April 2013

EMV in der regenerativen Energieerzeugung

Störung ausgeschlossen

Weltweit nimmt die Nutzung der regenerativen Energieerzeugung zu. Für immer mehr und immer komplexere Systeme und Anlagen wächst der Bedarf an EMV-Lösungen – vor allem auf dem Gebiet neuer, leistungsstarker Umrichter. EPCOS Bauelemente sorgen darin für die störungsfreie Netzanbindung.

Rotoren, Generatoren, Getriebe und Stromrichter von Windkraftanlagen erleben eine rasante Weiterentwicklung, weil sich damit deren Leistungsfähigkeit deutlich steigern lässt. So werden heute bereits Leistungen von 2,5 MW und mehr erreicht. Der Einsatz von Frequenzumrichtern mit Pulsweitenmodulation (PWM) zur Übertragung der Gesamtleistung aus dem Generator ermöglicht eine höhere Ausnutzung der Windturbine. Dies wird durch eine Anpassung der Drehzahl an die Windgeschwindigkeit ermöglicht. Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit, den Phasenwinkel durch den Frequenzumrichter dem Bedarf anzupassen.

Aufgrund der schaltenden Arbeitsweise der Umrichter entstehen jedoch Störungen im Bereich der Schaltfrequenzen. Abhängig vom Design liegen diese im Frequenzbereich zwischen 1 kHz und 5 kHz. Diese Schaltfrequenzen werden sich durch die Weiterentwicklung der Leistungshalbleiter zukünftig noch erhöhen.

Jede Abweichung von der idealen Sinusform führt in Stromnetzen und letztendlich auch bei den Verbrauchern zu Verlusten. Entsprechend hoch sind die Anforderungen der Netzbetreiber bezüglich Vermeidung von Verzerrungen und Oberwellen.

Abbildung 1: Ausgangsbefilterung von Leistungsumrichtern

Die kombinierten EPCOS Drosseln L4 bis L6 bilden zusammen mit den Kondensatoren einen Saugkreis, der die Taktfrequenzen dämpft.

Gängige Praxis ist heute die Verwendung von Netzdrosseln am Ausgang des Umrichters. Auf diese Weise wird bereits eine gute Annährung an die ideale Sinusform erreicht. Allerdings sind noch Reste der Taktfrequenz und deren Harmonischen vorhanden. Die Drosseln L1 bis L3 sowie L1’ bis L3’ tragen den gesamten Laststrom des Umrichters. Der Wert ihrer Induktivität sowie das Kernmaterial bestimmen die Filterwirkung dieser Drosseln für die Taktfrequenz. Hohe Induktivitätswerte bedingen jedoch ein großes Bauvolumen, erheblichen Kostenaufwand sowie entsprechende Kühlung. Gerade bei Umrichtern von Windkraftanlagen sind dadurch Grenzen gesetzt.

Abhilfe schafft eine Saugkreislösung mit den kombinierten EPCOS Drosseln L4 bis L6, die mit EPCOS Leistungskondensatoren der Baureihen B3236* oder B2536* in Serie geschaltet sind (Abbildung 1). Dieser Saugkreis sorgt für eine ausreichende Bedämpfung der Taktfrequenzen, wird jedoch nicht mit dem eigentlichen Laststrom beaufschlagt. Damit der Schwingkreis nicht verstimmt und somit unwirksam wird, dürfen die Saugkreisdrosseln bis zur maximalen Belastung nicht in die Sättigung gehen.

Vorteile durch Ferritkerne
Ferrite als Kernmaterialien kommen vor allem in Übertragern und Drosseln zum Einsatz, die mit Frequenzen von mehr als 50 kHz arbeiten. Dem entgegen steht das Bestreben, Ferrite durch neue, höher sättigbare Materialien zu ersetzen. Allerdings werden für diese verbesserten Materialien Seltene Erden benötigt, die teuer sind. Dies ist insbesondere dann von Nachteil, wenn die Materialien in großen Bauformen eingesetzt werden sollen, wie sie für Saugkreisdrosseln großer Leistung erforderlich sind.

Sogar im Vergleich mit preiswerteren Materialien haben sich Ferritkerne beim Einsatz in Saugkreisen bei Taktfrequenzen zwischen 2,5 kHz bis 25 kHz als ökonomischer erwiesen. Kornorientiertes Siliziumblech oder Eisenpulver verursachen wesentlich höhere Verluste durch den bedeutenden Anteil an taktfrequentem Strom. Eine thermische Überlastung ist die Folge. Ferritmaterialien sind zudem korrosionssicher, da es Oxide sind.

Durch eine entsprechende Auslegung der Drossel kann die geringe Sättigungsfestigkeit der Ferrite kompensiert werden, so dass diese etwa bis zum Doppelten des Bemessungsstroms reicht. Abbildung 2 zeigt die Sättigungskurve einer neuen EPCOS Saugkreisdrossel für 200 A.

Die EPCOS PFC-Drosseln eignen sich hervorragend für diese Applikation, da durch das geringe Volumen, spezielles Kernmaterial und den Einsatz einer HF-Litze als Wicklung nur geringe Verluste entstehen. Abbildung 3 zeigt das Prinzip der Überlagerung beider Drosselströme.

Abbildung 2: Sättigungskurve einer neuen EPCOS Saugkreisdrossel für 200 A


Dank Ferritkern ergibt sich selbst bei einer Verdopplung des Bemessungsstroms nur eine Verringerung der Induktivität um etwa 2 µH.

Leichte Aluminiumwicklungen sparen Kosten
Die Aluminiumwicklung dieser EPCOS Drosseln ist nicht nur kostengünstiger als Kupferlösungen, sondern spart auch Gewicht. Durch die Kombination von Aluminiumband und Kupferanschlusswinkeln wird der kritische Kontakt von Aluminium und Kupfer in den geschützten inneren Bereich der Spule verlegt. Eine Vakuumtränkung der Drossel mit hochwertigen Epoxydharzen sorgt dafür, dass der Kontaktbereich zwischen Kupfer und Aluminium vollständig vor Feuchtigkeit und Sauerstoff geschützt ist. Abbildung 3 zeigt die Dreiphasen-Ferritdrossel.

Abbildung 3: EPCOS Dreiphasen-Ferritdrossel für 130 A
Der Rahmen aus nichtrostendem Stahlblech verhindert Beschädigungen während des Transports und der Montage.

Ein lösemittelfreies hochwertiges Tränkharz verhindert über die gesamte Betriebsdauer das Auftreten von Rissen. Durch diese könnten Feuchtigkeit und Sauerstoff zu der Kontaktstelle vordringen und eine elektrolytische Korrosion hervorrufen. Anschlussschienen aus Kupfer unterbinden auch beim Einsatz unter Salzwassereinfluss eine elektrolytische Korrosion der Kontakte. Ein Rahmen aus nichtrostendem Stahlblech, der den gesamten Kern umschließt, sichert die Drossel beim Transport und der Montage. So wird das Risiko einer Beschädigung vor Inbetriebnahme minimiert. Da der Rahmen nicht magnetisch ist, treten zudem keine Verluste durch Streufelder auf.

Tabelle: Kenndaten EPCOS Dreiphasen-Ferritdrossel

Stromtragfähigkeit [A]130
Induktivität [µH]12
Prüfspannung [V AC]3000
Abmessungen [mm]200 × 150 × 220
Gewicht [kg]9
Max. Temperatur [°C]180

Die langjährige Erfahrung in der Entwicklung und Fertigung von EPCOS Dreiphasendrosseln mit Ferritkernen und Aluminiumbandwicklung ist in die Herstellung dieser neuen Drosseln eingeflossen; Drosseln, die verglichen mit anderen Lösungen den extrem harten Einsatzbedingungen von Windkraftanlagen widerstehen und zudem noch Kostenvorteile bieten.

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