Trenntransformatoren in der Industriestromversorgung: Welche Isolationsklasse des Wickeldrahts für PLC-, Automatisierungs- und DIN-rail-Module

Dieser Beitrag richtet sich an Entwicklungs- und Einkaufsingenieure, die industrielle Stromversorgungsmodule, die Stromverteilung im Schaltschrank sowie Netzteile für PLC (SPS) und Automatisierung auslegen. Der Trenntransformator ist die Wand, die die Netzseite von der Steuerseite mit Kleinspannung trennt; entscheidend an dieser Wand ist die verstärkte Isolierung, die dort entsteht, wo der Wickeldraht zwischen Primär- und Sekundärseite übergeht. Der Beitrag behandelt eine der am häufigsten gestellten Auswahlfragen: Soll die Wärmeklasse des Wickeldrahts in der heißen Umgebung eines Schaltschranks 130(B) oder 155(F) sein – und warum ein Bereich wie die Industriestromversorgung mit „hoher Varianz bei kleinen Stückzahlen" besonders auf eine lokale, flexible Versorgung angewiesen ist.

1. In der Industriestromversorgung sitzt die Trennung zwischen Primär- und Sekundärseite

De-facto-Standard der Industriesteuerung ist eine Ausgangsspannung von 24V DC, die Sicherheit (SELV, Sicherheitskleinspannung) und Versorgungsfähigkeit verbindet; PLC, Sensoren und Relais werden fast alle aus dieser 24-V-Steuerschiene versorgt. Die Trennung der Netzseite (Primärseite) von dieser Steuerschiene (Sekundärseite, SELV) beruht auf doppelter oder verstärkter Isolierung – nach IEC 62368-1 ist die verstärkte Isolierung ein einzelnes Isoliersystem, das einen der doppelten Isolierung gleichwertigen Schutz gegen elektrischen Schlag bietet; der Sekundärstromkreis ist damit durch doppelte oder verstärkte Isolierung vom Primärstromkreis getrennt. Die Sicherheitsanforderungen an den Transformator selbst fallen in die Normenreihe IEC 61558 (Isolierung, Kriechstrecken, Luftstrecken und Erwärmung von Trenntransformatoren und Transformatoren für Stromversorgungen).

Der Trenntransformator ist der Kern dieser Wand. Dort, wo die Wicklung zwischen Primär- und Sekundärseite übergeht, ist dreifach isolierter Draht (TIW) ein gängiges Mittel, um auf engem Wickelraum eine verstärkte Isolierung zu bilden – ohne zusätzliche Lagen Isolierband oder physische Trennabstände entsteht die Wand im Draht selbst. Welcher TIW-Typ gewählt wird, entscheidet unmittelbar darüber, bis zu welcher Umgebungstemperatur diese Wand hält.

2. Der Schaltschrank ist „heiß": Warum die Wärmeklasse des Wickeldrahts höher angesetzt werden muss

Wie viel Temperatur der Wickeldraht aushalten muss, bemisst sich nicht an der Raumtemperatur des Maschinenraums, sondern daran, welche Temperatur der Heißpunkt (Hot-Spot) der Wicklung tatsächlich erreicht. Nach IEC 60085 ist die Wärmeklasse der Isolierung die Obergrenze der Temperatur, die der Wicklungsheißpunkt dauerhaft verträgt: Klasse B 130°C, Klasse F 155°C; die Norm setzt 40°C als Bezugsumgebungstemperatur an. Entwicklungsziel ist, den Heißpunkt dauerhaft unter der Obergrenze der gewählten Wärmeklasse zu halten.

Das Problem: Im Inneren eines Schaltschranks ist es deutlich wärmer als bei Raumtemperatur. In der industriellen Praxis liegt die Schrankinnentemperatur häufig 10–20°C über der Umgebung, im oberen Bereich des Schranks sogar 15–20°C darüber; übersteigt die Innentemperatur etwa 50°C, ist meist ein Schaltschrank-Kühlgerät nötig. DIN-rail-Netzteile (Hutschienen-Netzteile) sind zudem überwiegend lüfterlos und konvektionsgekühlt, beginnen ab etwa +50°C mit dem Derating der Ausgangsleistung und sitzen oft unmittelbar neben Wärmequellen wie Frequenzumrichtern, Schützen und Netzwerk-Switches – wird das Netzteil in den letzten freien Zentimeter Hutschiene gezwängt, tritt das Heißpunktproblem umso deutlicher hervor.

Übereinandergelegt setzt sich die tatsächliche Temperatur am Wicklungsheißpunkt grob aus folgenden Schichten zusammen:

• Bezugsumgebungstemperatur — Erläuterung：IEC 60085 legt 40°C als Basis zugrunde
• Erwärmung im Schrank — Erläuterung：Häufig 10–20°C über der Umgebung, oben noch mehr
• Erwärmung im Modul — Erläuterung：Lüfterlose Konvektionskühlung, Derating der Ausgangsleistung ab etwa +50°C
• Eigenerwärmung der Wicklung — Erläuterung：Je nach Last und Wicklungsauslegung / gemäß Freigabedokument

Addiert man diese Schichten, nähert sich der Wicklungsheißpunkt schnell der Obergrenze von 130(B). Ein Wickeldraht der Klasse 155(F) (etwa TLW-F) schafft auf der Materialseite 25°C zusätzliche thermische Reserve – in einem Industriemodul dicht an Wärmequellen und ohne Lüfter ist das keine Überspezifikation, sondern eine reale Anforderung aus der tatsächlichen thermischen Umgebung. Weiterführend: Wärmeklasse des Drahts und Wärmeklasse des Isoliersystems.

3. Drahtauswahl im Vergleich: TLW-B / TLW-BB (130 B) und TLW-F (155 F)

Von den dreifach isolierten Drähten, die DAH JIN TECHNOLOGY anbietet, sind für die Industriestromversorgung vor allem TLW-B / TLW-BB der Klasse 130(B) sowie TLW-F der Klasse 155(F) relevant. Der Vergleich (die konkreten Bedingungen ergeben sich stets aus dem Freigabedokument):

• Wärmeklasse — TLW-B / TLW-BB：130(B)；TLW-F：155(F), Class F
• Bewertung als verstärkte Isolierung — TLW-B / TLW-BB：Gemäß Freigabedokument；TLW-F：Reinforced (VDE 40008834 Annex J / IEC 62368-1; UL 2353)
• Drahtdurchmesserbereich — TLW-B / TLW-BB：Gemäß Freigabedokument；TLW-F：Gemäß Freigabedokument
• Komponente des Isoliersystems DJ-130 — TLW-B / TLW-BB：TLW-BB ist enthalten；TLW-F：Nicht enthalten
• Typische Ausrichtung — TLW-B / TLW-BB：Schrankpositionen mit besserer Entwärmung；TLW-F：Heiße Schränke, lüfterlose Module dicht an Wärmequellen

Eine entscheidende und oft missverstandene Grenze: Der Wechsel des Wickeldrahts auf TLW-F bringt den „Draht" auf die Klasse 155°C (Class F); er macht den gesamten Transformator nicht automatisch zu einem Isoliersystem der Klasse F. Die Wärmeklasse des Systems wird gesondert nach UL 1446 / IEC 60085 bewertet (das Isoliersystem DJ-130 von DAH JIN ist 130(B)) – und genau deshalb steht TLW-F nicht in der Komponentenliste von DJ-130. Der Eintrag auf der Drahtseite und der Eintrag auf der Systemseite sind zwei verschiedene Dinge und vor der Übernahme getrennt zu betrachten. Die vollständigen Auswahlkriterien finden sich im TIW-Auswahlleitfaden.

Konkrete Typen, Drahtdurchmesserbereiche und Einsatzbedingungen richten sich stets nach dem Freigabedokument.

4. Hohe Varianz, kleine Stückzahlen, lieferzeitkritisch: Warum die Industriestromversorgung lokale, flexible Lieferanten braucht

Die Industriestromversorgung ist ein typischer Bereich mit „hoher Varianz bei kleinen Stückzahlen" (HMLV, high mix, low volume): Es gibt viele Kombinationen von Primär- und Sekundärspannung, die VA-Leistung reicht von Bruchteilen eines Watts bis zu mehreren kVA, und die Bauformen teilen sich in Leiterplattenmontage (PCB), DIN-rail, Chassis und vergossene Ausführungen – entsprechend groß ist die Zahl der Varianten, während die Losgröße je Artikel klein bleibt. Branchendaten zeigen zudem, dass die industrielle Anwendung das größte Segment der Transformatornachfrage ist; wegen der Kosten für Materialvorhaltung und Umrüstung wird die Lieferzeit kleiner Lose oft vom Eintreffen von Kupfer, Kernen und speziellen Isolierstoffen bestimmt. Genau hier ist die Industriestromversorgung lieferantenseitig am empfindlichsten: Die Spezifikation muss anpassbar sein, die Menge muss nicht groß sein, die Lieferzeit muss verlässlich sein.

DAH JIN ist Hersteller (kein Händler) von dreifach isoliertem Draht mit eigenem Werk in Guiren, Tainan, Taiwan – gefertigt in Taiwan; der im UL-Eintrag angegebene Fertigungsstandort ist dieses Werk. Für die traditionell verteilte Nachfrage der Industriestromversorgung sind niedrige Mindestbestellmengen (MOQ), hohe Varianz bei kleinen Stückzahlen und flexible, schnelle Lieferung genau die Stärken, zu denen das Geschäftsmodell von DAH JIN am besten passt – eine Variantenspezifikation muss sich keiner Großserien-Schwelle beugen, und Materialauswahl sowie Bemusterung lassen sich lokal in Taiwan abschließen. Welche Fragen bei der Lieferantenbewertung zu stellen sind, zeigt die TIW-Lieferantenprüfung.