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Einige Betrachtungen zu Transformatoren
21.04.2010 | Transformatoren haben die moderne Energietechnik erst ermöglicht. Die anfänglich praktizierte Gleichstromtechnik erlaubte nicht, Energie über grössere Entfernungen zu transportieren und zu verändern. Die Erfindung des Transformators durch Tesla leitete erst das moderne Zeitalter der Elektrizität ein.
In den einzelnen
Ländern wurden Vorschriften für elektrische Anlagen und Komponenten frühzeitig
erlassen, die in der Schweiz durch den Elektrotechnischen Verein SEV als
prüfende und dem Starkstrominspektorat als bewilligungserteilende Institutionen
durchgeführt wurden. Über lange Zeit hinweg durften Transformatoren ohne SEV
Zeichen in der Schweiz weder ausgestellt, angeboten noch verkauft werden. Es
drohten empfindlichen Strafen für den Zuwiderhandelnden. Bewilligungen konnten
nur Schweizer Firmen erhalten. Durch die Änderung der nationalen in EU
Vorschriften wurde die Prüfungspflicht in der Schweiz für Transformatoren
erlassen. Eine Konformitätserklärung in der EU für Hersteller, in der jährlich
die Einhaltung der für das Produkt bestehenden EU Vorschriften bestätigt werden
muss, ist der Ersatz dafür und die Sicherheit für den Käufer. Diese Erklärung
erfüllt die Regeln der Produkthaftung und erhält jeder Kunde vom Produzenten
zum Beginn der Geschäftsbeziehung sowie in regelmässigem Zeitabstand.
Neben den für die
Übertragung und Verteilung von elektrischer Energie verwendeten
Hochspannungstransformatoren grosser Leistungen hauptsächlich in Ölausführung
möchte ich im wesentlichen über die in der Maschinenindustrie und im Steuerungsbau
zur Anwendung kommenden Anpass- und Steuertransformatoren referieren.
Berechnung der Transformatoren
Transformatoren werden
heute wie viele andere technische Produkte mit Computerprogrammen berechnet und
in Testprogrammen optimiert. Wenn der Kunde dem Hersteller sämtliche Parameter
eines gewünschten Transformators angibt und wenn die Kontrollmessungen auch
genau bei diesen Werten durchgeführt werden so wird er feststellen, das die
geforderten Werte eingehalten werden. Wenn Abweichungen vom Kunden bemängelt
werden so lässt sich immer feststellen, dass die Messungen nicht bei der
angegebenen Raumtemperatur durchgeführt wurden, die bis zum Erreichen des
Beharrungszustandes konstant gehalten werden muss oder das die Belastung nicht
den angegebenen Werten entsprach.
Das bekannteste
Berechnungsprogramm weltweit ist das der Firma RALE in Wettingen, für das wir
mit allen einzelnen Optionen über 100.000 Franken ausgeben mussten. Normung
Die für Transformatoren
verwendeten Einzelteile, nämlich Wickelkörper, Dynamo bzw. Kernbleche sowie
Befestigungswinkel und -platten sind genormt in der DIN 41 301 bis 41307 ebenso
die Raumbedarfsmasse. Durch diese Normteile sowie die einzuhaltenden
Grenzwerte der Vorschriften ergibt sich zwangsläufig ein gewisser Platzbedarf
für einen Transformator einer bestimmten Leistung. Verwendetes Material für die
Eisenkerne der Transformatoren ist in Qualitäten von 330 bis 900 Watt Verlust
bei 100 kg erhältlich. Doch egal ob billiges oder teueres Material verwendet
wird, der Hersteller muss die vorschriftsmässigen Erwärmungswerte und
Spannungsabfälle einhalten.
VorschriftenDie von jedem
Hersteller zwingend einzuhaltende Vorschrift für diese im Vortrag behandelten
Ein – und Dreiphasentransformatoren ist die EN 61 558 mit den einzelnen
Untervorschriften für Trenn- bis Spielzeug-, Medizin- und
Baustellentransformatoren. In diesen Vorschriften sind die Betriebsbedingungen
bei Nennbetrieb, die Spannungsdifferenz zwischen Last- und Leerlauf, die
Grenzwerte der Erwärmung der Wicklungen, der Anschlussklemmen sowie berührbarer
Teile sowie die Prüfspannungen neben den Bedingungen der mechanischen
Ausführung klar definiert.Gegenüber allen anderen
Komponenten in elektrischen Steuerungen sind Transformatoren häufig die
einzigen kundenspezifisch hergestellten Produkte. In jahrzehntelanger Tätigkeit
habe ich immer wieder festgestellt, dass über dieses Produkt bei Einkäufern und
Anwendungstechnikern die meisten Unklarheiten und Zweifel herrschen. An die
Nennbelastung von Schützen oder Relais, an die Werte von Sicherungen, an die
Querschnittsangaben von Kabelherstellern wird immer geglaubt, Bedenken an die
Qualität der Transformatoren sind hingegen grundsätzlich vorhanden. Dies nicht
zuletzt deswegen, weil die einzuhaltenden Vorschriften und deren Punkte
weitgehend nicht bekannt sind oder falsch ausgelegt werden. Folgende Punkte führen
immer wieder zu Unklarheiten und Zweifeln bei Anwendern:
- Erwärmung
Die maximalen
Grenzwerte der Erwärmung sind in den Vorschriften als Übertemperaturen im bestimmungsgemässen
Gebrauch ( Nennbetrieb bei Erreichen der Beharrungstemperatur ) angegeben. Wenn
also wie fast immer üblich die Temperatur mir irgendeinem Fühlerthermometer
gemessen wird, dann muss natürlich die Raumtemperatur vom gemessenen Wert abgezogen
werden. Wicklungsübertemperaturen werden durch Messung des Kalt- und
Warmwiderstands ermittelt und nicht durch Fühlerthermometer. Die zulässigen
Grenztemperaturen auch der Kernpakete sind jenseits der durch Handauflegen
fühlbaren Temperaturen und werden im allgemein als relativ warm empfunden, weil
sich das Eisenpaket durch die Ummagnetisierungsverluste auch dann nicht
unerheblich erwärmt, wenn keine Leistung entnommen wird.
- Spannungsdifferenz
Der Unterschied
zwischen Last- und Leerlaufspannung ist in den Vorschriften leistungsabhängig
bei Nennlast definiert. Auch hier wie bei allen anderen Punkten der Vorschrift
wird vom a) Bestimmungemässem Gebrauch
und b). Nennbetrieb ausgegangen. Bei Transformatoren über 1 kVA sind die
Unterschiede zwischen Last- und Leerlaufspannung im allgemeinem unter 5
Prozent. In der Vorschrift ist ein Unterschied zwischen der Nennspannung und
der tatsächlichen Ausgangsspannung je nach Leistung von 100 Prozent bis 10 VA
und bis 5 Prozent ab 630 VA zulässig.
- Auslegung , Eigenschaften und Bestellhilfen
Wenn der Anwender dem
Hersteller nicht über die Vorschriften hinausgehende detaillierte Angaben über
Montageort, Verwendung und Betrieb der einzusetzenden Transformatoren zur
Verfügung stellt, wird dieser schon aus Kostengründen sich so nahe wie möglich
an die Grenzwerte der Vorschriften halten – so wie ein Autofahrer sich so nahe
wie möglich an die zulässige Geschwindigkeit hält, ohne das er deswegen ein
schlechterer Autofahrer ist als einer, der bei erlaubten 50 km/h nie mehr als
30 km/h fährt . Bei den heute üblichen Schaltschränken in IP 64 sollte die
maximale Verlustwärme abgeklärt werden, um die Wärme im Schrankinneren nicht in
unzulässige Werte steigen zu lassen.
Immer wieder taucht die
Frage nach dem maximalen Einschaltstrom (Einschaltrush) auf. Die Vorschrift
legt diesen nicht fest, (ausser bei Medizintrafos) und verlangt lediglich eine
Absicherung, die diesen Stromstoss aushält. Verschiedene Schaltgerätehersteller
bieten spezielle Motorschutzschalter zur Transformatorenabsicherung an und
geben einen maximalen Rush von 20 x I Nenn an. Im allgemeinen legt man die
Transformatoren für ca. 12 -14 x I Nenn aus.
AbsicherungWenn der Besteller
nicht ausdrücklich Trafos mit angebauten Sicherungen ordert, dann obliegt die
Absicherung beim Betreiber. Die angegebenen Ströme im Ein- und Ausgang erlauben
eine zweckmässige Dimensionierung von Schmelzsicherungen oder Automaten. Bei
Transformatoren mit einer Eingangs- und Ausgangsspannung schützt eine
Absicherung im Eingang am besten. Bei mehreren Ausgangsspannungen muss jeder
Ausgang einzeln abgesichert werden, weil ja ohne weiteres der eine Ausgang
unbelastst, der andere aber überlastet werden kann, ohne dass der Eingangsstrom
zulässig überschritten wird.
Transformatorenart
Häufig werden
Trenntransformatoren angefragt oder bestellt, wobei der Verbraucher solche mit
getrennten Wicklungen meint. Für den Hersteller aber ist dies ein solcher mit
erhöhten Sicherheitsforderungen, der naturgemäss teurer als ein normaler Trafos
ist. Der Anwender muss wissen, oder mit seinem Lieferanten festlegen, nach
welcher Vorschrift Transformatoren in seinen Geräten eingesetzt werden müssen,
um die Forderungen der Vorschrift seines Gerätes zu erfüllen.
Anpasstransformatoren
Für die Hersteller von
Maschinen, die in die unterschiedlichsten Länder liefern, ist es aus
Kostengründen sinnvoll, die Einrichtung generell für die Normspannung von 400
bzw. 230 V zu bauen und die jeweilige Eingangsspannung über die verschiedenen
Abgriffe eines Ein- oder Dreiphasentransformator mit einem Ausgang von
400V an die Einrichtung zu führen. Hier können aus Kostengründen bei
Dreiphasiger Anwendung Auto- oder Spartransformatoren verwendet werden, wenn
eine gleichmässige Belastung aller drei Phasen garantiert ist.Grosse Gefahr besteht
dann, wenn die Eingangsspannung höher als die Ausgangsspannung ist, weil beim
Ausfall einer Phase im Netz über den Sternpunkt eine erhebliche
Spannungserhöhung erfolgt, die Frequenzumformer oder andere Geräte blitzartig
zerstört.
SteuertransformatorenIn der Vorschrift EN 60
204 - 1 :2006 sind wieder für die Bereitstellung von Steuerspannungen in
Maschinensteuerungen Steuertransformatoren nach EN 61 558 - 2-2 zwingend
vorgeschrieben.Hierbei können Abgriffe
vorzugsweise in der Eingangswicklung mit +/-5 % vorhanden sein. Diese Abgriffe
sollen den Spannungsfall (früher Spannungsabfall) zwischen dem Transformator
und dem Verbraucher beeinflussen. Fälschlicherweise sind viele Anwender der
Meinung, dass hier Unter- oder Überspannungen des Netzes ausgeglichen werden
können.Im einen oder anderen
Fall sind hier Probleme aufgetreten, weil die Spannung eines Netzes nicht 24
Stunden konstant ist und auch von den EVUs nicht garantiert wird.Wenn also ein
Transformator an dem Wicklungsanfang und dem +/-5 % Abgriff gespeist wird, so
kann sich die Ausgangsspannung bei dem zulässigen Wert der Eingangsspannung von
z. B. 242 Volt dann um 11 Prozent erhöhen. Dazu kommt noch der Unterschied
zwischen Last- und Leerlaufspannung, so dass ohne weiteres die Ausgangsspannung
um 25 Prozent über dem Nennwert liegen kann.Im konkreten Fall war
in einer Holzbearbeitungsmaschine ein Steuertrafo von 400 VA eingesetzt, den
die Maschinenfabrik grundsätzlich mit dem Minusabgriff gespeist hat. Die
Abdeckung des Sägeblattes war durch einen Magnet gesichert, um bei laufender
Maschine die Unfallgefahr zu minimieren. Da viele Anwender den Hauptschalter,
hinter dem der Trafo mit dem Magnet angeschlossen war, nicht ausgeschaltet
haben, hat die Addition von natürlicher Überspannung im Netz und zulässigen
Leerlauferhöhung des Trafos bei einer Last von lediglich 10 Watt eine an dem
Magnet anliegende Spannung von fast 280 Volt zur Zerstörung geführt. Die
englische Herstellerfirma des Magneten hat sich auf die Betriebsanleitung berufen,
in der üblicherweise eine maximale Überspannung von 6 Prozent zur
Betriebsspannung, also 242 Volt angegeben war, und die Garantie verweigert, was
zu einer weltweiten und teueren Rückrufaktion führte.Auch war in der
Vorschrift für Steuertransformatoren verlangt, dass bei einer Kurzeitlast von
drei bis viermaliger Nennlast mit cos phi von 0,5 die Ausgangsspannung sich
höchstens um zehn Prozent vom Nennwert verringert, um Flattern beim
gleichzeitigem Anzug von mehreren Schützen zu verhindern.Daneben war die
doppelte Prüfspannung mit einem zusätzlichen Symbol für Steuertrafos gefordert.
Es kam vor, dass eine TÜV Abnahme durch das fehlende Symbol die Inbetriebnahme
verhinderte.Durch die Änderung der
nationalen in EN Vorschriften gilt jetzt für Steuertransformatoren die
Vorschrift EN 61 558 - 2 - 2 für die EU. Die Mussforderung der +/- Abgriffe ist
in eine Kann-Anwendung geändert worden, ausserdem dürfen die Plus und
Minustoleranzangaben nicht mehr verwendet werden, also statt 0 / -5% / 400 /
+5% müssen die Anschlussklemmen mit 380/400/420 bezeichnet sein.
Netzgeräte zur Erzeugung von Gleichspannungen für SteuerungenImmer mehr werden in
Schaltanlagen Gleichspannungen eingesetzt, weshalb die Netzgeräte steigende
Bedeutung erlangen. Aus diesem Grund werden auch diese Geräte kurz behandelt.Die in Steuerungen für
SPS und andere Geräte benötigte Gleichspannung von fast immer 24 Volt ist
hinsichtlich Maximal- und Minimalwerten sowie deren Restwelligkeit ebenfalls
genormt. Somit ist der Einsatz der verschiedenen zur Verfügung stehenden Geräte
dem Anwender unter Berücksichtigung der Anforderungen und des Preises
überlassen.Wir unterscheiden
technisch zwischen zwei Gerätetypen, nämlich Ein- und Dreiphasengeräte mit
Netztransformatoren, Brückengleichrichtern und teilweise Kondensatoren zur
Siebung und so genannte getaktete Geräte in ein- und dreiphasiger Ausführung. - Konventionelle Geräte
Bei den Geräten mit
Netztransformatoren und in jedem Fall Brückengleichrichtern wird in der
einphasigen Ausführung mittels Kondensatoren die geforderte Restwelligkeit bei
Volllast erreicht, während in der dreiphasigen Ausführung physikalisch bedingt
eine Restwelligkeit von 4,2 Prozent (also weniger als die geforderten 5 % )
ohne Kondensatoren vorhanden ist. Beide Sorten können über das Netz kommende
Störungen durch den Trenntransformator sehr gut abfangen, der eine optimale
Sicherheit zur 100 %igen Netztrennung bietet. Eine kurzzeitige Überlastung, die
bei vielen Steuerungen auftritt, ist problemlos möglich.
Die preisgünstigste
Lösung für Ströme bis etwa 18 A dürften Einphasengeräte sein, weil diese über
den Transformator auch für die verschiedensten Eingangsspannungen hergestellt
werden können und weil eine Vorsicherung nicht benötigt wird, da bei unseren
Geräten diese durch die eingebaute Sicherung entfällt. Kurzzeitige Netzausfälle
werden durch die Siebkondensatoren abgefangen.
Bei dreiphasigen
Geräten, die für Ströme auch mehr als 100 A herstellbar sind, gelten die
gleichen Punkte mit Ausnahme, das für kurzzeitige Netzausfälle
Stützkondensatoren erforderlich sind.
- Getaktete Geräte
Vorteil dieser Typen
sind eine konstante Ausgangsspannung bei Netz- und Lastschwankungen sowie
Kurzschlussfestigkeit neben einer sehr geringen Restwelligkeit, die fast einer
Batteriespannung entspricht. Geringes Gewicht und Aufschnappbarkeit sind die
Regel.
Verschiedene Anwender,
die von konventionellen auf getaktete Geräte gewechselt haben, hatten Probleme,
weil kurzzeitige Überlastungen natürlich bei diesen Geräten nicht möglich sind.
Diese schalten bei Überschreiten des Nennstroms schlagartig ab, ebenso bei
Netzausfällen einer Halbwelle.
Habermann-Generalvertretung in der Schweiz:CARL GEISSER AG, Industriestrasse 7, 8117 Fällanden,
Telefon 044-806 65 00, Fax 044-806 65 01,
E-Mail: info@carlgeisser.ch, Internet: www.carlgeisser.ch
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