Transformator: Aufbau und Funktion in 3D
Wie wird aus 230 oder 400 V die Steuerspannung 24 V? Hier zerlegst du einen Einphasen-Steuertransformator in 3D, von den Anschlussklemmen über den Blechkern bis zu Primär- und Sekundärwicklung auf dem Spulenkörper.
Lädt einmalig rund 0,2 MB. Die Erklärungen unten funktionieren auch ohne 3D-Modell.
Einphasen-Transformator
Er setzt eine Wechselspannung auf eine andere Spannung um, hier zum Beispiel von 230 oder 400 V auf 24 V für eine Steuerung. Zwei Wicklungen sitzen auf einem gemeinsamen Eisenkern, elektrisch sind sie nicht miteinander verbunden. Mit Weiter wird er Schritt für Schritt zerlegt, mit Spannung einschalten siehst du, wo das Magnetfeld wirkt.
Die Bauteile im Überblick
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Anschlussklemmen
Auf der Primärseite liegen hier drei Klemmen: 0, 230 und 400 V. So passt derselbe Transformator an zwei Netzspannungen. Auf der Sekundärseite liegen 0 und 24 V. Wie die Klemmen eines bestimmten Geräts beschriftet sind, steht auf seinem Typenschild.
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Befestigungswinkel
Sie halten das Blechpaket zusammen und dienen zum Festschrauben, meist auf der Montageplatte im Schaltschrank.
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Eisenkern aus Blechen
Der Kern führt das Magnetfeld von der einen Wicklung zur anderen. Er ist aus vielen dünnen, gegeneinander isolierten Elektroblechen geschichtet, hier in E- und I-Form. Ein massiver Kern würde durch Wirbelströme heiß.
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Primärwicklung
An ihr liegt die Netzspannung. Der Wechselstrom in ihr erzeugt im Kern ein magnetisches Wechselfeld, das im Takt der Netzfrequenz von 50 Hz seine Richtung wechselt. Weil die Primärseite hier die höhere Spannung hat, hat sie viele Windungen aus dünnerem Draht.
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Sekundärwicklung
Das wechselnde Magnetfeld im Kern induziert in ihr eine Spannung. Die Spannungen verhalten sich wie die Windungszahlen: U1 / U2 = N1 / N2. Die Ströme verhalten sich umgekehrt. Deshalb hat die 24-V-Seite weniger Windungen, aber dickeren Draht.
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Spulenkörper
Der Träger aus Isolierstoff, auf den die Wicklungen gewickelt sind. Im Modell liegen Primär- und Sekundärwicklung nebeneinander in zwei Kammern, bei anderen Bauarten übereinander. Die Trennwand zwischen den Kammern isoliert die beiden Stromkreise gegeneinander.
Steuertransformatoren im Schaltschrank: Einschaltstrom, Erdung, Prüfung
Beim Einschalten zieht ein Transformator kurzzeitig einen Strom, der ein Vielfaches seines Bemessungsstroms erreichen kann. Eaton legt Schütze zum primärseitigen Schalten von Transformatoren für Einschaltströme bis zum 30-fachen Scheitelwert des Bemessungsstroms aus (Eaton Schaltungsbuch 10/23, S. 3-57). Löst der LS-Schalter vor einem Trafo gelegentlich beim Einschalten aus, im Betrieb aber nie, ist dieser Einschaltstrom ein naheliegender Verdacht.
Primär- und Sekundärseite werden abgesichert, getrennt oder kombiniert. Im geerdeten Steuerstromkreis ist die Sekundärseite einseitig mit dem Schutzleiter verbunden. Soll der Steuerstromkreis ungeerdet betrieben werden, entfällt diese Verbindung, und eine Isolationsüberwachung wird vorgesehen (S. 3-57). Im geerdeten Kreis wird ein Erdschluss des anderen Leiters zum Kurzschluss, den die Sekundärsicherung abschaltet. Im ungeerdeten Kreis meldet ihn die Isolationsüberwachung.
Prüfen lässt sich ein Trafo mit einfachen Messungen. Spannungsfrei misst du die Widerstände der Wicklungen: Die Primärwicklung mit vielen Windungen aus dünnem Draht hat einen größeren Widerstand als die Sekundärwicklung, unendlich heißt unterbrochen. Zwischen den Wicklungen und gegen den Kern darf keine Verbindung bestehen. Unter Spannung vergleichst du die Sekundärspannung mit dem Typenschild. Wird der Trafo heiß oder sinkt die Spannung unter Last stark ab, ist er vielleicht überlastet, dann hilft der Rechner Transformator beim Nachrechnen.
Ein Trenntransformator für die Schutzmaßnahme Schutztrennung ist etwas anderes als ein Steuertrafo: Er versorgt in der Regel nur ein einziges Verbrauchsmittel, dessen Schutzleiter nicht angeschlossen werden darf (Tabellenbuch Elektrotechnik, Cornelsen, S. 138).
Ungeerdeter Steuerkreis mit Isolationswächter
Für den ungeerdeten Steuerkreis zeigt Eaton eine Schaltung mit getrenntem Primär- und Sekundärschutz und sekundärseitiger Isolationsüberwachung, am Wächter mit Lösch- und Prüftaste (Eaton Schaltungsbuch 10/23, S. 3-58). Ein solcher Isolationswächter überwacht in ungeerdeten IT-Netzen den Isolationswiderstand und auf Kabelbruch. Beim Beispielgerät ist der Ansprechwert zwischen 1 und 100 kΩ einstellbar, und unterschreitet der Isolationswiderstand diesen Wert, fällt das Ausgangsrelais ab. Über einen eingebauten Taster lassen sich Test und Reset auslösen (S. 2-35). Meldet der Wächter, ist der Isolationswiderstand unter den eingestellten Wert gesunken. Die Ursache suchst du dann mit der Isolationsmessung im freigeschalteten Kreis.
Kombinierter Schutz und Freischalten
Eaton zeigt auch eine Variante mit kombiniertem Primär- und Sekundärschutz, bei der das Verhältnis U1/U2 höchstens 1/1,73 betragen darf. Diese Schaltung soll ausdrücklich nicht bei Sicherheits- und Trenntransformatoren verwendet werden (S. 3-57). Vor Arbeiten an einem Steuerkreis reicht es nicht, nur die Primärsicherung zu ziehen. Die DGUV Information 203-001 nennt die Rücktransformation ausdrücklich als einen der Wege, über die nach dem Freischalten noch Spannung anliegen kann. Deshalb gehört das Feststellen der Spannungsfreiheit an der Arbeitsstelle immer dazu (DGUV Information 203-001, Ausgabe Oktober 2015, S. 20). Bei Arbeiten an Netztransformatoren wird nach derselben Schrift auf Ober- und Unterspannungsseite geerdet und kurzgeschlossen, auch wenn die Unterspannungsseite unter 1000 V liegt (S. 23).
Kleinspannung und Schutzklassen
In der Übersicht der Schutzmaßnahmen nach DIN VDE 0100-410 ordnet das Tabellenbuch die Kleinspannung (SELV, PELV) und die doppelte oder verstärkte Isolierung als Maßnahmen ein, die zugleich Basis- und Fehlerschutz bieten. Schutzklasse I steht für Betriebsmittel mit Anschluss an den Schutzleiter, Schutzklasse II für doppelte oder verstärkte Isolierung ohne Schutzleiteranschluss und Schutzklasse III für Kleinspannung mit Bemessungsspannungen unter AC 50 V oder DC 120 V. Als maximal zulässige Berührungsspannung nennt dieselbe Seite 50 V Wechsel- und 120 V Gleichspannung (Tabellenbuch Elektrotechnik, Cornelsen, S. 134). Dass nicht jeder Trafo mit 24 V Ausgang ein Sicherheitstransformator ist, erklären die Fragen unten.
Trenntrafo am Reparaturplatz
Auch in der Werkstatt spielt der Trenntransformator eine Rolle. Wird ein geöffnetes Gerät auf dem Reparaturplatz unter Spannung geprüft, soll der Prüfling nach der DGUV Information 203-001 vorzugsweise über einen Trenntransformator eingespeist werden. Ist der Prüfstromkreis dagegen galvanisch mit dem Netz verbunden, wird er über einen RCD mit höchstens 30 mA abgesichert (Ausgabe Oktober 2015, S. 62). Nach der Reparatur wird das Gerät geprüft, die Grenzwerte dafür stehen bei der Geräteprüfung.
Weitere 3D-Modelle
Gleichstrommotor in 3D zerlegt → Kommutator, Kohlebürsten und Magnete: So dreht sich ein Motor an Gleichspannung. Motorklemmbrett in 3D: Stern und Dreieck → Brücken, Wicklungsenden und Klemmen: So wird ein Motor in Stern oder Dreieck geklemmt. Asynchronmotor in 3D zerlegt → Jedes Bauteil einzeln gezeigt und erklärt, vom Klemmbrett bis zum Käfigläufer. Schütz in 3D zerlegt → Spule, Anker und Kontakte: So schaltet ein Schütz, mit Knopf zum Ein- und Ausschalten.Warum funktioniert ein Transformator nicht mit Gleichstrom?
Nur ein sich änderndes Magnetfeld induziert eine Spannung. Gleichstrom erzeugt ein gleichbleibendes Feld, auf der Sekundärseite käme nichts an. Die Primärwicklung hätte dann nur ihren kleinen Drahtwiderstand und würde überhitzen.
Wie rechnet man die Übersetzung aus?
Die Übersetzung ist ü = U1 / U2 = N1 / N2. Von 400 V auf 24 V ergibt das rund 16,7. Die Ströme verhalten sich umgekehrt: Fließen sekundär 4 A, sind es primär rund 0,24 A, ohne Verluste und Magnetisierungsstrom gerechnet.
Warum brummt ein Transformator?
Die Bleche ändern im Magnetfeld minimal ihre Länge, das nennt man Magnetostriktion. Das passiert zweimal pro Periode, bei 50 Hz also mit 100 Hz. Lose Bleche oder Befestigungen verstärken das Brummen.
Welcher LS-Schalter passt vor einen Transformator?
Einer, der den hohen Einschaltstrom verträgt. Das Tabellenbuch nennt die Charakteristiken D und K für Betriebsmittel mit hohen Einschaltströmen wie Motoren und Transformatoren (Tabellenbuch Elektrotechnik, Cornelsen, S. 142). Was für deinen Trafo gilt, steht in seinem Datenblatt.
Ist jeder 24-V-Transformator ein Sicherheitstransformator?
Nein. Ob ein Trafo als Sicherheits- oder Trenntransformator gebaut ist, steht mit dem passenden Symbol auf dem Typenschild. Eaton weist zum Beispiel darauf hin, dass eine bestimmte Schaltung mit kombiniertem Primär- und Sekundärschutz nicht bei Sicherheits- und Trenntransformatoren verwendet werden darf (Eaton Schaltungsbuch 10/23, S. 3-57). Die Unterscheidung hat also Folgen für die Schaltung.
Zum Modell: Es ist vereinfacht und zeigt den grundsätzlichen Aufbau, keinen bestimmten Transformator. Kernform, Wicklungsanordnung und Klemmen unterscheiden sich je nach Hersteller und Bauart. Welche Werte gelten, steht auf dem Typenschild.
Von Felix Albers, Betriebselektriker · Stand: · Quellen & Normstand
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