Einschalten beim Scheitelwert der Spannung

${\displaystyle \Phi (t)=\int U(t)\,\mathrm {d} t+C}$

${\displaystyle \Phi (t)=U_{\mathrm {max} }\cdot \int _{0}\cos {(\omega t)}\,\mathrm {d} t+C}$

${\displaystyle \Phi (t)={\frac {U_{\mathrm {max} }}{\omega }}\sin(\omega t)+C}$

Diese Beziehung beschreibt den zeitlichen Flussverlauf Φ als Funktion der Spannung U an der Primärspule, wenn diese bei ihrem Scheitelwert U_max eingeschaltet wird.

Keine Restmagnetisierung, nur bei Kernen mit großem Luftspalt möglich.

Die Integrationskonstante C ist null, das heißt, bei t = 0 ist Φ null. Das ist gleichbedeutend damit, dass der Eisenkern vor dem Einschalten entmagnetisiert war; es gilt die Sinusfunktion ${\displaystyle \Phi (t)}$ im oberen Bild. Dieses Bild gilt auch für den eingeschwungenen Zustand des Trafos im laufenden Betrieb: Der magnetische Fluss ${\displaystyle \Phi (t)}$ wechselt periodisch die Polarität und verläuft symmetrisch zur Nulllinie: Von 0 bis 5 ms wird Φ größer und erreicht den Scheitelwert magnetischen Flusses bei 5 ms. Anschließend entmagnetisiert die inzwischen umgepolte Primärspannung den Eisenkern bis zum Zeitpunkt 10 ms.

Mit Restmagnetisierung, Remanenz, bei Kernen mit kleinem oder keinem Luftspalt.

Die Restmagnetisierung wird durch die Spannungszeitfläche der letzten Spannungshalbwelle vor dem Ausschalten beeinflusst. Falls der Eisenkern vor dem Einschalten noch Restmagnetismus besitzt, verschiebt sich die Sinuskurve des magnetischen Flusses entsprechend nach oben oder nach unten, weil der Fluss vom Remanenzfluss aus startet, dann ist C ≠ 0 (siehe blauer Bereich im Bild darunter). Zum Zeitpunkt 5 ms ist der magnetische Fluss Φ_max größer oder kleiner als im eingeschwungenen Zustand. Wenn er größer ist, wird der Kern kurzzeitig positiv gesättigt und durch die Primärwicklung fließt zum Zeitpunkt t = 5 ms eine positive Stromspitze. Wäre dieser Restmagnetismus bekannt gewesen, hätte man 2 ms später einschalten und die Sättigung vermeiden können. Leider ist es viel zu aufwendig, den Restmagnetismus vor dem Einschalten im Eisenkern zu messen.

Siehe hierzu auch Trafoschaltrelais: dort wird anhand der Wirkung der Spannungszeitfläche auf grafische Weise erklärt, weshalb es zu den Einschaltstromstößen kommen kann und wie diese mit einer gezielten Vormagnetisierung ganz vermieden werden können.

Einschalten beim Nulldurchgang der Spannung

${\displaystyle \Phi (t)=\int U(t)\,dt+C}$

${\displaystyle \Phi (t)=U_{\mathrm {max} }\cdot \int _{0}\sin(\omega t)\,dt+C}$

Diese Beziehungen beschreiben den zeitlichen Flussverlauf Φ an der Primärspule, wenn diese im Nulldurchgang der Wechselspannung U zugeschaltet wird.

Ohne Restmagnetisierung

Die Integrationskonstante C ist bei t=0 null, Φ ebenfalls, d. h. der Eisenkern war vor dem Einschalten entmagnetisiert. Aufgrund der Integration über die gesamte erste Halbwelle steigt der Magnetfluss jedoch bis 2U_max/ω an. Die im Bild eingezeichnete Funktion ${\displaystyle \Phi (t)}$ ist nach oben verschoben, sodass sie in den rot markierten Sättigungsbereich gelangt. Das Ergebnis bewirkt bei üblichen Transformatoren, dass der Eisenkern an die Sättigungsgrenze gelangt, wo die hohe relative Permeabilitätszahl µ_r des Eisens schnell kleiner wird. Der Kern kann den doppelt so großen magnetischen Fluss Φ nicht führen. Als Folge wird zu wenig Gegenspannung induziert und durch die Primärwicklung fließen gewaltige Stromspitzen. Diese dauern jeweils maximal 10 ms lang und wiederholen sich langsam abklingend während jeder Wechselspannungs-Periode. Das ist gleichbedeutend mit einem abklingenden pulsierenden Gleichstrom in der Zuleitung. Es folgen Ausgleichsvorgänge, die den magnetischen Flussverlauf Φ allmählich in den negativen Bereich verschieben. Deren Geschwindigkeit ist durch den Kupferwiderstand und die Impedanz der Speisung bestimmt.

Mit Restmagnetisierung

Falls der Eisenkern vor dem Einschalten magnetisiert war, kommt eine weitere Verschiebung der Flusskurve nach oben oder unten dazu. In diesem Fall muss die Kurve ${\displaystyle \Phi (t)}$ um den Wert des Restmagnetismus nach oben oder unten verschoben werden. Sie beginnt dann nicht mehr im Nullpunkt. Die Integrationskonstante C ist bei t=0 ungleich null. Als Folge kann das Maximum des Flusses sogar nahezu das dreifache des Wert erreichen, für welchen der Eisenkern ausgelegt wurde. Praktisch gesehen müsste deshalb, besonders beim luftspaltlosen Kern, wie es beim Ringkerntrafo der Fall ist, die Kernquerschnittsfläche dann für den 3 fachen Fluss ausgelegt sein, damit die Kernsättigung und damit der Einschaltstrom in jedem Einschaltfall vermieden wird. Weil dadurch Transformatoren viel zu groß würden, werden Einschaltstrombegrenzer oder Trafoschaltrelais eingesetzt.

Zufälliges Einschalten

Hersteller von Halbleiterrelais vertreiben auch sogenannte momentanschaltende Halbleiterrelais zum Schalten von Induktivitäten. (Random switching). Dabei kann das Einschalten zu einem guten, aber auch zu einem schlechten Zeitpunkt geschehen, weil damit auf die Remanenzlage und Höhe keine Rücksicht genommen wird. Die Wirkung ist die, dass die Absicherung nicht mehr so oft auslöst wie zum Beispiel beim Einschalten im Nulldurchgang. Eine sichere Begrenzung oder Vermeidung von Einschaltströmen hat man damit aber nicht.

Begrenzung des Einschaltstromes

Es gibt mehrere Möglichkeiten, das Auslösen des Überstromschutzes zu vermeiden.

• Im einfachsten Fall verwendet man eine träge auslösende oder überdimensionierte Sicherung mit erhöhter Belastbarkeit und nimmt einen gewissen Sicherheitsverlust in Kauf.
• Man schaltet zunächst einen Hochlastwiderstand von wenigen Ohm in Reihe zur Primärwicklung, der nach etwa 100 ms kurzgeschlossen wird.
• Eine elektronische Schaltung bestimmt die Nulldurchgänge der Primärspannung und schaltet nach einem Viertel der Periodendauer später ein, wenn die Spannung maximal ist. Sie bewirkt das Gegenteil von dem, was ein Nulldurchgangsschalter tut und heißt Scheitelspannungs-Schalter. Dieser eignet sich jedoch nur für Transformatoren, die einen extra Luftspalt im Kern und deshalb nur einen geringen Restmagnetismus haben.
• Bei kleinen Trafos bis etwa 200 W wird zur Einschaltstrombegrenzung oft ein Heißleiter in Reihe zur Primärwicklung geschaltet. Nach jedem Ausschalten muss die Abkühlzeit abgewartet werden. Man kann den Heißleiter mit einem Relais kurzschließen, damit er sich bereits während des Betriebes abkühlen kann. Dann steigt auch dessen Lebensdauer erheblich. Die Wartezeit bleibt dann nur beim kurzzeitigen Aus- und Wiedereinschalten nötig. Es ist nicht sinnvoll, mehrere Heißleiter parallel zu schalten, weil dabei nie beide gleichzeitig heiß werden und daher nur einer den Strom führt und somit überlastet wird.
• Bei dem Einschalten von Leistungstransformatoren, wie sie in Stromversorgungsnetzen auf Hochspannungsebene verwendet werden, wird vor dem Einschalten des Transformators, so möglich, die speisende Generatorspannung möglichst weit abgesenkt. Eine weitere Möglichkeit zur Begrenzung erfolgt ähnlich zur Limitierung des Kurzschlussstromes durch Kompensationsspulen.

Vermeidung des Einschaltstromes

Eine weitere Möglichkeit besteht, mit einem Transformatorschaltrelais oder einem Sanftanlauf-Schaltgerät den Einschaltstrom vollkommen zu vermeiden. Damit kann ein Trafo ohne erhöhte Strom-Belastung und ohne Wartezeiten häufig hintereinander eingeschaltet werden. Wegen des erhöhten Schaltungsaufwandes und damit des Preises wird dies nicht bei allen Geräten angewendet.