Energieeffiziente Trafos mit amorphem Kernmaterial


Verlustreduzierte Konstruktion als erster Schritt in Richtung Energiewende


Das immer weiter steigende Bevölkerungswachstum und der damit verbundene Energiekonsum erfordert energieeffiziente Produkte um den hohen Energiekonsum decken zu können. Gemäß einer Studie gibt es in der EU ca. 4,6 Millionen Netztransformatoren. Diese verursachen ca. 39 TWh Verluste pro Jahr - dies entspricht in etwa dem Energieverbrauch eines kleineren Landes - und zusätzlich einen CO2-Ausstoß von ca. 37 Millionen Tonnen pro Jahr. Durch energieeffiziente Leistungs-/Netztransformatoren können diese Verluste erheblich reduziert und der Wirkungsgrad gesteigert werden. Die Verluste eines Transformators zu verringern ist ein wichtiger Punkt neuer Entwicklungen. In früheren Zeiten war der Einkaufspreis ausschlaggebend, heute jedoch haben die kompletten Lebenszykluskosten den wichtigsten Einfluss. Durch den Einsatz von energiesparenden Leistungstransformatoren können die Verluste erheblich reduziert und die Effizienz folglich gesteigert werden.

CO2 Ausstoßbevölkerungszuwachs


Verlustleistung im Transformator


Die im Transformator entstehende Verlustleistung kann in zwei Sparten gegliedert werden:

Leerlaufverluste (verursacht durch wechselnde Magnetisierung und Wirbelströme im Kern) = Eisenverluste
Lastverluste (verursacht durch ohmsche Verluste in den Leitern, welche quadratisch mit den Lasten zunehmen) = Kupferverluste

Durch die Verwendung von amorphem Kernmaterial können die Eisenverluste erheblich reduziert werden. Da dieses Material jedoch mit geringerer Induktion betrieben werden muss, ist mehr Kupfereinsatz notwendig, welches die Kupferverluste vergrößert - in Summe sind jedoch die Gesamtverluste kleiner als bei herkömmlichem Standardtrafoblech.
Interessant ist der Einsatz des amorphen Kernmaterials bei leistungsstarken Netztransformatoren, da hier der Anteil der Eisenverluste im Vergleich zum Standardtrafoblech stark reduziert werden kann.

Diese Transformatoren werden nur selten unter Vollast betrieben (deshalb auch geringe Kupferverluste). Die Gesamtverluste liegen hier deshalb deutlich niedriger als bei Transformatoren mit Standardblech (siehe Grafik).


verlustleistungverlustreduziert


Amorph ist ein Festkörper, der molekular nicht wie ein Kristallgitter aufgebaut ist. Hier haben die Atome keine geordnete Struktur, sondern unregelmäßige Muster. Es existiert keine Fernordnung.

Kristallin ist ein Festkörper, der aus Kristallen aufgebaut ist. Hier existiert eine erkennbare, sich wiederholende Ordnung.


Beispiel Dreiphasen Netztrafo 200 kVA


Betrieb bei 20% der Last:
- Gesamtverluste bei Standardtrafoblech: ca. 1200 W
- Gesamtverluste bei amorphem Kernmaterial: ca. 450 W

Einsparung ca. 750 W, d.h. bei 24 h Dauerbetrieb eine Einsparung von 18 kWh
Bei einem Strompreis von 0,20€/kWh eine Ersparnis von etwa 1314 € pro Jahr

Fazit: Das im Vergleich zum Standardblech etwas teurere amorphe Kernmaterial kann je nach Trafogröße innerhalb 2-4 Jahren amortisiert werden und nach dieser Laufzeit nicht nur Energie, sondern auch Geld sparen. Über die Lebensdauer des Trafos kann die Ersparnis ein vielfaches der Investitionskosten betragen. Durch die energieeffiziente und dadurch verlustarme Auslegung können diese Transformatoren auch in luftdichte Gehäuse gekapselt werden, da sie sich wesentlich weniger erwärmen.

Anmerkung: In bestimmten Fällen kann eine gezielte Überdimensionierung der Trafos dazu beitragen weitere wertvolle Energie zu sparen. Diese Trafos werden dann nur im Teillastbereich betrieben und können dadurch die Vorteile der geringen Verluste nutzen. Ein höherer Anschaffungspreis kann nach kurzer Laufzeit auf Grund geringerer Verluste amortisiert werden.


Energieeffiziente Dreiphasentrafos bis 30 kVA


Die amorphen Kerne zeigen ihre Vorteile in Bezug auf reduzierte Verluste nur bei großen Leistungstransformatoren. Bei kleineren Leistungen ist auf Grund des erhöhten Kupferanteils und der damit verbundenen erhöhten Kupferverluste nur eine geringe Energieeffizienz zu erzielen.
Energieeffiziente 3-Phasensysteme im Leistungsbereich bis 30 kVA bieten Ringkerntransformatoren. Durch die Anordnung des Bandmaterials (wenig Luftspalte, geringe Magnetostriktion) ist diese Bauform sehr verlustarm und bietet somit eine Alternative für 3-Phasensysteme aus Standardtrafoblech.
Lediglich Zusatzbeschaltungen zur Begrenzung der hohen Einschaltströme sind bei Ringkerntransformatoren dieser Baugröße vorzusehen.
Folgende Tabelle zeigt einen Direktvergleich von 30 kVA Dreiphasentransformatoren in der Variante als Standardblechtransformator im Vergleich zum 3-Phasen-Ringkerntransformator.


lastabhängigeverlustleistungverlustreduziert2


Blindleistungsreduzierung durch Einsatz energieeffizienter Transformatoren


Folgende Tabelle zeigt 3-Phasentransformatoren verschiedener Leistungsklassen und deren Blindverluste.


 

Trafobaugröße

Leistung [kVA]

Blindleistung [Var]

Standard/Amorph

Amorpher Kern

S3U 500/500/150

63

1405

2,6

Standardblechkern

EI 500/500/150

63

3690

 

 

 

 

 

Amorpher Kern

S3U 500/500/175

80

2890

2,2

Standardblechkern

EI 500/500/175

80

6226

 

 

 

 

 

Amorpher Kern

S3U 500/500/200

95

2950

2,4

Standardblechkern

EI 500/500/200

100

7025

 

 

 

 

 

Amorpher Kern

S3U 600/600/150

125

2450

3,0

Standardblechkern

EI 600/600/150

125

7379

 

 

 

 

 

Amorpher Kern

S3U 600/600/200

160

3420

2,9

Standardblechkern

EI 600/600/200

160

9891

 

 

 

 

 

Amorpher Kern

S3U 700/700/200

200

3404

2,5

Standardblechkern

EI 700/700/200

200

8510

 

 

 

 

 

Amorpher Kern

S3U 800/800/160

300

3540

2,2

Standardblechkern

EI 800/720/160

300

7870


Fazit: Durch amorphes Kernmaterial kann der Anteil der Blindverluste um durchschnittlich den Faktor 2,5 gesenkt werden.


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