Mittelspannungs-Antriebe und HGÜ-Netze Die Zukunft von Thyristoren und Dioden

Thyristoren und Dioden im heutigen und zukünftigen Einsatz.

Vor allem durch ihre hohe Zuverlässigkeit und ihre geringen Verluste punkten Thyristoren und Dioden. Darum sind sie noch immer bedeutende Bausteine, zum Beispiel für Mittelspannungs-Antriebe oder für moderne Stromübertragungs-Anlagen. Ein Überblick über den heutigen und zukünftigen Einsatz.

Wo überall werden Thyristoren und Dioden benötigt? Zuerst einmal sind da die Mittelspannungs-Antriebe wie Stromzwischenkreis-Umrichter und Spannungszwischenkreis-Umrichter zu nennen.

Stromzwischenkreis-Umrichter bestehen aus der Hintereinanderschaltung eines netzgeführten Gleichrichters und eines lastgeführten Wechselrichters mit einer Synchronmaschine als Last. Im Allgemeinen wird im Gleichstromzwischenkreis eine Glättungsinduktivität vorgesehen, die den netzseitigen Stromrichter vom lastseitigen energetisch entkoppelt.

Stromzwischenkreis-Umrichter haben ihre höchste Leistungsdichte bei sehr niedrigen Verlusten. Daher kommen diese Umrichter, realisiert durch moderne Thyristoren, bei vielen Anwendungen zum Einsatz, zum Beispiel bei Schiffsantrieben, Kompressoren zur Gasverflüssigung oder Öl- und Gaspumpen.

Aktuelle Stromzwischenkreis-Umrichter stellen bis 100 MW Leistung in wassergekühlter Ausführung zur Verfügung. Auch Motorstromfrequenzen bis 150 Hz sind durch speziell eingestellte Thyristoren realisierbar.

Spannungszwischenkreis-Umrichter werden bis zu Leistungen von 40 MW als Einzel-Umrichter angeboten. Auch dieser Umrichter besteht im Prinzip aus der Hintereinanderschaltung eines Gleichrichters, meist als ungesteuerter Dioden-Gleichrichter ausgeführt, und einem Wechselrichter mit abschaltbarem Halbleiter. Als abschaltbare Halbleiter im Wechselrichter werden bei diesen Leistungen IGCTs oder Press Pack IGBTs (PPI) eingesetzt. Beide Bauelemente benötigen Freilaufdioden, die meistens als externes Bauteil ausgeführt werden. Der Vorteil solcher Umrichter besteht in der hohen Überlastfähigkeit, sodass sie auch in Walzwerksantrieben, Pumpen und Schiffsantrieben zum Einsatz kommen.

Hochspannungsgleichstrom-Übertragung

Um die wirtschaftliche Übertragung großer Mengen an elektrischer Energie von Stromerzeugungszentren zu Lastzentren zu ermöglichen, hat sich die Hochspannungsgleichstrom-Übertragung (HGÜ) unter Verwendung von netzgeführten Umrichtern (LCC) als die bevorzugte Technologie etabliert.

Obwohl in den letzten Jahren selbstgeführte Umrichter (VSC) mit IGBT zunehmend an Bedeutung gewonnen haben, werden Thyristoren immer noch für Anwendungen eingesetzt, bei denen besonders hohe Spannungen und Stromstärken gesteuert werden müssen. Das liegt an der geringeren Verlustleistung dieser Leistungshalbleiter in Bezug auf Durchlassverluste und symmetrische Sperrfähigkeit. Ab einer gewissen Länge der Übertragungsstrecke ist die Gleichstrom-übertragung bedingt durch die geringeren Verluste wirtschaftlicher als die Wechselstromübertragung (Bild 1).

Netzgeführte Umrichter

Bereits 1970 wurden HGÜ-Anlagen mit Thyristoren ausgestattet. Die damaligen Thyristoren hatten eine Sperrfähigkeit von 1,65 kV und eine Stromtragfähigkeit von 500 A. In modernen Ultra-Hochspannungsgleichstrom-Übertragungen (UHGÜ) kommen Thyristoren mit einer Sperrfähigkeit von bis zu 9,5 kV und einer Stromtragfähigkeit von 4000 A zum Einsatz. Heutige UHGÜ-Anlagen können bei einer DC-Spannung von ±1100 kV Leistungen bis 12 GW übertragen [1].

Durch den Einsatz von Thyristoren sind Filter notwendig, um die Oberwellenbelastung zu minimieren. Die Filter machen einen großen Teil des Platzbedarfs der HGÜ-Anlage aus. Für den Betrieb von netzgeführten HGÜ-Anlagen wird immer ein bestehendes Netz benötigt, um die Kommutierungsenergie zur Verfügung zu stellen. Das heißt, Inselnetze oder Verbindungen von Offshore-Windkraftanlagen sind nur schwierig realisierbar.

Selbstgeführte Umrichter

Durch den Einsatz von Spannungszwischenkreis-Umrichtern in der HGÜ konnten auch neue Projekte wie zum Beispiel die Anbindung von Offshore-Windparks oder die Versorgung von Inseln ohne eigene Energieversorgung durch HGÜ-Leitungen realisiert werden. Als Schalter in solchen Umrichtern dienen IGBTs in verschiedenen Bauformen, als Module oder als druckkontaktiertes Bauteil (PPI).

Als Freilaufdioden werden interne Chipdioden oder spezielle, weich schaltende Dioden für hohe Leistungen in Druckkontaktausführung verwendet. Die Vorteile der externen, druckkontaktierten Dioden liegen dabei in der Größenskalierbarkeit je nach Strombelastung sowie beim Verhalten im Fehlerfall. Bei ihnen kommt es im Fehlerfall immer zu einem Kurzschluss zwischen Anode und Kathode. Dieses Short-on-Fail-Verhalten trägt zu einem verbesserten Schutzkonzept der Anlagen bei.