Netztransformatoren Amorph statt Blech

Optimierte Kerngeometrie

Gegenüber dem Standard-Trafoblech hat das amorphe Kernmaterial um den Faktor 15 geringere Eisenverluste – Verluste, die direkt in die Energiebilanz des Transformators eingehen. Auffallend beim amorphen Kernmaterial ist jedoch die im Vergleich zum Standard-Trafoblech reduzierte Induktion, die materialbedingt auf etwa 1,2 T (Tesla) beschränkt ist. Dies hat zur Folge, dass bei der Verwendung von amorphem Kernmaterial im Vergleich zum Standard-Trafoblech der Kupfereinsatz höher ist, also mehr Windungen aufgebracht werden müssen. Mehr Windungen bedeuten im Umkehrschluss wieder erhöhte Kupferverluste. Betrachtet man jedoch die Gesamtverluste (Kupfer- plus Eisenverluste), so stellt man fest, dass die Verluste trotz niedrigerer Aussteuerung bei den amorphen Kernen um circa 40% geringer sind – ein enormes Energiesparpotenzial.

Wie bereits erwähnt, laufen große Netztransformatoren nur selten unter Volllast. Genau dieser Umstand bringt weiteres Sparpotenzial mit sich, da beim Betrieb im Teillastbereich auch die Kupferverluste sinken und damit die Gesamtverluste bei gleichbleibenden Eisenverlusten erheblich sinken (Eisenverluste sind stets lastunabhängig). Bild 2 zeigt den Zusammenhang der Verluste in Abhängigkeit von der Belastung eines Drehstromtransformators mit 200 kVA. Bei einer Belastung von 20% der Nennlast liegen die Gesamtverluste beim Standardkern bei circa 1200 W, beim amorphen Kern lediglich bei 450 W. Über einen 24-h-Tag hinweg spart er also 18 kWh, bei einem Strompreis von durchschnittlich 0,28 €/kWh spart er etwa 1840 Euro pro Jahr.

Leider sind die Kosten für diese großen amorphen Kerne derzeit noch relativ hoch, sodass die Preise dieser energieeffizienten Netztransformatoren derzeit noch deutlich über denen der Standard-Netztransformatoren liegen. Rechnet man jedoch das jährliche Sparpotenzial gegen den höheren Kaufpreis, so amortisiert sich der höhere Preis in rund drei bis vier Jahren. Da die Lebenszeit von Netztransformatoren jenseits von 15 Jahren liegt, kann die Ersparnis sogar die gesamten Investitionskosten betragen. Derzeit geht die Entwicklung bei den Kernherstellern weltweit in Richtung kostenreduzierter Herstellungsprozesse bei amorphen Kernen, sodass diese Art der energieeffizienten Transformatoren zukünftig noch sehr hohes Anwendungspotenzial finden kann.

Optimierte Kerngeometrie

Nicht ganz so effektiv wie der Einsatz von amorphen Kernmaterialien jedoch ebenfalls erwähnenswert, ist das Senken der Eisenverluste durch gezieltes Optimieren der Kerngeometrie unter Verwendung von Standard-Trafoblech. Bild 3 zeigt einen Drehstromtransformator mit 200 kVA, bei dem der Kern mithilfe einer Stufengeometrie realisiert wurde. Da bei der rechteckigen Kerngeometrie der Standardtransformatoren die Dichte des Magnetfelds eher gering ist, verzichtet die Stufengeometrie gezielt auf die Ecken. Dadurch wird der Magnetquerschnitt optimal ausgenutzt, und durch die reduzierte Eisenmenge nehmen auch die Eisenverluste ab – weniger Eisen = weniger Eisenverluste. Aufgrund der für das Aufbringen der Wicklung optimalen runden Kerngeometrie – verringerte Wickellänge = weniger Kupfereinsatz – sinken auch die Kupferverluste. Durch diesen optimierten Aufbau verringern sich die Verluste um 15% gegenüber der Standardgeometrie.

Der Vollständigkeit halber sollte man noch die Dreiphasen-Ringkerntransformatoren für das Segment kleinerer Leistungen bis etwa 30 kVA erwähnen. Deren Kernmaterial besteht ähnlich wie bei den amorphen Kernen aus Bandmaterial geringer Materialstärke. Die einzelnen Bandwicklungen werden bei der Herstellung der Kerne miteinander verklebt, wodurch diese Kerne eine geringe Magnetostriktion zeigen. Dadurch steigt der Wirkungsgrad, und infolgedessen sinken die Verluste. Daher gelten sie als energieeffiziente Alternative zu Kleintransformatoren aus Standard-Trafoblech.

Bild 4 zeigt einen Dreiphasen-Ringkerntransformator, Bild 5 den Zusammenhang zwischen Belastung und Gesamtverlusten.

Leider übt der Markt nach wie vor einen enormen Preisdruck auf die Hersteller aus, sodass letztlich die Kaufentscheidung doch eher für die Standardtransformatoren fällt – man nimmt den hohen Anteil an Verlusten und den damit verbundenen hohen Energieverbrauch in Kauf, um möglichst günstige Produkte zu erwerben. Da ist der Weitblick des Anwenders gefragt, er sollte sein Augenmerk mehr auf die kompletten Lebenszykluskosten legen. Doch auch weitere Entwicklungen im Hinblick auf optimierte Fertigungsprozesse und dadurch Kostenreduktion sollten in Zukunft die Preise für energieeffiziente Transformatoren senken und diese Produkte für den Markt attraktiver machen.

Über den Autor:

Daniel Mandl ist in der Kundenberatung bei Tauscher Transformatoren tätig.

Vorteile energieeffizineter Tranformatoren 

• hoher Wirkungsgrad
• energieeffizient durch geringe Leerlauf- und Teillastverluste
• geringe Erwärmung (Kapselung in IP54-Gehäusen möglich)
• hohe Wirtschaftlichkeit (reduzierte Verluste sparen Energiekosten)
• umweltfreundlich (reduzierte Verluste sparen Energiekosten und reduzieren CO2-Ausstoß)
• niedriger Geräuschpegel kundenspezifischer Aufbau möglich
• Amortisation des Mehrkostenaufwands durch Energieeinsparung innerhalb kurzer Zeit
• möglich Erfüllung aller relevanten Normen