Leistungstransformatoren werden im Freien aufgestellt. Hier müssen sie Wind und Wetter ebenso trotzen wie Feuchtigkeit im Regenwald, Salznebel an der Küste, Gluthitze in Wüstengebieten oder eisiger Kälte am Polarkreis. Die an den Kühlsystemen eingesetzten Ventilatoren müssen hier mitspielen. Robuste Technik, die mehrere Jahre zuverlässig und wartungsfrei arbeitet, ist hier gefragt. Jeder Transformatorenausfall hätte schließlich fatale Folgen, da die Energieversorgung nicht mehr gewährleistet wäre.
Beim Betrieb von Transformatoren entsteht viel Abwärme, meistens wird Öl als Kühlmittel eingesetzt. Es überträgt die Wärme durch Konvektion – oder unterstützt durch Pumpsysteme – an das Transformatorengehäuse, das an der Außenseite Kühlrippen oder Wärmeübertrager-ähnliche Radiatoren hat. Bei großen Leistungstransformatoren werden diese zusätzlich mit Ventilatoren gekühlt, um trotz möglichst kompakter Kühlflächen Schäden durch Überhitzung zu vermeiden (Bild 1). Diese Ventilatoren müssen spezielle Anforderungen erfüllen, damit sie den harten Bedingungen im Außeneinsatz standhalten.
Ventilatoren verwandeln Transformatoren in Energiesparer
Es genügt also nicht, wenn die Ventilatoren die gewünschte Luftleistung fördern. Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit auch bei hoher Feuchtigkeit, ein wartungsfreier Betrieb ohne Schmierung und eine zuverlässige Funktion über eine möglichst lange Lebensdauer sind ebenso wichtig. Vorteilhaft ist außerdem, wenn sich die Kühlleistung bei Lastschwankungen an den tatsächlichen Bedarf anpassen lässt. Denn oft ist es nicht sinnvoll, einzelne Ventilatoren bei Teillastbetrieb des Transformators ganz abzuschalten, weil in diesem Bereich dann am Wärmeübertrager ungekühlte Hotspots“ entstehen können. Arbeiten die Ventilatoren zudem möglichst effizient, lassen sich über Jahre beachtliche Energiemengen und Kosten einsparen, die wiederum in Elektronetze gespeist werden können. Somit entsteht ein wirtschaftlich positiver Nutzen für die Energiebetreiber. Wenn sich die Transformatoren in der Nähe oder gar innerhalb von Wohngebieten befinden, spielt außerdem die Geräuschentwicklung eine nicht zu unterschätzende Rolle.
Der Motoren- und Ventilatorenspezialist ebm-papst Mulfingen hat sich nun dieser Thematik angenommen und spezielle Transformatorventilatoren entwickelt (Bild 2). Sie erfüllen alle Anforderungen für eine anspruchsvolle Großtransformatorkühlung nach DIN EN 50216-12 Zubehör für Transformatoren und Drosselspulen – Teil 12: Ventilatoren“ und werden in den Baugrößen 500 mm bis 1250 mm mit Luftleistungen bis 13 m3/s angeboten. Ihre Entwicklung basiert auf jahrzehntelanger Erfahrung und intensiver Forschungsarbeit, unterstützt durch umfangreiche Simulationen und Tests. Besondere Anforderungen im Hinblick auf lange Lebensdauer und Salznebelbeständigkeit (Korrosionsschutzklasse C5M nach DIN EN ISO 12944) werden erfüllt, der Ventilator ist also für eine Anwendung in Küstennähe mit hoher Salzbelastung geeignet.
Wandring erhöht Effizienz des Ventilators
Bei den Plug-and-play“-fähigen Kompletteinheiten aus Wandring, HyBlade-Laufrad, GreenTech EC-Motor mit integrierter Elektronik oder AC Asynchron-Motor und saugseitigem Schutzgitter sind alle Komponenten perfekt aufeinander abgestimmt. Aerodynamische Optimierungen verringern beispielsweise Luftverwirbelungen und das Betriebsgeräusch. Beide Motortypen entsprechen den Anforderungen der aktuellen Ökodesign-Richtlinie.
Bei dem Laufrad ermöglicht die Verbindung einer Aluminium-Trägerstruktur mit einer Hülle aus glasfaserverstärktem Kunststoff eine strömungstechnisch optimierte Form. Das macht gegenüber herkömmlichen Flügeln eine enorme Geräuschreduzierung und höhere Wirkungsgrade möglich.
Die Motorhalterung ist saugseitig angeordnet und bietet gleichzeitig eine Berührschutzfunktion. Druckseitige Schutzgitter sind ebenfalls als Zubehörteil verfügbar. Diese Schutzgitter und der Wandring bestehen aus feuerstückverzinktem und zusätzlich beschichtetem Stahlblech. Druckseitig dient eine umlaufende, angeformte Flanschfläche zur direkten Befestigung am Radiator. Vor allem wenn Ventilatoren freiblasend arbeiten, wie bei ölgekühlten Transformatoren üblich, ist die positive Wirkung eines solchen Wandrings enorm (Bild 3). Er verringert die sonst entstehenden Luftverwirbelungen, steigert dadurch den Luftdurchsatzmenge und damit die Effizienz des Ventilators (Bild 4).
Drehzahlregelung für eine bedarfsgerechte Kühlung
Noch einen Schritt weiter in Richtung Energieeffizienz geht, wer bei den Ventilatoren auf die mittlerweile bewährte GreenTech EC-Technologie setzt. Die EC-Motoren sind vom Prinzip her permanentmagneterregte Synchronmotoren. Bei ihnen folgt ein Rotor mit integrierten Permanentmagneten synchron einem Statordrehfeld, das elektronisch erzeugt wird. Über die Ansteuerelektronik lassen sich stufenlos Luftleistungen realisieren (linear zur Ventilatordrehzahl), die im Teillastbetrieb von der Netzsynchronfrequenz abweichen – bei annähernd unverändert hohem Wirkungsgrad. Die Drehzahlsteuerung kann entweder analog über 010 VDC (z. B. Öltemperatur- oder -drucksensor) oder digital mit PWM oder Modbus-Signal vorgegeben werden. Per Modbus lassen sich zudem mehrere Ventilatoren komfortabel miteinander vernetzen, so kann man beispielsweise auch Diagnose- und Überwachungsfunktionen nutzen, die zu einem sicheren Betrieb beitragen. Damit lässt sich die Gesamtanlage wirtschaftlicher betreiben, was sich auch auf die Life Cycle Cost positiv auswirkt.
Zur Vermeidung von Hotspots“ am Wärmeübertrager durch Abschalten einzelner Ventilatoren ist die Verwendung aller Ventilatoren im Teillastbetrieb zu empfehlen. Das hat eine gleichmäßigere Durchströmung des Radiators zur Folge. Ein positiver Nebeneffekt ist die deutlich reduzierte Erwärmung des Motors und damit eine Verlängerung der Lebensdauer des Ventilators.
Ein weiterer Aspekt des Teillastbetriebs ist die hohe Reduzierung des Energieverbrauchs und des Betriebsgeräusches durch Nutzung der physikalischen Gesetze. Die elektrische Eingangsleistung verhält sich proportional zur Ventilatordrehzahl in der dritten Potenz (Pe ~ n3). Somit beträgt diese nur noch 12,5 Prozent, wenn man die Drehzahl und somit die Luftleistung um 50 Prozent reduziert. Der Geräuschpegel nimmt dabei logarithmisch um 15 dB ab (Bild 5).
Das spart nicht nur Energie und senkt die Betriebskosten, sondern es entsteht auch weniger Abwärme. Bei Kühlanwendungen ist das besonders wertvoll, denn Wärme, die nicht entsteht, muss auch nicht abtransportiert werden. Kommutierung und Statordesign sorgen außerdem für hohe Laufruhe. Die Taktfrequenzen sind akustisch nicht wahrnehmbar und die Geräuschreduktion sinkt. Die Leiseläufer“ eignen sich dadurch auch für Einsatzbereiche, in denen Lärmschutzbestimmungen zu beachten sind.
Einfache Inbetriebnahme und weltweiter Einsatz
Praxisgerechte Konstruktionsdetails vereinfachen die Inbetriebnahme der Transformatorventilatoren. So ist der Einbau und Montage direkt am Wandring des Ventilators möglich, wahlweise mit horizontaler oder vertikaler Einbaulage. Der Motorklemmkasten für Netzanschluss und Steuerung ist gut zugänglich und von der Motorelektronik getrennt. Bei den Anschlussklemmen wurde großer Wert auf Qualität gelegt. Die Ventilatoren sind zudem für den weltweiten Einsatz bestens gerüstet: Sie arbeiten an Versorgungsspannungen zwischen 200–240 V und 380–480 V (bei 3-phasigen 50 und 60 Hz-Netzfrequenzen), erfüllen alle einschlägigen Normen (CE, UL, CSA, EAC, CCC), die Anforderungen der Schutzart IP55 und das Leistungsschild entspricht DIN EN 50216-12 (Zubehör für Transformatoren – Teil 12: Ventilatoren).
Andreas Schneider,
Projektingenieur bei ebm-papst Mulfingen GmbH & Co. KG
