Durch die Agenda 2020 und durch Einspeisevergütung bei regenerativen Energien wird die Anforderung an den Wirkungsgrad für Transformatorenhersteller immer höher. Besonders im Maschinenbau können eventuelle Qualitätsmerkmale wie Wirkungsgrad eines Transformators oftmals preislich nicht an den Endkunden weitergegeben werden. 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 Hersteller gilt es deshalb, für jeden Kunden den optimalen Transformator anzubieten. Dies erfordert die Berücksichtigung aller auf dem Markt verfügbaren Materialien und Kühlsysteme. Block hat hierzu eine Studie veröffentlicht.
Weniger Verluste bei gleicher Baugröße
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 100 kVA Durchgangsleistung zu 1 kW 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 dann durch die Energieeinsparung nach wenigen Jahren amortisiert ist. Technisch werden durch die Reduzierung des Leiterwiderstandes und Minimierung des magnetischen Widerstandes im Kern höhere Wirkungsgrade beim Transformator erreicht . Dies wird insgesamt mit mehr Materialeinsatz und größerem Bauvolumen erreicht.
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. Durch nachträgliches Glühen werden ins Material eingebrachte mechanische Spannungen wieder entfernt.
Kostenersparnis mit Aluminium
Für viele Kunden ist der Anschaffungspreis einer der wichtigsten Faktoren beim Transformator. Dies kann durch Einsatz von günstigem Leiter- und Kernmaterial erreicht werden. Hier 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.
Das Bauvolumen von Transformatoren kann durch Einsatz höherwertigerer Materialien wie beim Wirkungsgradoptimierten etwas reduziert werden. Eine Baugrößenreduzierung ist jedoch erst möglich, wenn eine starke forcierte Luftkühlung oder eine Wasserkühlung verwendet wird.
Die Studie
Die Studie zeigt Transformatorauslegungen mit unterschiedlichen Schwerpunkten ausgehend vom Block Standard Trenntransformator TT3 4-4-10 (10kVA, Ue=3x400V). Die Schwerpunkte sind:
1. Effizienz. Durch Kernform, verlustarme Blechqualität, Nachglühen und Kupfer konnten bei gleicher Baugröße die Verluste um bis zu 40 Prozent und mit einer größeren Bauform um 50 Prozent gegenüber dem Standard reduziert werden. Dies führt zu höchsten Wirkungsgraden.
2. Kosten. Durch Aluminiumwickel sinken die Kosten um 25 Prozent gegenüber dem Standard.
3. Baugröße: Durch aktive Kühlung (forcierte Luft- oder Wasserkühlung) reduzieren sich Gewicht und Bauvolumen um 50 Prozent 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.
