Ein Beitrag zum optimalen Entwurf von dreiphasigen Leistungstransformatoren für Mittelfrequenzanwendungen mit höchstmöglicher Ausnutzung und maximal möglichem Wirkungsgrad

Elektromagnetische Energiewandler können mit gesteigerter Leistungsdichte aufgebaut werden, wenn diese für eine höhere Betriebsfrequenz ausgelegt werden. Der Entwurf von kompakten Magnetkreisen resultiert in weniger Materialeinsatz für den weichmagnetischen Kern und für die Wicklungen.

Die dreiphasige Dual-Active Bridge wird eingesetzt, um eine mittelfrequente Erregung für Transformatoren mit hohen Leistungen zu ermöglichen. Der felderregende Strom innerhalb des Wandlers ist nichtsinusförmig, dementsprechend ist die Wahl eines geeigneten weichmagnetischen Materials für den beschriebenen Betrieb nicht trivial und ein Vergleich der verfügbaren Materialien ist notwendig. Die Identifikation der relevanten Materialeigenschaften und der auftretenden Effekte im einstelligen Kilohertz-Bereich sowie bei hohen Magnetisierungen erfolgt auf Basis einer metrologischen Vermessung. Die entgegenlaufenden Effekte durch einen Frequenzanstieg sind erhöhte spezifische Verluste, eine Reduktion der Magnetisierbarkeit, kompaktere Abmessungen des Transformators und geringere Oberflächen zur Abfuhr der Verlustwärme. Zur Lösung dieser vielparametrischen Problemstellung wird eine Evolutionsstrategie eingesetzt. Die gemessenen Materialeigenschaften werden direkt im Auslegungsprozess genutzt und die vorgestellte Rechenmethodik ermöglicht den Entwurf von dreiphasigen Leistungstransformatoren, welche auf den geplanten Einsatz maßgeschneidert sind.

Es wird ein dreiphasiger Transformator der Leistungsklasse von 200 kVA für den Mittelfrequenzbereich mit der vorgestellten Methodik prototypisch ausgelegt, aufgebaut, in Betrieb genommen und vermessen. Die erzielten Ergebnisse bestätigen eindrucksvoll die entwickelte und eingesetzte Methodik zur Auslegung von kompakten Mittelfrequenztransformatoren.