Transformatoren mit geringen Leerlaufverlusten

Einleitung: Warum Verluste bei Transformatoren so wichtig sind

Transformatoren sind unscheinbare, aber unverzichtbare Bausteine unseres Energiesystems. Ohne sie wäre die elektrische Energieübertragung über grosse Distanzen nicht möglich. Durch die Transformation auf ein höheres Spannungsniveau fliessen kleinere Ströme, wodurch sich der Spannungsabfall über der Übertragungsleitung verringert. Ohne Spannungstransformation sieht der Verbraucher unter Umständen keine Spannung mehr, weil fast die ganze Spannung über der Leitung abfällt. Zudem kann mithilfe eines Transformators jede Wechselspannung auf die gewünschte Spannung der Last angepasst werden. Sie sorgen also dafür, dass elektrische Energie über weite Strecken transportiert und in nutzbare Spannungen umgewandelt werden kann – vom Grosskraftwerk bis zur heimischen Steckdose.

Doch so leistungsfähig Transformatoren auch sind, sie arbeiten nicht verlustfrei. Im Betrieb entstehen Verluste, die in Form von Wärme auftreten. Die Energie wird buchstäblich verbraten. Diese Verluste haben nicht nur technische, sondern auch wirtschaftliche und ökologische Folgen. Denn jeder Energieverlust bedeutet mehr Stromproduktion – und damit oft auch höhere CO₂-Emissionen.

Von besonderer Bedeutung sind dabei die sogenannten Leerlaufverluste, also Verluste, die auch dann auftreten, wenn der Transformator gar keine Last versorgt. In diesem Beitrag erklären wir, wie diese Verluste entstehen, welche Rolle die verwendeten Materialien und die Bauweise spielen und warum effiziente Transformatoren ein zentraler Baustein für Energieeffizienz und Nachhaltigkeit sind.

Ein Transformator kennt im Wesentlichen zwei dominierende Verlustarten:

• Wicklungsverluste (Kurzschlussverluste)

• Kernverluste (Leerlaufverluste)

Wicklungsverluste
In den Kupfer- oder Aluminiumwicklungen eines Transformators fließt Strom. Dieser Strom führt zu ohmschen Verlusten sowie zu Skin- und zu Proximityverlusten. Dabei gilt: Je grösser der Strom, desto grösser die Verluste. Der einfachste Weg zur näherungsweisen Bestimmung der Wicklungsverluste besteht darin, die Ausgangsseite des Transformators kurz zu schliessen und die Eingangsspannung so weit zu erhöhen bis in der kurzgeschlossenen Ausgangsseite der Nennstrom erreicht ist. Deshalb werden die Wicklungsverluste auch als Kurzschlussverluste bezeichnet. 

Kernverluste
Noch spannender sind die Kernverluste, die im magnetischen Kern eines Transformators auftreten. Fast alle Transformatoren besitzen einen magnetisierbaren Kern, der aus Eisenblechen, Ferriten oder modernen nanokristallinen Materialien bestehen kann. Die Verluste im Kern entstehen durch die magnetische Neuanordnung im Kern über einer Netzperiode. Sie sind mit der Eingangsspannung und dem Kernvolumen verknüpft und sind somit lastunabhängig. Sie treten selbst dann auf, wenn der Transformator im Leerlauf arbeitet, also wenn keine Verbraucher angeschlossen sind. Darum werden sie auch als Leerlaufverluste bezeichnet.

Gerade weil Transformatoren dauerhaft ans Netz angeschlossen sind, stehen diese Verluste im Fokus, wenn es um Energieeffizienz geht.

Leerlaufverluste setzen sich aus zwei Hauptkomponenten zusammen: Hystereseverluste und Wirbelstromverluste im Magnetkern.

Jeder stromdurchflossene Leiter erzeugt ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld wird im Transformator genutzt, um Energie von der Primärwicklung auf die Sekundärwicklung zu übertragen.

Das Magnetfeld, auch als H-Feld bezeichnet, führt dazu, dass sich die Elementarmagnete im Kern ausrichten. Je mehr Elementarmagnete im Kern in die gleiche Richtung zeigen, desto erhöht ist der magnetische Fluss im Kern. Mit anderen Worten erhöht sich die magnetische Leitfähigkeit. Deshalb konzentriert sich das H-Feld auf den Kern, während das Magnetfeld in der Luft oft als vernachlässigbar betrachtet wird.

Zur Veranschaulichung, wie sich die Elementarmagnete im Kern ausrichten, kann man sich zwei Permanentmagnete vorstellen, die willkürlich ausgerichtet auf dem Tisch liegen. Sobald sich der erste Permanentmagnet (mit entsprechendem H-Feld) dem Zweiten (in unserem Beispiel dem Elementarmagent) nähert, richtet sich der Zweite wie von Geisterhand aus.

Das zusätzliche Magnetfeld, welches von der Ausrichtung der Elementarmagnete im Kern herrührt, wird als Magnetisierung oder M-Feld bezeichnet. In Formeln ausgedrückt gilt:

B = μ₀ (H+M) =μH

Dabei ist B die magnetische Flussdichte, μ₀ die Permeabilität im Vakuum und μ die Permeabilität in der Materie. Die Permeabilität kann auch als magnetische Leitfähigkeit interpretiert werden. 

Sobald alle magnetischen Dipole im Kern ausgerichtet sind, nimmt die Magnetisierung nicht mehr zu. Wird dann die Magnetfeldstärke H weiter erhöht, verhält sich der Kern wie ein Vakuum (B = μ₀H). In diesem Fall spricht man von magnetischer Sättigung.

Das zweite große Verlustphänomen sind die Wirbelstromverluste. So wie das zeitlich variierende Magnetfeld eine Spannung in der Sekundärwicklung induziert, treten auch im Kern Spannungen auf. Da Eisen ein leitfähiges Material ist, fliessen darum sogenannte Wirbelströme im Kern. Die ohmschen Verluste dieser Ströme werden als Wirbelstromverluste bezeichnet.  In einem massiven Eisenblock werden die Wirbelströme so gross, dass der Kern bereits bei einer Belastung von etwa 0,5% B zu „kochen” beginnt. Abhilfe schaffen hier dünne, isolierte Bleche, welche die Wirbelströme einschränken. Umso dünner diese Bleche sind, desto geringer sind die Wirbelstromverluste.

Technologien zur Reduzierung der Leerlaufverluste
Bei der Entwicklung moderner 50-Hz-Transformatoren liegt ein starker Fokus darauf, diese Verluste zu minimieren. Zwei zentrale Ansätze sind:

Kornorientierte Bleche
Durch spezielle Herstellungsverfahren werden dem Blech „kornorientierte“ Strukturen im Blech eingeprägt. Das Magnetfeld wird dadurch bevorzugt in eine bestimmte Richtung geführt. Das bedeutet, es muss weniger Energie aufgewendet werden, um die magnetischen Dipole auszurichten – die Hystereseverluste sinken deutlich.

Dünnere Blechpakete
Je dünner die einzelnen Bleche des Kernpakets sind, desto stärker werden Wirbelströme begrenzt. Hier liegt jedoch ein wirtschaftlicher Zielkonflikt vor:

• Dünnere Bleche sind aufwendiger in der Herstellung.

• Mit dünneren Blechen steigt die Anzahl der Bleche pro Kern, wodurch sich der Fertigungsaufwand beim Schachteln erhöht.

Transformatoren wirken auf den ersten Blick vielleicht unscheinbar, doch ihre Effizienz hat Auswirklungen auf das gesamte Energiesystem. Ein wesentlicher Faktor sind die Leerlaufverluste, die sich durch den Einsatz moderner Materialien und Technologien erheblich reduzieren lassen.

• Für Ingenieurinnen und Ingenieure gilt: 
  Die Überdimensionierung eines Transformators muss gut überlegt sein. Denn mit dem Kernvolumen steigen auch die Leerlaufverluste, die sich über die gesamte Betriebszeit summieren. Im Gegenzug kann abgeklärt werden, wie lange der Transformator in Überlast betrieben werden kann. Eine kurzzeitige Spitzenlast kann unter Umständen problemlos hingenommen werden, da ein Transformator eine grosse Masse hat und sich daher sehr langsam überhitzt.

• Für Einkäuferinnen und Einkäufer gilt: 
  Qualität lohnt sich. Ein Transformator mit geringen Leerlaufverlusten und hoher Effizienz ist über seine Lebensdauer von mehr als 30 Jahren billiger als ein günstigeres Modell. Die eingesparten Energiekosten übersteigen die höheren Investitionskosten bei Weitem. Benutzen Sie dafür unseren Nachhaltigkeitsrechner.

Möchten Sie mehr über moderne Transformatorentechnologien erfahren oder benötigen Sie eine Beratung zu energieeffizienten Lösungen? Dann sprechen Sie uns an! Gemeinsam gestalten wir eine nachhaltige Zukunft.