Transformatoren: effizient, günstig oder klein? Dr.-Ing. Dennis Kampen, Entwicklung Grundlagen bei BLOCK Transformatoren- Elektronik GmbH Einleitung Transformatoren gibt es seit mehr als 100 Jahren. Das physikalische Grundprinzip hat sich seitdem nicht geändert. Durch Wicklung mindestens zweier Leiter um einen weichmagnetischen Eisenkern wird eine Wechselspannungsumwandlung erreicht. Geändert haben sich jedoch die sekundären Anforderungen an Transformatoren. 1. Durch die Agenda 2020 und durch Einspeisevergütung bei regenerativen Energien wird die Anforderung an den Wirkungsgrad für Transformatorhersteller immer höher. 2. Besonders im Maschinenbau können eventuelle Qualitätsmerkmale wie Wirkungsgrad eines Transformators oftmals preislich nicht an den Endkunden weitergegeben werden. Hier zählt ein möglichst günstiger Kaufpreis. 3. Viele Kunden möchten bereits bestehende Kühlsysteme wie forcierte Luft oder Wasserkühlung effektiv zur Kühlung der Transformatoren nutzen, um Bauvolumen zu sparen. Die Gewichtung dieser drei Merkmale Wirkungsgrad, Kosten und Bauvolumen ist abhängig von der Anwendung des Kunden. Für Transformatorenhersteller gilt es deshalb, für jeden Kunden den optimalen Transformator anzubieten. Dies erfordert die Berücksichtigung aller auf dem Markt verfügbaren Materialien und Kühlsysteme. Es werden im Folgenden verschiedene 10kVA Drehstromtransformatoren gezeigt, bei denen einer der genannten Schwerpunkte stark herausgearbeitet ist. Bis zu 40% weniger Verluste bei gleicher Baugröße mit TT3-CORE- Technologie! Der Wirkungsgrad eines Transformators ist gerade in regenerativen Energien entscheidend für die Einnahmen durch die Einspeisevergütung. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades von 0,98 auf 0,99 führt immerhin bei 100kVA Durchgangsleistung zu 1kW mehr Einspeiseleistung. Hier zählt auch die zweite Stelle hinter dem Komma. Aber auch für Industrieunternehmen lohnt sich oftmals ein energieeffizienter Transformator trotz höherem Anschaffungspreis, der sich dann durch die Energieeinsparung nach wenigen Jahren amortisiert hat. Technisch werden durch die Reduzierung des Leiterwiderstandes (Erhöhung Querschnitt, Reduzierung Länge) und Minimierung des magnetischen Widerstandes im Kern (Vergrößerung der Eisenquerschnittsfläche, Kürzung der Eisenweglänge) höhere Wirkungsgrade beim Transformator erreicht. Dies wird insgesamt mit mehr Materialeinsatz und größerem Bauvolumen ermöglicht.
Zusätzlich können bessere Leiter- und Kernmaterialien und eine optimierte Kernbauform eingesetzt werden. Beim Leiter ist Kupfer gegenüber Aluminium zu bevorzugen. Beim Kernmaterial kommen kornorientierte Hochleistungselektrobleche mit niedrigsten Verlusten zum Einsatz. Bei der Kernform kann auf gewickelte Kerne mit kleinsten Luftspalten zurückgegriffen werden. Nachträgliches Glühen des Kerns entfernen ins Material eingebrachte mechanische Spannungen. In dieser Studie werden eine oder mehrere dieser aufgeführten Maßnahmen an den Transformatoren CORE-0 bis CORE-3 gezeigt. CORE-0: Standardtransformator, jedoch mit kornorientiertem Blech CORE-1: UNICORE-Kern gleicher Größe wie Standardtransformator mit kornorientiertem Blech CORE-2: UNICORE-Kern gleicher Größe wie Standardtransformator mit Hochleistungselektroblech CORE-3: Deutlich größerer UNICORE-Kern mit Hochleitstungselektroblech In dieser Studie wurde der europäische Wirkungsgrad gemessen, welcher die Transformatoren auch bei verschiedenen Lastzuständen bewertet: η Euro = 0,03 η + 0,06 η + 0,13 η + 0,1 η + 0, 48 η + 0, 2 η 5% Pn 10% Pn 20% Pn 30% Pn 50% Pn 100% Pn 25% Kostenersparnis mit Aluminium! Für viele Kunden ist ein geringer Anschaffungspreis einer der wichtigsten Faktoren beim Transformator. Dieser kann durch Einsatz von günstigem Leiterund Kernmaterial erreicht werden. Dabei ist Aluminium gegenüber Kupfer zu bevorzugen. Beim Kernmaterial kommen nicht-kornorientierte Bleche mit höheren Verlusten zum Einsatz. Die maximal erlaubte Übertemperatur des Isolationssystems ist beim Trafodesign die maßgebliche Randbedingung, nicht der Wirkungsgrad. Der in dieser Studie gezeigt Transformator heißt ALU. 50% geringe Baugröße durch aktive Kühlung! Das Bauvolumen von Transformatoren kann durch Einsatz höherwertigerer Materialien wie beim Wirkungsgradoptimierten etwas reduziert werden. Eine erhebliche Baugrößenreduzierung ist jedoch erst möglich, wenn eine starke forcierte Luftkühlung oder eine effektive Wasserkühlung verwendet wird. In dieser Studie wird ein luftgekühlter Transformator AIR und zwei wassergekühlte Transformatoren WATER-0 und WATER-1 gezeigt. Bei WATER-0 wurde eine mittelstarke und bei WATER-1 eine starke Wasserkühlung eingesetzt. STANDARD: die ausgewogene Mischung Für die meisten Kunden ist ein Transformator optimal, der die genannten Merkmale in einem ausgewogenen Verhältnis bei moderaten Kosten aufweist. Solch ein Preis-Leistungssieger ist der STANDARD.
Die Messung zeigt es Europäischer Wirkungsgrad,979592,977139,970081,982085,984555 η,946437,954948,934400,934345 Zusatzverluste für aktive Kühlung sind nicht inbegriffen. Bsp.~100W bei Lüfterkühlung. Verluste 652,688 656,550 535,632 450,522 P /W V 299,192 228,609 204,082 179,153 154,449 Zusatzverluste für aktive Kühlung sind nicht inbegriffen. Bsp.~100W bei Lüfterkühlung. Gewicht 137,50 70,0 85,50 85,0 87,50 89,50 m /kg 39,50 40,50 50,0 Gewicht für aktive Kühleinrichtung (Lüfterhaube, Wasserkühler) ist nicht inbegriffen. Lüfterhaube z.b. 5kg
Anschaffungskosten 192,660 % 69,688 97,537 88,792 75,701 100,0 112,358 134,258 138,696 Kosten für aktive Kühleinrichtung (Lüfterhaube, Wasserkühler) sind nicht inbegriffen. Amortisationszeit bezogen auf STANDARD 4,7742 2,6862 2,4041 Jahre 1,3057 - - - - 0 Gewinn durch Energieeinsparung nach 20 Jahren Betrieb Annahme: 60% Einschaltdauer, 15Cent/kWh,0 1642,437 1713,685 1026,028 1280,485-2353,492-3677,115-5497,580-5557,640 Energiekosten für aktive Kühlung sind nicht inbegriffen.
Entscheidend ist die optimale Auslegung auf die Kundenwünsche Die Studie zeigt Transformatorauslegungen mit unterschiedlichen Schwerpunkten ausgehend vom BLOCK Standard Trenntransformator TT3 4-4-10 (10kVA, Ue=3x400V). Die Schwerpunkte sind: 1. Effizienz. Dank der Kernform, verlustarmer Blechqualität, Nachglühen und Kupfer konnten bei gleicher Baugröße die Verluste um bis zu 40% und mit einer größeren Bauform um 50% gegenüber dem STANDARD reduziert werden. Dies führt zu höchsten Wirkungsgraden. 2. Kosten. Durch Aluminiumwickel sinken die Kosten um 25% gegenüber dem STANDARD. 3. Baugröße: Bei aktiver Kühlung (forcierte Luft- oder Wasserkühlung) reduzieren sich Gewicht und Bauvolumen um 50% gegenüber dem STANDARD. Wird bei einer Transformatorauslegung der Schwerpunkt auf eine der drei Punkte gelegt, so zeigt diese Studie die Auswirkungen auf die anderen Bereiche. Der STANDARD Trenntransformator TT3 stellt einen ausgewogenen Kompromiss zwischen allen Schwerpunkten dar und ist in den meisten Anwendungen zu empfehlen.