Induktive Bauelemente Effizientere Solarwechselrichter

Bild 1: Stromkompensierte Funkentstördrosseln sind die erste Wahl für EMV-Filter auf der Netzseite wie auch am Wechselrichtereingang
Bild 1: Stromkompensierte Funkentstördrosseln sind die erste Wahl für EMV-Filter auf der Netzseite wie auch am Wechselrichtereingang

Verschiedene induktive Bauelemente sind Kernbestandteile von Solarwechselrichtern, beispielsweise Funkentstördrosseln, Leistungsübertrager sowie Ansteuerübertrager. Für all diese unterschiedlichen Anwendungsbereiche sind spezielle Werkstoffe nötig, um die Effizienz des Gesamtsystems möglichst zu maximieren.

Moderne Solarwechselrichter müssen höchst zuverlässig sein, extrem genau arbeiten und über eine ausgeprägte Kosten- und Energieeffizienz verfügen. Für die verschiedenen induktiven Bauelemente in solchen Systemen hat die Vacuumschmelze (VAC) verschiedene nanokristalline Werkstoffe im Portfolio. Stromkompensierte Funkentstör-drosseln (Bild 1) mit nanokristallinen Ringbandkernen eignen sich gleichermaßen für niedrige Betriebsströme von wenigen Ampere bis zu hohen Betriebsströmen von über 800 A.

Geeignete Drosseln von VAC gibt es sowohl für den Betrieb direkt am Niederspannungsnetz als auch für den Betrieb unter hohen DC-Spannungen von bis zu 1000 V. Dadurch sind diese die erste Wahl für EMV-Filter auf der Netzseite als auch panelseitig am Wechselrichtereingang. Es lassen sich besonders kleine und leistungsfähige EMV-Filter mit guten Langzeiteigenschaften und hoher Temperaturkonstanz bauen, um die Zuverlässigkeit zu verbessern und den Wirkungsgrad zu steigern.

Neben einer umfangreichen Typenreihe von 2-fach-, 3-fach- und 4-fach-Drosseln bietet das Unternehmen neuerdings auch individuell dimensionierte Hochstromdrosseln oder Kernbaugruppen (als Einleiterdrosseln) für Zentralwechselrichter an. Die Übertrager für die IGBT-Ansteuerung in PV-Wechselrichtern (Bild 2) zeichnen sich durch geringe Empfindlichkeit über einen Temperaturbereich von -40 °C bis +105 °C und geringe Streuinduktivität für präzise Impulsübertragung aus.

Als weiteres besonderes Merkmal ihrer Übertrager sieht die VAC die geringe Baugröße, da Kerne zum Einsatz kommen, die sich im Vergleich zu Ferriten dreimal höher magnetisch aussteuern lassen. Die Übertrager sind 100% hochspannungsgeprüft, die Prüfung der Teilentladung erfolgt nach internationalen Normen. Darüber hinaus zeichnen sich die Übertrager durch eine hohe Isolationsfestigkeit aus, beispielsweise nach EN 50178, IEC 62109 oder IEC 61800-5-1. Leistungsübertrager für PV-Wechselrichter sind mit nanokristallinen Ringkernen aufgebaut.

Durch im Vergleich zu Ferriten wesentlich höhere Sättigungsinduktion von 1,2 T (Tesla) in Verbindung mit niedrigen Ummagnetisierungsverlusten bieten sich Vorteile: niedrigeres Gewicht, kleineres Volumen, erhöhter Wirkungsgrad und ein erweiterter Einsatztemperaturbereich (bis +120 °C). Leistungsübertrager werden überwiegend kundenspezifisch ausgelegt. Ringbandkerne der VAC bestehen aus dem nanokristallinen Werkstoff »Vitroperm«.

Für Schaltfrequenzen von etwa 5 kHz bis 50 kHz lassen sich kompakte Kilowatt-Übertrager nach dem Gegentaktprinzip aufbauen. Bei diesen Ringbandkernen ist die Permeabilität nur wenig temperaturabhängig. Für alternative Übertragerdesigns bietet die VAC Schnittbandkerne ebenfalls aus Vitroperm an (Bild 3). Mit einer geringfügigen Scherung durch einen kleinen Luftspalt kann die effektive Permeabilität abgesenkt werden, sodass auch DC-Spannungspegel nicht zu einer Sättigung des Kerns führen. Die rechteckige Ausführung der Kerne eignet sich für Spulenkörpermontage und Bewicklung mit Kupferfolie.

Strom messen

Stromsensoren erfüllen in Solarwechselrichtern verschiedene Aufgaben (Bild 4). Sie überwachen zum Beispiel den Ausgangswechselstrom, der in das Stromnetz eingespeist wird, und dessen Gleichstromanteil.

Die Stromsensoren arbeiten mit einer von VAC entwickelten amorphen Magnetfeldsonde und heben sich von den herkömmlichen Hallelement-Kompensationssensoren durch eine Reihe von Vorteilen ab, unter anderem etwa durch einen sehr kleinen Offset-Strom und eine kaum messbare Langzeitdrift.

Da der Offsetstrom nahezu unabhängig von der Temperatur ist, arbeiten die Stromsensoren unter verschiedensten Einsatz- und Betriebs-bedingungen überaus genau und gewährleisten zuverlässige Messwerte.

Die neue Familie allstromsensitiver Differenzstromsensoren (DI-Sensoren) stellt das Herzstück einer Fehlerstromüberwachungseinheit nach IEC 62109 oder UL 1741 dar (Bild 5).

Der Betriebsstrom in Hin- und Rückleiter sowie gegebenenfalls eine Prüfstromleitung werden durch den Sensor geschleift. Somit erfasst dieser nur die Stromdifferenz, also den Fehlerstrom, und erzeugt eine proportionale Ausgangsspannung.

Die neuen Sensoren verfügen über Zusatzfunktionen wie die Entmagnetisierung des Sensorkerns nach dem Einschalten der Stromversorgung und auf Anforderung.

Darüber hinaus sind eine Selbstüberwachung mit Fehlersignalisierung bei Defekten an der Magnetsonde, an der Kompensationsspule oder bei zu niedriger Versorgungsspannung möglich, außerdem eine Selbstüberprüfung durch einen intern erzeugten Teststrom.