April 2013

Energieeffizienz in der Industrie-Elektronik

Verlustarm, leistungsstark und langlebig

Der Trend zu Green Energy fordert möglichst energieeffiziente elektrische Systeme. EPCOS und TDK Produkte übernehmen darin Schlüsselfunktionen und tragen so zu einer Energietechnik sowie zu Industriemaschinen, Geräten und Anlagen bei, die Umwelt und Ressourcen schonen.

EPCOS Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren mit Schraubanschluss erfüllen höchst anspruchsvolle Anforderungen hinsichtlich der Stromtragfähigkeit, Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Temperaturbeständigkeit. Darüber hinaus bieten diese Kondensatoren die hohen Energiedichten, die für den Einsatz in kompakten Leistungselektronikmodulen benötigt werden. Damit leisten die äußerst robusten EPCOS Bauelemente die geforderte Performance auch für moderne Direktantrieb-Umrichter in Windturbinen. Mit entscheidend für den kostenoptimierten Einsatz von Kondensatoren in der Industrie- und Energietechnik ist, dass sie eine möglichst hohe Nennspannung haben. Bei zwei neu entwickelten Serien von EPCOS Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren mit Schraubanschlüssen konnte jetzt die zulässige Nennspannung von bisher 550 V DC auf 600 V DC erhöht werden. Dank dieser deutlichen Spannungssteigerungen ist es Herstellern von Industriestromversorgungen, Frequenzumrichtern für Antriebe, Wechselrichtern für Photovoltaikanlagen und Umrichtern für Windkraftanlagen möglich, in den Zwischenkreisen weniger Kondensatoren in Reihe zu schalten, was zu einer Reduzierung der Kosten und des benötigten Bauraums führt.

Innovative Magnete für hohe Leistungsdichten
Um eine möglichst hohe Leistungsdichte der Synchrongeneratoren in Windkraftanlagen zu erzielen, werden innovative TDK Nd-Fe-B-Magnete der Serie NEOREC verwendet (Abbildung 1). Je nach Material, bieten sie magnetische Feldstärken von bis zu 3000 kA/m und Resonanzflussdichten von bis zu 1,5 T. Diese Magnete eignen sich auch hervorragend für Industrie-Motoren, wodurch diese kompakt gebaut werden können und gleichzeitig hohe Wirkungsgrade erzielen. Daneben bietet TDK auch eine Reihe von Ferrit-Magneten an, die auf Seltene Erden verzichten. Auch sie eignen sich hervorragend für die Entwicklung effizienter Motoren.

Abbildung 1: TDK Nd-Fe-B-Magnete der Serie NEOREC

TDK Nd-Fe-B-Magnete eignen sich für effiziente Generatoren und Motoren.

Schlüsselbauelemente für Antriebe
Immer mehr Antriebe von Industrie-Anlagen werden über moderne Frequenzumrichter gesteuert. Dadurch lassen sich die Energieeffizienz deutlich steigern und der Stromverbrauch senken. In den Frequenzumrichtern sind häufig EPCOS Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren Schlüsselbauelemente zur Stabilisierung der Zwischenkreisspannung. Diese Kondensatoren zeichnen sich durch geringe ESR- und ESL-Werte aus, wodurch die Effizienz weiter gesteigert wird. Dank spezieller Bodenkühlkonzepte lässt sich die Lebensdauer der Kondensatoren deutlich steigern. Gleichzeitig können dadurch auch sehr kompakte Bauformen realisiert werden.

Neben den bewährten Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren spielen auch EPCOS Folien- und Leistungskondensatoren eine immer wichtigere Rolle in den Zwischenkreisen von Industrie-Umrichtern. Darüber hinaus eignen sie sich auch für den Einsatz in Umrichtern und Wechselrichtern von Windkraft- und von Solaranlagen. Besonders die niedrigen ESL- und ESR-Werte bei gleichzeitig hohen Kapazitäten sowie hohen Nennspannungen prädestinieren solche Folien-Kondensatoren für Industrie-Anwendungen. Ein weiterer Vorteil ist die extrem hohe Lebensdauer. Dadurch sind Folien-Kondensatoren bestens für Umrichter geeignet, die extrem langlebig und wartungsarm ausgeführt sind. TDK bietet damit als einer der wenigen Hersteller beide Kondensator-Technologien – Aluminium wie Folie – und ermöglicht Kunden eine für ihre Anwendung optimierte Lösung.

Einen völlig neuen Ansatz für Zwischenkreiskondensatoren bietet der TDK CeraLink™ (Abbildung 2). Er basiert auf PLZT-Keramik (Lead Lanthanum Zirconate Titanate) und deckt mit einer Nennspannung von 400 V DC ein Kapazitätsspektrum von 1 µF bis 100 µF ab. Bei einem weiteren Typ beträgt die Nennspannung 800 V DC und der Kapazitätswert 5 µF. Dank des geringen ESL-Werts von weniger als 4 nH sowie eines geringen Serienwiderstands von weniger als 4 mΩ eignen sich die neuen Kondensatoren sehr gut für Applikationen mit steilen Schaltflanken und hohen Taktraten. Dazu zählen insbesondere Umrichter, die mit neuen, schnell schaltenden MOSFETs oder IGBTs arbeiten. Solche Umrichter werden vor allem in der Industrie- und Automobil-Elektronik eingesetzt.

Abbildung 2: TDK CeraLink™ Kondensatorfamilie


Die keramikbasierten Kondensatoren eigenen sich besonders für Umrichter, die mit hohen Taktraten und steilen Flanken arbeiten.

Leistungskondensatoren für Energieübertragung
Um Netzverluste zu minimieren und Energie möglichst effizient zu nutzen, setzen sich zwei Trends zunehmend durch: die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) und der Aufbau von Smart Grids. HGÜ-Strecken zeichnen sich durch eine Halbierung der Verluste im Vergleich zu konventionellen Drehstromnetzen aus. Besonders bei der Anbindung von Offshore-Windkraftanlagen, wie sie zurzeit etwa in der Nord- und Ostsee entstehen, wird zur Netzanbindung die Multilevel-Voltage-Sourced-Technologie genutzt. Dabei kommen bei der Rückwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom geschaltete kapazitive Spannungsteiler zum Einsatz. Sie basieren auf speziell entwickelten EPCOS MKK-Leistungskondensatoren mit hohen Kapazitäten und Nennspannungen.

Blindleistung entsteht durch den Betrieb von induktiven Lasten wie Transformatoren und Motoren. Sie hat keinerlei Nutzen, muss aber miterzeugt werden. EPCOS Blindleistungskondensatoren der Serien PhaseCap® und PhiCap™ tragen seit Jahrzehnten zur Kompensation von Blindleistung bei und helfen somit ebenfalls, Kosten zu sparen und die Umwelt zu entlasten. Neben den Kondensatoren, mit denen das Unternehmen Weltmarktführer ist, umfasst das EPCOS Produktspektrum auch Regler, Thyristormodule, Schütze und Drosseln.

Breites Angebot bei EMV und Überspannungsschutz

Um hochfrequente Störungen von Industrie-Elektronik zu vermeiden, sind EPCOS EMV-Filter unverzichtbar. Sie werden in 2-, 3-, und 4-Leiter-Versionen mit Stromtragfähigkeiten von bis zu 2000 A angeboten. Dank der großen Typenvielfalt können mit Standardprodukten wie auch kundenspezifischen Lösungen alle EMV-Probleme gelöst werden. Durch die dezentrale Energieerzeugung steigt das Problem durch Überspannungen. Mit EPCOS Varistoren und gasgefüllten Überspannungsableitern lassen sich die hohen Vermögenswerte von Geräten und Anlagen der Industrie-Elektronik zuverlässig schützen. Speziell für die Wechselrichter von Photovoltaik-Anlagen eignet sich die Varistor-Serie ETFV. Sie ist für eine mehrfache Pulsbelastbarkeit ausgelegt und hat außerdem eine thermische Sicherung integriert, die bei Überlastung das Bauelement freischaltet. Neben vielen Varianten monolithischer Varistoren mit diversen Anschlusskonfiguration und Belastbarkeiten eignen sich auch Vielschicht-Varistoren sehr gut zum Schutz der I/Os einer Steuerelektronik.

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