegenüber geschweißten EI-Kern-Trafos. Deshalb ist der Standby-Strom dann auch viel geringer. Ringkerntransformatoren können mit weniger Gewicht und mit weniger Wirkverlusten gebaut werden als sie eckige Bauformen haben. Diese ohne weiteres mögliche Verringerung der Wirkverluste wird aber wegen des dann noch höher werdenden Einschaltstroms nur selten ausgenutzt. Dies soll das folgende Zahlenbeispiel verdeutlichen.

Bild 1 zeigt einen Standard-Ringkerntrafo mit 1 kVA, der als Trenntrafo 230 V auf 230 V umsetzt, und davor als Absicherung einen 4-A-Leitungsschutzschalter mit Auslösecharakteristik C; 4 A ist der Nennstrom des Trafos. Der Einschaltstrom des Ringkerntrafos liegt aber 50-mal höher als der Nennstrom, also bei 200 A. Damit ist er um mehr als den Faktor 10 größer als der Auslösestrom des flinken Leitungsschutzschalters, der bei 20 A innerhalb von 5 ms auslöst.

Der Trafo lässt sich also mit diesem Schutzschalter nicht absichern, weil der Einschaltstrom immer wieder die Absicherung auslösen wird. Mit einem Schutzschalter mit D-Charakteristik, der den 2- bis 3-fachen Nennstromwert des Trafos haben muss, lässt sich der Trafo damit auf der Primärseite nur auf Kurzschluss, nicht aber gegen Überlast absichern. Auf den Nennstrom ausgelegte Schmelzsicherungen mit noch höherer Trägheit und auch Trafoschutzschalter sind nicht am Markt verfügbar. Das hat bisher den Einsatz größerer Ringkerntrafos behindert. Eigentlich schade, dass die beiden Bauteile aus Bild 1 nicht so ohne weiteres zusammenpassen, denn jedes für sich hat Vorteile.

Der verlustarme Trafo ist belastungssteif und bleibt in Teillast nahezu kalt, weil er einen zu vernachlässigenden Leerlauf- beziehungsweise Standby-Strom hat. Der 4-A-Leitungsschutzschalter könnte den Trafo und auch gleich die in Anlagen vorhandenen langen Leitungen nach dem Trafo vor Überlastung oder Kurzschluss optimal schützen, sodass keine zusätzlichen sekundärseitigen Sicherungen verwendet werden müssten.

Wird das sogenannte Trafoschaltrelais »TSRL« nach der Sicherung und noch vor den Trafo gesetzt, dann »vertragen« sich die beiden in Bild 1 gezeigten Bauteile bestens, und der Ringkerntrafo kann dann seinen Vorteil der Energiesparsamkeit ohne Nachteile zur Geltung bringen. Er kann jetzt auch mit noch weniger Kupferverlusten gebaut werden, indem man den Drahtquerschnitt vergrößert und einen größeren Kern benutzt.

Weniger Verluste sparen Geld

Verdoppelte man die Typenleistung eines Ringkerntrafos von 1 kVA auf 2 kVA, würden die Leerlaufverluste nur um etwa 6 W steigen, was kaum ins Gewicht fällt. Eine solche Verdopplung der Typenleistung bei einem einkaufskostenoptimierten Trafo mit EI-Kern würde dagegen die Leerlaufverluste von 50 W auf 100 W verdoppeln und keinen Stromspareffekt bringen.

Mit dem größeren 2-kVA-Ringkerntrafo würden auch die absoluten Wirkverluste bei einer Last von 1 kW deutlich abnehmen, nämlich von zirka 40 W beim 1-kVA-Ringkerntrafo auf etwa 10 W beim 2-kVA-Typ. Es werden also mit dem größeren Ringkerntrafo insgesamt 34 W eingespart. Der Trafo-Wirkungsgrad bei 1 kW Belastung beträgt dann mehr als 98%. Ein vergleichbarer 1-kVA-Trafo mit EI-Kern, der auf geringe Beschaffungskosten hin ausgewählt wurde, hat eine Verlustleistung von ungefähr 120 W und damit nur einen Wirkungsgrad von 88%. Je nach Anwendung ist nach zwei Jahren der Kauf des teureren Ringkerntrafos plus TSRL also amortisiert.

Der Stromspar-Ringkerntrafo lässt sich zusammen mit dem TSRL sogar auf kleiner als den Nennstrom absichern, weil mit einem TSRL vor dem Trafo dieser nur mit dem Leerlaufstrom oder dem in die Last fließenden Strom eingeschaltet wird. Somit löst die Sicherung niemals aus, wenn sie auf den Laststrom ausgelegt ist. Einen 1-kVA-Trafo kann man deshalb dann zum Beispiel auch nur auf 0,5 kVA absichern, wenn die Last nicht größer ist. Das war bisher wegen dem Einschaltstrom undenkbar.

Eine sekundärseitige Einzellast lässt sich damit allein auf der Primärseite absichern, ohne eine sekundärseitige Sicherung benutzen zu müssen. Man kann also nur durch Vermeiden des Einschaltstromes mit einer primärseitigen Sicherung den Trafo selbst, die Leitungen sowie die Last schützen. Auch beim Einschalten auf einen Kurzschluss nimmt das TSRL, im Gegensatz zu Einschaltstrombegrenzern, keinen Schaden. Nach dem Beseitigen des Kurzschlusses ist das TSRL sofort wieder einschaltbereit.

Bild 2 zeigt einen verlustarmen 1-kVA-Steuertrafo für 400 V, der mit einem TSRL eingeschaltet und mit 2 A starken Leitungsschutzschaltern mit B- oder C-Charakteristik flink auf weniger als den Nennstrom abgesichert ist.

Einsparungen im Anlagenbau

Es hilft dem Anlagenprojektierer enorm, wenn der Trafoeinschaltstrom nicht mehr vorhanden ist und sich die primärseitige Absicherung nur nach den Erfordernissen des Leitungsschutzes richten muss, also für die Leitungen, die nach dem Trafo kommen. Meistens kann dabei dann der Leitungsquerschnitt reduziert werden. Das kann im Anlagenbau oder in der Gebäudeausrüstung, wo lange Leitungen nach dem Trafo vorkommen, viel Geld einsparen.

Ein Kurzschluss an der entferntesten Stelle der Leitung muss die Absicherung in weniger als 3 s auslösen können. Das lässt sich bisher bei einer Absicherung vor dem Trafo, die auf den Einschaltstrom ausgelegt ist, nur mit großen Leitungsquerschnitten auf der Sekundärseite erreichen.

Die mit dem Ringkerntrafo eingesparten Verluste und die damit verbundenen Kosten tragen ein Übriges zur Nachhaltigkeit bei. Außerdem besitzt das TSR mit der schnellen Reaktion auf Netzhalbwellen-Einbrüche eine definierte Abschaltschwelle bei Netzunterspannung. Bezogen auf 230 V liegt die Ausschaltschwelle bei 165 V, mit anschließendem sanften Wiedereinschalten bei mehr als 190 V. Damit wird bei Netzeinbrüchen ein unkontrolliertes Abfallen und Anziehen der vom Steuertrafo versorgten Schütze unterbunden. Das erhöht die Anlagensicherheit und schont die Kontaktsätze dieser Schütze.

Ein separates Spannungswächterrelais, was die Schütze und andere Verbraucher in diesem Fall definiert aus- und einschaltet, ist dann nicht mehr nötig. Das Prinzipschaltbild in Bild 3 zeigt den Aufbau und den Anschluss der TSRL. Die Wirkungsweise ist in Bild 4 zu sehen. Die Spannungsmesskurve im Bild 4 zeigt die gemessene Primärspannung am Trafo, die Strommesskurve den gemessenen Strom der auf der Primärseite während der Einschaltprozedur in den Trafo hineinfließt. Es ist nur der Strom der ohmschen Last zu sehen, aber keinerlei Einschaltstromspitzen.

Über den Autor:

Michael Konstanzer ist als freier Mitarbeiter der FSM-Elektronik zuständig für die Vermarktung und Kundenberatung.