September 29, 2026
Kaufen Sie einen leistungsstarken Niederspannungstransformator?
Achten Sie auf Konstruktionsdetails, mit denen Sie über die gesamte Lebensdauer bis zu 360.000 PLN einsparen können.*
*Betrag berechnet für einen 1600-kVA-Transformator.
Was sind Hochleistungs-Niederspannungstransformatoren und wo werden sie eingesetzt?
Es gibt keinen eindeutig definierten Schwellenwert dafür, was als "hohe Leistung" gilt. In der Praxis können Transformatoren mit einer Nennleistung von über 400 kVA im Allgemeinen als Hochleistungseinheiten eingestuft werden.
Ein Niederspannungstransformator ist ein Transformator, bei dem keine der Spannungen 1140 V überschreitet. Die Spannungskonfigurationen sind häufig nicht standardisiert und auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten:
- 800V/400V - Transformatoren für Anlagen der erneuerbaren Energien, zur Kopplung von Batterie-Energiespeichersystemen (BESS), industriellen Stromnetzen und Photovoltaikparks.
- 690/440V, 580/400V, 400/380V und andere - eingesetzt in elektrischen Schiffsanlagen und Energiespeichersystemen, um die erforderliche Spannung am DC-Zwischenkreis eines Frequenzumrichters bereitzustellen, der an das Niederspannungsnetz angeschlossen ist.
- 690/400V - industrielle Stromnetze, Anlagen der erneuerbaren Energien und Stromaggregate.
- 690V/2x690V - zur Versorgung von 12-Puls-Gleichrichtern.
Gibt es eine obere Leistungsgrenze?
Ja. Die Grenze wird durch die Möglichkeiten der Wickelmaschinen bestimmt. Bei Elhand beträgt die maximale Nennleistung 5000 kVA.
Woran erkennt man, ob der angebotene Transformator von hoher Qualität ist?
Wichtige Parameter und Konstruktionsmerkmale zum Vergleich:
- Leerlaufverluste des Kerns
- Lastverluste der Wicklungen
- Kernkonstruktion
- Wicklungskonstruktion
Warum sind Leerlaufverluste wichtig?
Leerlaufverluste entstehen immer dann, wenn der Transformator unter Spannung steht, unabhängig von der Belastung. Dabei wird Energie in Wärme umgewandelt - Energie, die Sie nicht nutzen können, für die Sie aber jeden Tag bezahlen.
Diese Verluste hängen unter anderem vom Material der Kernbleche ab. Leider verwenden viele Hersteller die günstigsten verfügbaren Materialien, um den Kaufpreis des Transformators zu minimieren. Ein uninformierter Kunde kann einen billigen Transformator kaufen und diese Entscheidung bereits ab dem ersten Betriebsjahr durch höhere Stromkosten teuer bezahlen.
Elhand-Tipp: Fragen Sie Ihren potenziellen Lieferanten, welche Elektroblechgüte zur Herstellung des Kerns verwendet wird. Wählen Sie einen Lieferanten, der einen sinnvollen Kompromiss zwischen Leerlaufverlusten und Kaufpreis des Transformators bietet.
Wie lässt sich die Elektroblechgüte erkennen?
Elektroblech kann kornorientiert (GO) oder nicht kornorientiert (NGO) sein. Kornorientiertes Elektroblech bietet deutlich bessere magnetische Eigenschaften als nicht kornorientiertes Elektroblech.
Ein weiterer wichtiger Parameter ist der spezifische Kernverlust des Elektroblechs.
Zum Beispiel hat Elektroblech M140 einen spezifischen Verlust von 1,4 W/kg, während M530 einen spezifischen Verlust von 5,3 W/kg aufweist - etwa 380% mehr.
Elhand-Tipp: Wir verwenden kornorientiertes Elektroblech M140. Vergleichen Sie dies mit den Materialien, die Ihre Lieferanten anbieten.
Wovon hängen die Lastverluste ab?
Die Formel für die Lastverluste lautet: Pcu = I² × R
Die Lastverluste hängen vom Quadrat des durch die Wicklung fließenden Stroms und vom Wicklungswiderstand ab. Die Verluste können daher durch Verringerung des Wicklungswiderstands reduziert werden.
Eine Verringerung des Wicklungswiderstands erfordert jedoch eine Vergrößerung des Leiterquerschnitts, was wiederum den Preis des Transformators erhöht. Hersteller können daher den Wicklungswiderstand erhöhen, anstatt ihn zu senken. Dadurch kauft der Kunde einen etwas günstigeren Transformator, zahlt aber bald mehr für Strom.
Geben alle Hersteller die Verluste auf die gleiche Weise an?
Gemäß EN 60076 müssen Hersteller die Lastverluste bei der für die jeweilige Isolierstoffklasse geltenden Bezugstemperatur angeben. Dies liegt daran, dass der Wicklungswiderstand - und damit auch die Verluste - mit der Betriebstemperatur zunimmt.
- Klasse F – Bezugstemperatur: 120°C
- Klasse H – Bezugstemperatur: 145°C
Leider halten sich nicht alle Hersteller an diese Anforderung, und einige geben die Verluste bei einer Temperatur an, die unter der zur Isolierstoffklasse gehörenden Bezugstemperatur liegt.
Ein Transformator mit Verlusten von 10 kW bei einer Bezugstemperatur von 145°C hat bei 20°C nur Verluste von 6,6 kW. In einem Angebot sieht das besser aus. Im Betrieb handelt es sich um dieselbe Maschine.
Elhand-Tipp: Prüfen Sie, ob im Angebot die Bezugstemperatur für die angegebenen Verluste genannt wird. Ist dies nicht der Fall, bitten Sie den Hersteller um Bestätigung.
Der Unterschied zwischen Aluminium- und Kupferwicklungen
Kupfer ist ein deutlich besserer elektrischer Leiter als Aluminium. Die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer ist etwa 60-65% höher als die von Aluminium. Daher benötigt eine Aluminiumwicklung einen größeren Leiterquerschnitt, um denselben Strom wie eine Kupferwicklung zu führen.
Die Erweichungstemperatur von Kupfer beträgt etwa 350°C, verglichen mit 200°C bei Aluminium. Dies ist ein wichtiger Parameter im Konstruktionsprozess.
Kupfer hat jedoch einen wesentlichen Nachteil - es ist teuer. Aus diesem Grund werden bei Niederspannungstransformatoren kleiner Leistung häufig Aluminiumstreifen und -drähte verwendet.
Ein ordnungsgemäß ausgelegter Transformator mit Aluminiumwicklung sollte Folgendes aufweisen:
- Eine Betriebstemperatur der Wicklung unterhalb der Temperaturgrenze der Isolierstoffklasse.
- Eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Wicklung ohne Hotspots.
- Eine ausreichende dynamische Festigkeit gegenüber Kurzschlusskräften.
- Eine Wicklungstemperatur während eines 2-sekündigen Kurzschlusses unterhalb des zulässigen Grenzwerts: 350°C für Kupfer und 200°C für Aluminium.
Gemäß EN 60076-5 ist der Hersteller verpflichtet, die Kurzschlussfestigkeit für eine Dauer von 2 Sekunden sicherzustellen. Während dieses Zeitraums dürfen sich die Wicklungen nicht über die zulässige Temperatur hinaus erwärmen. Für Aluminiumwicklungen liegt dieser Grenzwert bei 200°C.
Leider behandeln nicht alle Hersteller diesen Parameter als wichtig, weshalb nicht ordnungsgemäß ausgelegte Transformatoren mit Aluminiumwicklungen häufiger ausfallen können.
Elhand-Tipp: Von Elhand hergestellte Transformatoren mit Aluminiumwicklungen erfüllen die Anforderungen der Normenreihe EN 60076 und gewährleisten eine Lebensdauer, die mit der von Transformatoren mit Kupferwicklungen vergleichbar ist.
Wie ist der Kern eines Hochleistungs-Niederspannungstransformators aufgebaut?
Die einfachste und günstigste Lösung - und zugleich die hinsichtlich der magnetischen Eigenschaften ungünstigste - ist ein Kern aus bei 90° geschnittenen Blechen, die stumpf aneinandergefügt werden. Dies wird als Butt-Joint-Technologie bezeichnet.
Eine etwas bessere, wenn auch immer noch relativ ungünstige Lösung ist ein Kern aus bei 90° geschnittenen Blechen, die mit überlappenden Stößen zusammengesetzt werden.
Die beste Lösung - zugleich jedoch auch die schwierigste und zeitaufwendigste in der Herstellung - ist die Step-Lap-Technologie, bei der sich mehrere Bleche, typischerweise 5-7, in einem Winkel von 45° überlappen.
Eine weitere Entwicklung dieser Technologie besteht darin, mehrere Stufen einzuführen, sodass der Querschnitt des Kernschenkels einer Kreisform stärker angenähert wird.
Der Unterschied zwischen einem Step-Lap-Kern und einem rechteckigen Kern
Stellen Sie sich einen Transformatorenkern als Autobahn für den magnetischen Fluss vor. Wenn Sie mit einem schnell fahrenden Lkw eine scharfe 90°-Kurve nehmen müssten, würden Sie wahrscheinlich von der Straße abkommen. Der magnetische Fluss steht vor einem ähnlichen Problem, wenn er von einem Blech zum nächsten übergehen und dabei einen Luftspalt überwinden muss.
Unter normalen Bedingungen fließt der magnetische Fluss durch das gesamte Volumen des Kerns. Erreicht er eine Stoßstelle, konzentrieren sich die Magnetfeldlinien, wodurch die magnetische Flussdichte lokal ansteigt. Darüber hinaus tritt ein Teil des magnetischen Flusses aus dem Kern aus, was die Leerlaufverluste erhöht.
Verlauf des magnetischen Flusses in einem Kern aus bei 90° geschnittenen Blechen
Bei Kernen aus bei 45° geschnittenen Blechen tritt dieses Problem nicht auf. Die Richtungsänderung der Magnetfeldlinien ist geringer, wodurch die Kurve, die der magnetische Fluss überwinden muss, deutlich sanfter verläuft. Der Lkw bleibt auf der Straße und durchfährt die Kurve auch bei hoher Geschwindigkeit sicher.
Verlauf des magnetischen Flusses in einem Kern aus bei 45° geschnittenen Blechen
Bei rechteckigen Kernen ist die magnetische Flussdichte ungleichmäßig verteilt, was zu lokaler Überhitzung des Kerns führt. Eine Erhöhung der magnetischen Flussdichte um 10% verursacht einen Anstieg der Leerlaufverluste um 20%. Dies kann außerdem zu Spannungsoberschwingungen höherer Ordnung führen. Ein heißerer Kern bedeutet auch eine höhere Wicklungstemperatur und höhere Verluste. Transformatoren mit 90°-Kernstößen erzeugen zudem mehr Geräusche als Transformatoren mit 45°-Kernstößen.
Vergleich: 1600-kVA-Trockentransformator
| Parameter | Rechteckiger Kern (90°) | Elhand-Stufenkern (45°) |
|---|---|---|
| Leerlaufverluste P0 | 2,8 kW | 2,1 kW |
| Lastverluste Pcu | 19,0 kW | 16,8 kW |
| Leerlaufstrom Io | ~7,6% | ~0,3% |
| Hot-Spot-Temperatur | ~155°C | 135–140°C |
| Geräuschpegel | ~72 dB | ~65 dB |
| Erwartete Lebensdauer | 20–25 Jahre | 35–40 Jahre |
Hinweis zum Geräuschpegel: Die Dezibelskala ist logarithmisch. Ein Unterschied von 7 dB bedeutet, dass der Elhand-Transformator mehr als viermal weniger Schallenergie abstrahlt als ein Gerät mit rechteckigem Kern.
Hinweis zur Lebensdauer der Isolierung: Nach der Arrhenius-Beziehung kann eine Verringerung der Betriebstemperatur der Isolierung um 10°C ihre Lebensdauer potenziell verdoppeln. Der Unterschied zwischen 155°C und 135°C kann 15-20 zusätzliche Jahre störungsfreien Betriebs bedeuten.
Wirtschaftlichkeitsberechnung
Der Unterschied bei den Gesamtverlusten zwischen einer konventionellen Konstruktion mit rechteckigem Kern und der Elhand-Konstruktion mit Stufenkern beträgt etwa 3 kW.
Bei einer Belastung von 80% und 6.000 Betriebsstunden pro Jahr entspricht dies: 18.000 kWh pro Jahr
Industrielle Anwendungen
Bei einem Strompreis von 0,80 PLN/kWh ergeben sich Einsparungen von etwa 14.400 PLN pro Jahr. Über 25 Betriebsjahre kann ein einzelner Transformator somit einsparen: 360.000 PLN
Marine Anwendungen - theoretische Schätzung
An Bord eines Schiffes wird elektrische Energie durch Stromaggregate erzeugt.
Bei einem spezifischen Kraftstoffverbrauch von etwa 200 g/kWh entsprechen dieselben zusätzlichen 18.000 kWh pro Jahr etwa 3,6 Tonnen zusätzlich verbrauchtem Kraftstoff pro Jahr.
Über 25 Betriebsjahre kann ein einzelner Transformator daher unnötigerweise mehr als 90 Tonnen Kraftstoff verbrauchen - etwa 106.000 Liter MGO (Marine Gas Oil).
Zusammenfassung
Die konstruktiven Unterschiede zwischen einem Transformator mit rechteckigem Kern und einem Transformator mit Stufenkern sind in einem Standardangebot oder Datenblatt nur selten erkennbar.
Ihre tatsächlichen Auswirkungen zeigen sich erst nach mehreren Betriebsjahren in Form höherer Stromkosten, beschleunigter Alterung der Isolierung und Ausfällen.
Bei der Auswahl eines Transformators sollte die Frage daher nicht lauten: "Welcher Transformator ist in der Anschaffung günstiger?" Stattdessen sollte man fragen: "Welcher Transformator verursacht in den nächsten 25-30 Jahren geringere Verluste und arbeitet bei einer niedrigeren Temperatur?"
Autor: Elhand Engineering Team
