Transformatoren kühl halten

Andreas Schneider stellt robuste Lüfter für ölgekühlte Hochleistungstransformatoren vor

Hochleistungstransformatoren sind Grundbestandteile elektrischer Energieversorgungssysteme. Sie schalten Wechselspannung zwischen verschiedenen Spannungsebenen um und sind daher unverzichtbar für die Stromerzeugung, -übertragung oder -verteilung in Kraftwerken, Industriebetrieben und Umspannwerken. Hochleistungstransformatoren werden im Freien aufgestellt.

Dort müssen sie Wind und Wetter trotzen – und der Feuchtigkeit in Regenwäldern, Salzgischt an der Küste, glühender Hitze in Wüstenregionen oder eisiger Kälte an den Polen.

Ebenso robust müssen die in den Kühlsystemen eingesetzten Lüfter sein. Gefragt ist robuste Technik, die zuverlässig arbeitet und keine Wartung erfordert.

Jeder Ausfall eines Transformators hat fatale Folgen, da die Stromversorgung nicht mehr gewährleistet werden kann.

Transformatoren erzeugen im Betrieb Abwärme und Öl ist das Kühlmittel der Wahl. Es überträgt die Wärme durch Konvektion (oder unterstützt durch Pumpensysteme) an das Transformatorgehäuse, das außen Kühlrippen oder Kühler ähnlich einem Wärmetauscher aufweist. Große Hochleistungstransformatoren benötigen eine zusätzliche Kühlung: Lüfter, die trotz möglichst kompakter Kühlflächen Schäden durch Überhitzung verhindern.

Um den rauen Einsatzbedingungen im Freien standzuhalten, müssen die Ventilatoren besondere Anforderungen erfüllen.

Es reicht nicht aus, dass Ventilatoren die erforderliche Luftleistung unterstützen. Ebenso wichtig sind Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit auch bei hoher Luftfeuchtigkeit, wartungsfreier Betrieb ohne Schmierung und zuverlässige Funktion über eine möglichst lange Lebensdauer. Und auch bei schwankenden Lasten ist es von Vorteil, wenn sich die Kühlleistung an den tatsächlichen Bedarf anpassen kann.

Im Teillastbetrieb des Transformators ist es nicht immer sinnvoll, einzelne Lüfter abzuschalten, da es in diesem Zustand zu ungekühlten „Hot Spots“ am Wärmetauscher kommen kann. Wenn die Ventilatoren möglichst effizient arbeiten, können Anwender im Laufe der Jahre erhebliche Mengen an Geld und Strom einsparen, die sie in das Stromnetz einspeisen können. Daraus ergibt sich ein positiver wirtschaftlicher Nutzen für Energiebetreiber. Befinden sich die Transformatoren in der Nähe oder sogar in Wohngebieten, spielt der von ihnen erzeugte Lärm ebenfalls eine nicht zu unterschätzende Rolle.

Der Motoren- und Lüfterspezialist ebm-papst hat sich dieser Problematik mit der Entwicklung spezieller Transformatorlüfter angenommen. Sie erfüllen alle Anforderungen an eine anspruchsvolle Großtransformatorkühlung gemäß DIN EN 50216-12 und sind in den Größen von 500 mm bis 1.250 mm mit einer Luftleistung von bis zu 13 m³/s erhältlich. Darüber hinaus erfüllen sie die Anforderungen hinsichtlich Langlebigkeit und Salzsprühnebelbeständigkeit (Korrosionsschutzklasse C5M nach DIN EN ISO 12944), sodass die Ventilatoren für den Einsatz in Küstengebieten mit hohem Salzgehalt geeignet sind.

Das Lüftergehäuse erhöht die Lüftereffizienz

Alle Komponenten der Plug&Play-fähigen Module – Ventilatorgehäuse, HyBlade-Laufrad, GreenTech EC-Motor mit integrierter Elektronik bzw. AC-Asynchronmotor und saugseitiges Schutzgitter – sind perfekt aufeinander abgestimmt.

Beispielsweise werden durch aerodynamische Optimierung sowohl Luftturbulenzen als auch Betriebsgeräusche reduziert. Die beiden Motortypen erfüllen die Anforderungen der aktuellen Ökodesign-Richtlinie.

Das Laufrad hat eine aerodynamisch ideale Form, die auf der Kombination eines Aluminiumrahmens mit einer Abdeckung aus glasfaserverstärktem Kunststoff basiert. Dadurch wird der erzeugte Lärm drastisch reduziert, was eine höhere Effizienz im Vergleich zu herkömmlichen Rotorblättern ermöglicht.

Auf der Ansaugseite ist der Motorträger montiert, der auch eine Berührungsschutzfunktion hat. Auf der Auslassseite ist als Zubehör auch ein Schutzgitter erhältlich. Sowohl das Schutzgitter als auch das Ventilatorgehäuse bestehen aus feuerverzinktem Stahlblech mit zusätzlicher Beschichtung.

Die Auslassseite verfügt außerdem über einen integrierten umlaufenden Flansch zur direkten Befestigung am Kühler.

Insbesondere wenn die Ventilatoren mit freier Luft arbeiten (wie bei ölgekühlten Transformatoren üblich), ist der positive Effekt dieser Art von Ventilatorgehäuse hervorragend. Dadurch werden Luftturbulenzen auf ein Minimum reduziert, wodurch die Luftströmungsrate und damit die Lüftereffizienz erhöht werden.

Drehzahlregelung für bedarfsgerechte Kühlung

Unternehmen, die auf die bewährte GreenTech EC-Technologie setzen, gehen einen weiteren Schritt in Richtung Energieeffizienz.

EC-Motoren sind grundsätzlich Synchronmotoren mit Permanentmagneterregung. Bei ihnen folgt ein Rotor mit integrierten Permanentmagneten synchron dem elektronisch erzeugten Drehfeld des Stators.

Die Steuerelektronik ermöglicht eine stufenlos einstellbare Luftleistung (linear zur Ventilatordrehzahl), die im Teillastbetrieb bei nahezu gleichbleibend hohem Wirkungsgrad von der netzsynchronen Frequenz abweicht. Die Drehzahlsteuerung kann entweder analog über 0-10 VDE (z. B. Öltemperatur- oder Öldrucksensor) oder digital über ein PWM- oder Modbus-Signal vorgegeben werden. Durch den Einsatz von Modbus können mehrere Ventilatoren komfortabel miteinander verbunden werden.

Dies erleichtert die Nutzung von Diagnose- und Überwachungsfunktionen, die letztendlich zu einem zuverlässigen Betrieb beitragen. Dieser Aufbau ermöglicht einen wirtschaftlicheren Betrieb der Gesamtanlage und wirkt sich positiv auf die Lebenszykluskosten aus.

Um Hotspots am Wärmetauscher nach dem Abschalten einzelner Lüfter zu vermeiden, empfiehlt ebm-papst, alle Lüfter im Teillastbetrieb zu betreiben. Die Folge ist eine gleichmäßigere Durchströmung des Kühlers. Ein positiver Nebeneffekt ist, dass sich der Motor nicht so stark erwärmt, was die Lebensdauer des Lüfters verlängert.

Ein weiterer Aspekt des Teillastbetriebs ist die starke Reduzierung des Energieverbrauchs und der Betriebsgeräusche aufgrund der physikalischen Gesetzmäßigkeiten.

Die elektrische Aufnahmeleistung ist proportional zur Lüfterdrehzahl in der dritten Potenz (Pe ~ n³). Dadurch beträgt sie nur noch 12,5 %, wenn die Geschwindigkeit und damit die Luftleistung um 50 % reduziert werden. Logarithmisch reduziert sich der Geräuschpegel dadurch um 15 dB.

Der Teillastbetrieb spart nicht nur Energie und senkt die Betriebskosten, sondern führt auch zu weniger Abwärme. Dies ist besonders bei Kühlanwendungen von Vorteil, da nicht erzeugte Wärme nicht abgeführt werden muss.

Die Kommutierung und das Statordesign sorgen zudem für einen sehr ruhigen Betrieb. Die Taktfrequenzen sind akustisch nicht wahrnehmbar und die Geräuschreduzierung sinkt. Dadurch sind diese „Stealth-Lüfter“ ideal für Anwendungen, bei denen die Lärmschutzvorschriften beachtet werden müssen.

Einfache Inbetriebnahme

Praxisgerechte Konstruktionsdetails vereinfachen die Inbetriebnahme von Transformatorventilatoren.

Beispielsweise ist eine Installation und Montage direkt am Lüftergehäuse mit je nach Bedarf horizontaler oder vertikaler Einbaulage möglich.

Der Motorklemmenkasten für Versorgungsanschluss und Steuerung ist leicht zugänglich und von der Motorelektronik isoliert. Das Entwicklungsteam legte Wert auf den Einsatz hochwertiger Terminals.

Die Ventilatoren sind perfekt für den weltweiten Einsatz konzipiert. Sie funktionieren mit Stromversorgungen zwischen 200–240 V und 380–480 V (für dreiphasige 50-Hz- und 60-Hz-Netzfrequenzen), erfüllen alle relevanten Normen (UL, CSA, EAC und CCC) und die Anforderungen der Schutzart IP55 Das Typenschild entspricht der DIN EN 50216-12.

Andreas Schneider ist Projektingenieur beiebm-papst.