Betrachtungen von 100 kVA-Transformatoren

mit einer Alu-Bandwicklung gegenüber einer Kupfer-Lagenwicklung.

 

Warum kein „Kupfermehrpreis“?

Wir wickeln unsere Transformatoren ausschließlich in Alu-Bandwicklung.

Wegen der geringeren Leitfähigkeit gegenüber Kupfer benötigen wir 35% mehr Querschnitt.

Die Verluste sind also nicht größer gegenüber einer Kupferwicklung. Aber Kupfer ist deutlich teurer.

Das kann bei 100 kVA Transformatoren an Kupfermehrkosten schon mal 500,- € oder mehr ausmachen, die zusätzlich zum Transformatorenpreis in Rechnung gestellt werden.

Und die auch ohne zu Murren gezahlt werden, weil fast alle so verfahren.

Wieso eigentlich?

 

Zuerst die mechanische Stabilität im Vergleich:

Nehmen wir einfach mal an, dass bei 100-kVA Transformatoren (230 Volt/Spule)

die Spulenbreite 460 mm, die mittlere Windungslänge 800 mm beträgt und 90 Windungen

benötigt werden. Die Stromdichte soll 2,5 Amp./mm² betragen.

Für die Kupfer-Lagenwicklung würde man Flachdraht 15 x 4 mm nehmen und für

die Alu-Bandwicklung 460 x 0,2 mm.

Bei der Lagenwicklung wird eine Windung mit der nächsten Kupferwindung über das Tränkharz fixiert.

Die Kontaktfläche beträgt nur 32 cm² (4 mm Seitenfläche x 800 mm Windungslänge).

Bei der Alu-Bandwicklung sind es 3680 cm²  (460 mm Breite x 800 mm Windungslänge).

Die Alu-Bandwicklung ist eigentlich wie aus „einem Block“ gefräst.

 

Was passiert bei einem Kurzschluss, bei Schwerantrieben oder häufiger, hoher, impulsförmiger

Stromaufnahme der Last?

Wie sieht es mit einer möglichen Verformung der Wicklung durch die Magnetfelder aus?

Radial werden die Kupfer-Lagenwicklung und die Alu-Bandwicklung gleichermaßen beansprucht.

Aber es gibt deutliche Unterschiede beim Wicklungsaufbau.

Bei unserer Alu-Bandwicklung werden die je 90 Windungen (primär + sekundär) mit dem eingewickelten

Aramidpapier Nomex 410 (Klasse H) in Einkomponentenharz der Klasse H unter Vakuum getränkt und bei ca. 120 Grad C. ausgehärtet. Es wird also eine Schicht (Lage) auf die andere gelegt (gewickelt). Jede Schicht ist mit der

nächsten großflächig über das Harz verbacken. Es entsteht so eine extrem stabile Wicklung.

Dies gilt jeweils für die Primär-Wicklung und für die Sekundär-Wicklung im Einzelnen sowie untereinander.

(Sandwichbauweise: 90 Windungen Aluband: 90 Windungen Aramidpapier: durchtränkt: gehärtet)

Auch wir benötigen Kühlkanäle. Dies sind eingewickelte, flache, 1 mm starke Alu-U-Profile auf der gesamten Breite. (460 mm)

Die lassen sich nicht zusammendrücken und erhöhen den Leitungsquerschnitt hier zusätzlich um das 5-fache. (siehe Foto "Bandwicklung")

Bei der Kupfer-Lagenwicklung (siehe die 3 Fotos darunter)) sieht es so aus als ob die Windung nur über den seitlichen Kontakt zur Nachbar-Windung und über die Abstandshalter fixiert wird.

Das ist deutlich weniger als bei der Alu-Bandwicklung.

Axial verteilt sich ein möglicher Kurzschlussstrom bei Transformatoren mit Bandwicklung über die gesamte Fläche der Bandwicklung gleichmäßig.

Axiale Kurzschlusskräfte entstehen bei der Bandwicklung so gut wie nicht, da wir hier quasi nur einen

Draht haben. Bei der Lagenwicklung sind die axialen Kräfte deutlich höher. Hier können die Windungen

(hier 30) gegeneinander verschoben werden. Im Normalfall ist diese Wicklungsart sicherlich gut stabilisiert.

Aber was passiert, wenn der böse Kurzschluss kommt oder wir haben häufig, für kurze Momente hohe Stromaufnahmen durch Motoren oder nicht lineare Verbraucher?

Vielleicht am Anfang nichts, aber nach Jahren?

 

Wie sieht es mit Ableitung der Wärme aus?

Im obigen Beispiel hat eine Kupfer-Lagenwindung 30400 mm² Oberfläche. (15+15+4+4 x 800mm).

Eine Alu-Bandwindung hat 736000 mm² Oberfläche, also über 24-mal mehr.

Bei der Alu-Bandwindung verteilt sich die Temperatur schnell gleichmäßig über das gesamte Band.

Bei der Lagenwicklung sind ca. 30 Windungen nebeneinander gewickelt.

Aufgestellt werden die Transformatoren aber senkrecht. Da ist es schwer vorstellbar, dass ein schneller Temperaturaustausch von den heißeren, oberen Windungen zu den kühleren, unteren Windungen stattfindet. Zumal der Kupferlackdraht durch seine Isolation den schnellen Temperaturausgleich zur Nachbarwindung vermindert.

 

Spannungsdifferenz zwischen den Windungen:

Bei der Alu-Bandwicklung beträgt die Spannung zur nächsten, oberen Windung 2,55 Volt. (230Volt/90 Wdg.).

Bei der Lagenwicklung sind es mit rund 33 Volt etwas mehr. (230 Volt/90 Wdg. x 30 Wdg.).

Aber beide Wicklungsarten liegen total im „grünen Bereich“.

 

Noch was Besonderes?

Klar. Wir liefern ausschließlich in K4 bzw. auf Anfrage (z.B. K20 für USV-Anlagen) auch mehr.

Reiner Sinus war gestern. Wenn Sie also Transformatoren wo immer auch anfragen,

wird man Ihnen wahrscheinlich "normale" Transformatoren anbieten. Der ist K0.

Der THD-Faktor in Industrienetzen darf bis zu 8% betragen.

Werden die Transformatoren jedoch durch Oberwellen zusätzlich belastet (und das werden heute praktisch alle),

so entstehen zusätzliche Verluste.

Unser K4 verträgt das 4-fache der normalen Erwärmung gegenüber K0 auf die Oberwellen bezogen.

Unser herausgeführter „N“ hat immer 200 % des Leiterquerschnitts

Alu-Bandwicklung
Kupfer-Lagenwicklung
Kupfer-Lagenwicklung
Kupfer-Lagenwicklung