Worauf es bei Widerständen und Kondensatoren für Windkraftanlagen ankommt

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Zerhackerwiderstände müssen hohe Spannungen vertragen

Der Gleichstromstellerwiderstand begrenzt den Strom, wenn der Gleichstromsteller eingeschaltet wird. Der Zerhacker wird in der Regel mit hoher Frequenz ein- und ausgeschaltet, um die Gleichspannung zu regeln. Deshalb muss der Widerstand für hohe Spannungen und hohe periodische Nennimpulsenergien und damit für eine hohe Dauernennleistung ausgelegt sein. Eine niedrige Induktivität des Zerhackerwiderstands ist aufgrund der hohen Schaltfrequenz im Kilohertzbereich ein Muss und lässt sich mit Hilfe der Dickfilmtechnik erreichen. Angesichts der Erfordernis einer hohen Nennleistung bei kompakter Bauform kann der resultierenden hohen Leistungsdichte durch die Verwendung kühlkörpergeeigneter Widerstände Rechnung getragen werden. Der Widerstand kann auf dem gleichen Kühlkörper montiert werden wie der Zerhackerschalter.

Energieimpulsverträgliche Crowbar-Widerstände

Der Crowbar-Widerstand begrenzt den Strom und die Spannung z.B. zur Überbrückung einer Unter- oder Überspannung. Typische Nennwerte für solche Geräte in Windkraftanlagen sind eine hohe Energieimpulsverträglichkeit bis 4 MJ, ein Widerstandswert von 10 bis 100 mΩ, eine Nennleistung von 1 bis 20 MW und ein Nennstrom im Bereich zwischen 10 und 20 kA für die typischen Fehlerüberbrückungsperioden von 200 ms.

RC-Filter aus Netzfilterwiderstand und Netzfilterkondensator

Der Netzfilterwiderstand bildet gemeinsam mit dem Netzfilterkondensator RC-Filter. In Zusammenwirkung mit der Induktivität des Ausgangstransformators können beide auch RL-Filter bilden. Eine hohe Dauernennleistung des Netzfilterwiderstands ist unverzichtbar. Eine Rillenbandkonstruktion fördert die rasche Kühlung, während die Induktivität des Drahtwiderstands die Filterwirkung günstig beeinflussen kann.

Niederohmige Strommesswiderstände

Der Strommesswiderstand dient zur Strommessung bei Tests. Typische Anforderungen sind ein Nennstrom von 800 A bis 900 A, ein Widerstand von 0,1 bis 0,6 mΩ, eine Nennleistung von 500 W und ein Temperaturkoeffizient von 100 ppm/K.

Kondensatoren in Windkraftanlagen

Als Kondensatoren kommen in Windkraftanlagen Zwischenkreis-, Überspannungsschutz- und Netzfilterkondensatoren zum Einsatz. Der Zwischenkreiskondensator dient zur Spannungsstabilisierung im Gleichstromzwischenkreis. Ob als Film- oder in Aluminium-Elektrolytkondensator – der Gleichstromzwischenkreiskondensator einer Windturbine erfordert eine Kapazitanz von 3300 bis 4700 µF und eine hohe Nennspannung von 690 bis 1000 V. Filmkondensatoren bieten in Windturbinen zwei große Vorteile: Der „Selbstheilungseffekt“ nach einem elektrischen Durchschlag des Dielektrikums und die Abwesenheit flüssigen Elektrolyts, der aufgrund des allmählichen Schwunds die Standzeit der Komponente beeinträchtigen würde.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren bieten ein hohes C/V-Verhältnis

Aluminium-Elektrolytkondensatoren können auch als Zwischenkreiskondensatoren eingesetzt werden. Ihr Vorteil liegt darin, dass sie eine wesentlich höhere Kapazitanz je Volumeneinheit [C/V] sowie ein günstigeres Kapazität-Preis-Verhältnis haben als Filmkondensatoren. Bei Elkos ist die Nennspannung allerdings auf 450 V begrenzt. Deshalb müssen Elkos als Spannungsteiler angeordnet werden, wodurch der effektive C/V-Wert sinkt und die Kosten steigen. Der Mangel an einem Selbstheilungsmechanismus bei Spannungsüberbeanspruchung und die begrenzte Standzeit aufgrund des Elektrolytschwunds sind ebenfalls Nachteile. Andererseits sind Aluminium-Elektrolytkondensatoren häufig eine gute Wahl für kleine Windkraftanlagen im Kilowattbereich.

Überspannungsschutzkondensatoren schützen Halbleiter

Die Überspannungsschutzkondensatoren reduzieren Spannungs- und Stromspitzen in Halbleiter-Leistungsschaltungen (z. B. IGBTs). Sie schützen dadurch die Halbleiterbauelemente und reduzieren die Gesamtverluste wie auch elektromagnetische Störungen. Windturbinen erfordern aufgrund ihrer hohen Schaltfrequenz Kondensatoren mit einer Kapazitanz von weniger als 1 µF sowie eine hohe Nennspannung von 1000 bis 1200 V.

Gedämpfte Oberschwingungen dank Netzfilterkondensatoren

Der Netzfilterkondensator reduziert Oberschwingungen der Netzfrequenz. Typische Sollwerte sind ein Spannungsbereich von 760 bis 24 kV und eine Leistung zwischen 50 kund 800 kVAr.

Auf robuste Bauart und zuverlässigen Betrieb kommt es an

Bei der Wahl wichtiger Komponenten für diese Turbinen – von Zwischenkreis-, Überspannungsschutz- und Netzfilterkondensatoren bis zu Vorlade-, Zerhacker- und Crowbar-Widerständen – sollte der Konstrukteur sich nicht auf die Nenndaten beschränken, sondern auch auf eine robuste Bauart achten, um den zuverlässigen Betrieb für die lange Turbinenstandzeit von etwa 20 Jahren sicherzustellen.

* * Bertram Schott ist Mitarbeiter bei Vishay

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