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 wärme­tau­scher­ähn­liche 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

Bild 1: Die an den Kühl­sys­temen großer Trans­for­ma­toren einge­setzten Venti­la­toren müssen harten Bedin­gungen trotzen. Robuste Technik, die mehrere Jahr­zehnte lang zuver­lässig und wartungs­frei arbeitet, ist hier gefragt.

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 Wärme­tau­scher unge­kühlte „Hot-Spots“ 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.

Bild 2: Die Transformator­venti­latoren erfüllen alle Anfor­de­rungen an eine anspruchs­volle Groß­trans­for­ma­tor­küh­lung und werden in den Baugrößen 500 mm bis 1.250 mm ange­boten.

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 1.250 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

Bild 3: Beim Einbau eines Axial­ven­ti­la­tors ohne Wand­ring sind die Strö­mungs­ver­luste enorm (links). Durch die Verwen­dung eines Wandrings kann die Luft­leis­tung im Arbeits­be­reich deut­lich erhöht werden.

Bei den „Plug & 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.

Beim 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.

Arbeiten die Venti­la­toren zudem möglichst effi­zient, lassen sich über Jahre beacht­liche Ener­gie­mengen und Kosten einsparen.

Diese Schutz­gitter und der Wand­ring bestehen aus feuer­ver­zinktem 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 die Luft­durch­satz­menge und damit die Effi­zienz des Venti­la­tors (Bild 4).

Dreh­zahl­re­ge­lung für eine bedarfs­ge­rechte Kühlung

Bild 4: Venti­la­toren mit Wand­ring erbringen eine höhere Luft­leis­tung und weisen einen höheren Wirkungs­grad und damit eine wesent­lich bessere System­ef­fi­zienz auf (1), im Vergleich zu ohne Wand­ring (2).

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 annäh­rend unver­än­dert hohem Wirkungs­grad.

Die Dreh­zahl­steue­rung kann entweder analog über 0-10 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.

Noch einen Schritt weiter in Rich­tung Ener­gie­ef­fi­zienz geht, wer bei den Venti­la­toren auf die mitt­ler­weile bewährte Green­Tech EC-Tech­no­logie setzt.

Zur Vermei­dung von „Hot-Spots“ am Wärme­tau­scher 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 Teil­last­be­triebes ist die hohe Redu­zie­rung des Ener­gie­ver­brauchs und des Betrieb­ge­räu­sches 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  %, wenn man die Dreh­zahl und somit die Luft­leis­tung um 50 % redu­ziert. Der Geräusch­pegel nimmt dabei logarith­misch um 15 dB ab (Bild 5).

Bild 5: Die Grafiken zeigen die mögliche Ener­gie­ein­spa­rung bzw. Geräusch­reduzierung im direkten Vergleich von Ein-/Aus-Betrieb und stufen­loser Dreh­zahl­an­pas­sung.

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 die 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).