Wärmemanagement Integrierte Leistungsfilter in Umrichterkonzepten

Leistungsaufbauten von Semikron werden jetzt standardmäßig mit Nidecon-Filtern bestückt. Sie sind 35 bis 50% kleiner als traditionelle Filter und entziehen per Flüssigkühlung bis zu 95% der Verlustwärme.

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ET System electronic GmbH

SCHURTER AG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

SEMIKRON International GmbH

Filter in modernen Stromwandlern sind kritische Komponenten, die bei traditionellen Antrieben und zunehmend auch bei Systemen zur Energiegewinnung aus alternativen Quellen verwendet werden. Immer häufiger regeln bei diesen Anwendungen Stromrichter den Leistungsbedarf und wandeln Energie aus unterschiedlichen Quellen in eine für das vorhandene Netz kompatible Form um. Aufgabe des Leistungsfilters ist dabei, die Qualität der Netzspannung abzusichern und harmonische Oberschwingungen im Stromnetz gering zu halten. Zudem fungiert der Leistungsfilter als Energiespeicher.

Durch hochmoderne Qualitätsfilter kann die Ausgangsleistung von Frequenzumrichtern erheblich verbessert werden. Als Qualitätsfilter werden unter anderem LC-, LCL- und dU/dt-Filter bezeichnet. Ein LCL-Filter, der zwischen den Phasenanschluss der Umrichtereinheit und das Netz geschaltet wird, bereitet den Strom je nach Netzanforderung auf.

Ein zwischen Umrichterausgang und Generator bzw. Motor integrierter dU/dt-Filter reduziert Verluste durch Überspannungen und Gleichtaktströme. Die Produktpalette des Herstellers Nidecon umfasst luft- und flüssiggekühlte LC-, LCL- und dU/dt-Filter für ein Stromspektrum bis 2000 A.

Wie sich die Leistungsdichte erhöhen lässt

Der Trend zu höherer Leistung bei gleichzeitig reduzierter Baugröße gilt auch für Stromrichter. Da induktive Komponenten Energiespeicher sind, ist ihr Platzbedarf im Schaltschrank der Umrichtereinheit verhältnismäßig hoch. Um die Leistungsdichte des Stromrichters zu erhöhen, ist die Größe des Leistungsfilters zu reduzieren.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Größe eines Leistungssystems zu verändern, z.B. durch Erhöhung der Packdichte, Optimierung der Bauweise der Filterkomponenten oder Absenken der Induktivität des Filters bei höheren Schaltfrequenzen. Eine geringere Induktivität verkleinert automatisch den notwendigen Filter.

Ihre hohe Leistungsdichte verdanken Nidecon-Filter dem Konzept der integrierten Kühlung, bei dem die Entstehung von Hotspots durch Luftkühlung der Wicklungen aktiv vermieden und der Filterkern über ein integriertes Röhrensystem flüssiggekühlt wird. Das neuartige Wicklungskonzept dient der Größenoptimierung von Nidecon-Filtern. Eine geringere Bauhöhe bedeutet gleichzeitig eine signifikante Gewichtsreduzierung im Vergleich zu herkömmlichen Filtern. Hierdurch ist wiederum ein Kosteneinsparungspotenzial gegeben, denn durch das geringere Gewicht werden auch die Material- und Logistikkosten gesenkt.

Bei der luftgekühlten Variante wird der Filter aufgrund des neuartigen Wicklungskonzepts von Luft-kanälen durchzogen, die wegen ihrer Kühlwirkung die Entstehung von Hotspots effektiv vermeiden (Bild 2).

Bei herkömmlichen Komponenten können trotz der oberflächlichen Flüssigkeits- oder Luftkühlung lokale Hotspots im Inneren des Transformators entstehen. So sind z.B. bei foliengewickelten Transformatoren versteckte Hotspots in der Wicklungsstruktur möglich, die einen Isolationsfehler verursachen. In den Luftspalten des Kerns können aufgrund des auf die Kernschichten einwirkenden magnetischen Streuflusses punktuell hohe Verlustleistungen entstehen. Es kommt an einzelnen Stellen zu einem hohen Temperaturanstieg, der einen Ausfall der Isolierung nach sich zieht.

Mit Nidecon-Lösungen entstehen diese Probleme nicht. Bei der integrierten Flüssigkeitskühlung verläuft das Kühlsystem nicht außerhalb des Transformators; vielmehr wird das Innere des Transformatorkerns von Kühlröhren durchzogen. Auch dadurch wird der Filter kleiner (Bild 3). Separate Lüfter sind wegen des effizienten Kühlsystems verzichtbar, ein weiterer platzsparender Aspekt. Obwohl kleiner und leichter als herkömmliche Filter, erzielen Nidecon-Filter eine mindestens gleichwertige Ausgangsleistung. Die Größenoptimierung geht also nicht zu Lasten der Leistung.

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