EMV-Bauelemente Wie man elektromagnetische Störungen in Windkraftanlagen wirksam verhindert

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. Wir verraten Ihnen, wie sich mit geeigneten Bauelementen eine störungsfreie Netzanbindung realisieren lässt.

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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.

Hohe Schaltfrequenzen verursachen hohe Störungen

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

Näher am Sinus dank Netzdrosseln am Ausgang

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. 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.

Saugkreis bedämpft Taktfrequenz

Abhilfe schafft eine Saugkreislösung mit den kombinierten Drosseln L4 bis L6, die mit EPCOS-Leistungskondensatoren der Baureihen B3236* oder B2536* in Serie geschaltet sind (Bild 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.

Ferritkerne bringen Vorteile

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.

Korrosionssichere Ferritmaterialien

Sogar im Vergleich mit preiswerteren Materialien haben sich Ferritkerne beim Einsatz in Saugkreisen bei Taktfrequenzen zwischen 2,5 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. Bild 2 zeigt die Sättigungskurve einer neuen EPCOS-Saugkreisdrossel für 200 A.

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