Mittelfrequenztransformators (MFT) für das Smart Grid

Ein Mittelfrequenztransformator (MFT) ist ein elektrischer Transformator, der im Gegensatz zu konventionellen Leistungstransformatoren (NFT), die mit Netzfrequenz (50 Hz oder 60 Hz) arbeiten, im Bereich von einigen hundert Hertz bis einigen zig Kilohertz betrieben wird. Diese höhere Frequenz ermöglicht es, die Baugröße und das Gewicht des Transformators deutlich zu reduzieren. Die magnetischen Feldstärken und die Zahl der benötigten Wicklungswindungen ist umgekehrt proportional zur Frequenz und daher im Vergleich zu Netzfrequenztransformatoren deutlich geringer. Die Baugröße und das Gewicht können daher leicht um den Faktor 10 geringer ausfallen wie bei einem NFT.

Die Funktionsweise eines MFT kann in folgende Schritte unterteilt werden:

1. Gleichrichtung: Die zu transformierende elektrische Energie wird zunächst gleichgerichtet, um eine pulsierende Gleichspannung zu erhalten.
2. Wechselrichter: Die pulsierende Gleichspannung wird dann mit Hilfe eines Wechselrichters in eine mittelfrequente Wechselspannung umgewandelt.
3. Transformation: Die mittelfrequente Wechselspannung wird durch den MFT transformiert, wobei die Spannung und der Stromstärke im gewünschten Verhältnis geändert werden. Durch diese Transformation können Netze unterschiedlicher Spannung galvanisch getrennt miteinander verbunden werden.
4. Gleichrichter: Die transformierte mittelfrequente Wechselspannung wird wieder in eine pulsierende Gleichspannung gleichgerichtet.
5. Wechselrichter: Die pulsierende Gleichspannung wird schließlich mit Hilfe eines Wechselrichters in eine netzkonforme Wechselspannung, frequenzsynchrone umgewandelt.

Vorteile von Mittelfrequenztransformatoren:

• Höhere Effizienz: MFTs weisen im Vergleich zu konventionellen Leistungstransformatoren geringere (u.a. ohmsche) Verluste auf, was zu einer höheren Energieeffizienz führt. Dies bedeutet, dass weniger Energie während der Transformation verloren geht, was wiederum zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen beiträgt.
• Geringere Größe und Gewicht: MFTs sind kompakter und leichter als konventionelle Leistungstransformatoren. Dies ermöglicht platzsparende Installationen und erleichtert den Transport.
  MFTs ermöglichen u.a. die Installation von hoher Ladeleistung (MW-Bereich) für die E-Mobility in räumlich begrenzten Gehäusen.
• Modulare Bauweise: MFTs können in modularer Bauweise hergestellt werden, was eine einfache Skalierung und Anpassung an verschiedene Anforderungen ermöglicht. Dies erhöht die Flexibilität und Anpassungsfähigkeit des Energiesystems, was für die Integration volatiler erneuerbarer Energiequellen besonders wichtig ist.
• Geringere Geräuschemissionen: MFTs erzeugen im Vergleich zu konventionellen Leistungstransformatoren (50Hz-Brumm) geringere Geräuschemissionen.
• Verbesserte Spannungsqualität: MFTs können zur Verbesserung der Spannungsqualität im Stromnetz beitragen, indem sie Oberschwingungen und Flicker reduzieren (Reformierung der 50Hz-Spannung durch Wechselrichter).

Anwendungsbeispiele von Mittelfrequenztransformatoren im Umfeld der Energietransformation:

• Anbindung von Windkraftanlagen: MFTs werden häufig zur Anbindung von Offshore-Windkraftanlagen an das Stromnetz eingesetzt. Durch ihre hohe Effizienz und Flexibilität (Regelbarkeit) tragen sie dazu bei, die Energieverluste bei der Übertragung von Offshore-Windstrom zu minimieren.
• Integration von Batteriespeichern: MFTs ermöglichen die Integration von Batteriespeichern in das Stromnetz, um die Schwankungen der erneuerbaren Energien auszugleichen. Durch die Regelbarkeit können sie zur Stabilisierung des Stromnetzes und zur Erhöhung der Versorgungssicherheit beitragen.
• Smart Grids: MFTs spielen eine wichtige Rolle in Smart Grids, da sie die flexible Steuerung des Stromnetzes ermöglichen. Dies ermöglicht eine effizientere Nutzung der vorhandenen Ressourcen und trägt zur Reduzierung von Spitzenlasten im Stromnetz bei.
• Elektromobilität: MFTs können zur Anbindung von Ladestationen für Elektrofahrzeuge an das Stromnetz eingesetzt werden. Durch ihre hohe Effizienz und Flexibilität bis in den Megawatt-Bereich hinein tragen sie dazu bei, die Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge auszubauen und die Elektromobilität zu fördern.

Herausforderungen und Probleme beim Einsatz von Mittelfrequenztransformatoren (MFTs)

Trotz ihrer zahlreichen Vorteile und ihres Potenzials für die Energiewende, ist der Einsatz von Mittelfrequenztransformatoren (MFTs) nicht ohne Herausforderungen und Probleme:

Technische Herausforderungen:

• Steuerung und Regelung von MFTs ist im Vergleich zu konventionellen Leistungstransformatoren komplexer. Dies erfordert zusätzliches Know-how und Fachpersonal im Betrieb und der Wartung.
• MFTs können Oberschwingungen in das Stromnetz einleiten, die die Spannungsqualität beeinträchtigen und zu Schäden an anderen Geräten führen können. Um dies zu vermeiden, werden geeignete Filtermaßnahmen ergriffen, die jedoch einen Teil der Effizienz in der Energieumwandlung kosten.
• Die hohen Betriebsspannungen begrenzen die mögliche Miniaturisierung. Luft- und Kriechstrecken müssen unabhängig von der Baugröße entsprechend der Einsatzspannung (plus Impulsbelastung bei transienten Ereignissen) eingehalten werden. Partielle Entladungen sind wahrscheinlicher und müssen zuverlässig vermieden werden. Normbauteile für 50Hz NFTs sind kaum einsetzbar.
• Für die Herstellung von MFTs müssen sehr dünne Elektrobleche verwendet werden, um Wirbelstromverluste gering zu halten (Verfügbarkeit, Kosten). Durch die verringerten Luft- und Kriechstrecken müssen z.T. teurere Isolationsprodukte verwendet werden.
• Die kompakte Bauweise erschwert die Entwärmung der Wicklung und macht das Thermomanagement aufwändiger (z.B. Kühlkörperanbindung)
• Der verwendete Litzendraht (wegen der Stromverdrängung notwendig) ist vergleichsweise teurer gegenüber Lackdraht gleichen Querschnitts.
• Neben dem elektro-mechanischen Bauteil "Transformator" muß eine angepasste und ausreichend spannungsfeste Elektronik (Wechselrichter) entwickelt werden.

Wirtschaftliche Herausforderungen:

• MFTs sind in der Regel teurer als konventionelle Leistungstransformatoren. Dies kann die Investitionskosten für Energieversorgungsprojekte erhöhen.
• Zudem sind MFTs sind noch eine relativ neue Technologie und daher nicht so weit verbreitet wie konventionelle Leistungstransformatoren. Dies kann die Beschaffung und den Service erschweren.

Normative Herausforderungen:

• ​​In einigen Bereichen der MFT-Technologie gibt es noch keine etablierten Normen und Standards. Dies kann die Entwicklung und Anwendung der Technologie erschweren. MFTs müssen für den Einsatz in Stromnetzen zertifiziert sein. Die Zertifizierungsprozess ist komplexer und zeitaufwändiger.

Fazit:

Mittelfrequenztransformatoren sind innovative und vielseitige Komponenten, die eine wichtige Rolle bei der Transformation der Energiewirtschaft hin zu mehr Nachhaltigkeit spielen. Durch ihre hohe Effizienz, Flexibilität und Kompaktheit tragen sie zur Integration dezentraler Energiequellen und Speichersysteme in das Stromnetz bei und ermöglichen so eine nachhaltige und klimaneutrale Energieversorgung. Dies gleicht viele der noch vorhandenen Nachteile bereits jetzt aus. Für ein dezentral organisiertes Smart Grid und Gleichstrom-Netze (siehe z.B. ODCA) sind steuerbare Transformatoren nahezu unersetzlich.