Integrierte Leistungsfilter in Umrichterkonzepten

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ET System electronic GmbH

SCHURTER AG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

SEMIKRON International GmbH

Kühlflüssigkeit absorbiert Verlustwärme fast vollständig

Abgesehen von der geringeren mechanischen Dimensionierung hat die integrierte Flüssigkeitskühlung einen weiteren Vorteil für das System: die Leistungsverluste werden nahezu komplett von der Kühlflüssigkeit aufgenommen. Notwendige Maßnahmen zur Minimierung der Wärmeverlustleistung im Umrichter entfallen im Normalfall. Typische Leistungsverluste werden für LC-Filter mit 0,2 bis 0,65% und für LCL-Filter mit 0,5 bis 0,8% der Durchgangsleistung angegeben und bestehen im Prinzip aus Kern- und Wicklungsverlusten.

Leistungsverluste in den Wicklungen setzen sich aus DC-Verlusten und Verlusten bei höheren Frequenzen durch wicklungsbedingte Skin- und Proximity-Effekte zusammen. Die Hochfrequenzverluste lassen sich durch neuartige Wicklungskonzepte und eine sorgfältig optimierte Auslegung des Umrichters kompensieren. Verluste im Kern bestehen prinzipiell aus Last- und Schaltverlusten im Kernmaterial und lassen sich durch die Auswahl des geeigneten Materials bei gleichzeitig optimaler Bauweise minimieren. Aufgrund der beschriebenen Wicklungstechnologie ist der Kern in Nidecon-Filtern erheblich kleiner als in herkömmlichen Filtern.

Zunehmend leistungsfähigere Halbleiterchips ermöglichen den Betrieb vonFrequenzumrichtern bei immer höheren Schaltfrequenzen. Hohe Schaltfrequenzen bewirken bei traditionellen Netzfilternjedoch auch eine Erhöhung der Verluste.Bei den neuen Filtern des Herstellers Nidecon sinken die Verluste mit steigender Frequenz.

Eine hohe Durchflussleistung und Verlustdichte führt bei der Verwendung von herkömmlichen Netzfiltern schnell zu hohen Temperaturen in den Einzelkomponenten. Sinn und Zweck eines Filters mit Flüssigkeitskühlung ist es, die Verluste über die Kühlflüssigkeit abzuführen, die aber im Normalfall nur 60% der Verlustleistung absorbiert, die restlichen 40% werden mit der Innenluft im Schaltschrank umgewälzt. Daher sind weitere Maßnahmen zur Kühlung des Schaltschrank-Innenraums erforderlich.

Häufig ist die Ausgangsleistung des Umrichters bei hohen Umgebungstemperaturen wegen einer Überhitzung der Drosseln zu reduzieren. Mit der integrierten Flüssigkühlung kann die entstehende Verlustwärme zu 90 bis 95% über die Kühlflüssigkeit abgeführt werden, die verbleibende Wärmeströmung im Schaltschrank ist nur noch minimal. Niedrige Temperaturen wirken sich nicht nur positiv auf die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Filters aus, sondern auch auf alle anderen Komponenten im Schaltschrank und sorgen darüber hinaus für eine höhere Lebensdauer des Isoliermaterials sowie die Eindämmung von Hotspots.

Standardfilter von Nidecon entsprechen der ISO-Klasse F. Durch das besondere Kühlkonzept sind diese Filter überall dort eingesetzt werden, wo Temperaturen geregelt und niedrig gehalten werden müssen.

Aufgrund der kompakten Größe bieten Nidecon-Filter auch Vorteile in punkto Korrosionsschutz, denn sie haben nur wenig Angriffsfläche. Bei herkömmlichen Filtern mit laminierten Kernen sind korrosive Schäden entlang der Laminierung zwischen den Isolierschichten möglich. Die Entstehung solcher Schäden wird durch das Kernmaterial der Nidecon-Filter weitgehend verhindert.

Üblicherweise braucht ein herkömmlicher LC-Filter einen separaten Montageplatz bzw. eine eigene Einbauzelle im Frequenzumrichter. Alternativ kann der LC-Filter auch aufgeteilt werden, sodass ein Teil des Induktors als separate Komponente außerhalb des Schaltschranks steht, während die Kondensatoren und übrigen Induktoren an geeigneten Montageplätzen im Schaltschrank integriert sind. Hierbei sind zusätzliche Durchführungen für das Flüssigkühlsystem und die elektrischen Anschlüsse zwischen den einzelnen Montagebereichen notwendig. Der somit größere Schaltschrank erfordert auch eine größere Dimensionierung der gesamten Aufstellfläche des Systems.

Dieselben Kühlanschlüsse für Filter und Umrichtermodul

Die kompakte Konstruktion und Dimensionierungsflexibilität von Nidecon-Filtern (LC, LCL & dU/dt) ermöglicht die Installation in ein- und demselben Aufbau. Alle nötigen Anschlussleitungen sind kurz, was wiederum Platz spart. Aufgrund seiner geringen Größe kann der Filter in ein einziges Umrichtermodul bzw. eine Umrichterzelle integriert werden. Filter und Umrichtermodul nutzen dieselben Kühlanschlüsse, somit sind zusätzliche Durchführungen überflüssig. Die Systemtopologie ist somit sehr einfach.

Durch die modulare Bauweise sind die Nidecon-Filter in ihren Abmessungen flexibel und lassen sich deshalb an den verfügbaren Platz im Umrichterschaltschrank anpassen. Der Einbau ist horizontal oder vertikal möglich. Derart geometrisch flexibel ist der Platzbedarf des Filters bei der Konstruktion des Schaltschranks nicht im Besonderen zu berücksichtigen.

Semikron-Leistungsaufbauten werden standardmäßig mit Nidecon-Filtern bestückt, deren Dimensionen von vorneherein exakt definiert sind. Dadurch kann die Größe des Schaltschrankes optimiert werden und der Kunden braucht in seiner Planung nur den Platz für den Schaltschrank berücksichtigen.

Nidecon-Filter sind für den direkten Einbau im Umrichtermodul konzipiert. Ein Kosteneinsparungspotenzial ist auch durch die Kürze der Kupferanschlussschienen gegeben, da aufwändige horizontale Schienen entfallen und nur wenige Anschlüsse notwendig sind. Die Montage ist unkompliziert. Der Isolieraufwand für die kurzen Schienen ist gering, zumal auch keine Durchführungen vorhanden sind. Aufgrund der Kürze der Anschlussschienen hält sich die mechanische Beanspruchung des Filters durch Vibrationen in Grenzen, was wiederum die Zuverlässigkeit erhöht.

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