Wie funktioniert der Übertemperaturschutz eines Mittelspannungswechselrichters?

Als Lieferant von Mittelspannungswechselrichtern wurde ich oft nach den Feinheiten der Funktionsweise des Übertemperaturschutzes dieser Geräte gefragt. In diesem Blog werde ich mich mit den Details dieser wichtigen Sicherheitsfunktion befassen, die Mittelspannungswechselrichter vor der Gefahr einer Überhitzung schützt.

Die Bedeutung des Übertemperaturschutzes

Mittelspannungswechselrichter sind Schlüsselkomponenten in vielen industriellen Anwendungen, vom Antrieb großer Motoren in Produktionsanlagen bis zur Steuerung der Drehzahl von Pumpen in Wasseraufbereitungsanlagen. Diese Wechselrichter wandeln Strom mit fester Frequenz und fester Spannung in Strom mit variabler Frequenz und variabler Spannung um. Bei diesem Vorgang entsteht eine erhebliche Menge Wärme. Übermäßige Hitze kann zu einer Vielzahl von Problemen führen, wie z. B. verringerter Effizienz, beschleunigter Komponentenalterung und sogar vollständigem Systemausfall. Ein Übertemperaturschutz ist daher unerlässlich, um den zuverlässigen und langfristigen Betrieb von Mittelspannungswechselrichtern zu gewährleisten.

Wärmeerzeugung in Mittelspannungswechselrichtern

Bevor Sie verstehen, wie der Übertemperaturschutz funktioniert, ist es wichtig zu wissen, woher die Wärme kommt. Bei einem Mittelspannungswechselrichter entsteht Wärme hauptsächlich in drei Hauptbereichen:

1. Leistungshalbleitergeräte: Sie sind das Herzstück des Wechselrichters und für die Umschaltung des elektrischen Stroms zuständig. Beim Ein- und Ausschalten dieser Geräte kommt es zu Leistungsverlusten in Form von Wärme. Beispielsweise werden in Mittelspannungswechselrichtern häufig Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) verwendet, deren Schalt- und Leitungsverluste erheblich zur gesamten Wärmeerzeugung beitragen.
2. Widerstände und Kondensatoren: Widerstände leiten Wärme aufgrund des durch sie fließenden Stroms gemäß der Formel (P = I^{2}R) ab, wobei (P) die Leistung (Wärme), (I) der Strom und (R) der Widerstand ist. Auch Kondensatoren erzeugen Wärme, insbesondere wenn sie hochfrequenten Strömen ausgesetzt sind.
3. Magnetische Komponenten: Transformatoren und Induktivitäten im Wechselrichter haben Kernverluste und Kupferverluste. Kernverluste entstehen durch das magnetische Wechselfeld im Kernmaterial, Kupferverluste entstehen durch den Widerstand der Wicklungsdrähte.

Erfassen der Temperatur

Der erste Schritt beim Übertemperaturschutz besteht darin, die Temperatur im Wechselrichter genau zu erfassen. Es gibt verschiedene Arten von Temperatursensoren, die üblicherweise verwendet werden:

1. Thermoelemente: Diese bestehen aus zwei verschiedenen Metallen, die an einem Ende miteinander verbunden sind. Wenn zwischen der Verbindungsstelle und dem anderen Ende ein Temperaturunterschied besteht, wird eine Spannung erzeugt. Thermoelemente sind robust und können einen weiten Temperaturbereich messen. Sie werden häufig zur Temperaturüberwachung von Hochleistungskomponenten im Wechselrichter eingesetzt.
2. Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs): RTDs funktionieren nach dem Prinzip, dass sich der Widerstand eines Metalls mit der Temperatur ändert. Aufgrund ihrer hohen Genauigkeit und Stabilität werden Platin-RTDs häufig verwendet. Sie werden typischerweise in der Nähe kritischer Komponenten platziert, um präzise Temperaturmessungen zu ermöglichen.
3. Thermistoren: Dies sind Halbleiterbauelemente, deren Widerstand sich mit der Temperatur erheblich ändert. Sie sind kostengünstig und verfügen über eine hohe Empfindlichkeit, wodurch sie sich für Anwendungen eignen, bei denen schnelle Temperaturänderungen erfasst werden müssen.

Schwellenwerteinstellung

Sobald die Temperatur erfasst wurde, besteht der nächste Schritt darin, sie mit einem voreingestellten Schwellenwert zu vergleichen. Der Schwellenwert wird anhand der maximalen Betriebstemperatur der Wechselrichterkomponenten bestimmt. Beispielsweise kann die maximale Sperrschichttemperatur eines IGBT bei etwa 125–150 °C liegen. Der Schwellenwert wird normalerweise etwas unterhalb dieses Maximalwerts festgelegt, um einen Sicherheitsspielraum zu bieten.

Wenn die gemessene Temperatur den Schwellenwert überschreitet, wird das Übertemperaturschutzsystem ausgelöst. Es gibt zwei Hauptschutzebenen:

1. Warnstufe: Wenn die Temperatur einen bestimmten Wert unterhalb der kritischen Schwelle erreicht, wird ein Warnsignal ausgegeben. Dies kann in Form einer visuellen Anzeige auf dem Bedienfeld des Wechselrichters oder eines Alarms erfolgen, der an ein Fernüberwachungssystem gesendet wird. In dieser Phase können Betreiber damit beginnen, vorbeugende Maßnahmen zu ergreifen, beispielsweise die Kühlrate zu erhöhen oder die Belastung des Wechselrichters zu reduzieren.
2. Reisestufe: Steigt die Temperatur weiter an und erreicht den kritischen Schwellenwert, schaltet der Wechselrichter ab. Dies bedeutet, dass der Wechselrichter den Betrieb stoppt, um eine Beschädigung der Komponenten zu verhindern. Die Auslösung ist eine letzte Maßnahme, um den Wechselrichter vor irreversiblen Schäden zu schützen.

Kühlsysteme und Übertemperaturschutz

Kühlsysteme spielen eine entscheidende Rolle bei der Vermeidung von Überhitzung in Mittelspannungswechselrichtern. Es gibt zwei Haupttypen von Kühlsystemen:

1. Luft - Kühlung: Bei luftgekühlten Wechselrichtern werden Lüfter verwendet, um Luft über die wärmeerzeugenden Komponenten zu blasen. Die Luft nimmt die Wärme auf und transportiert sie vom Wechselrichter ab. Die Effizienz der Luftkühlung hängt von Faktoren wie der Luftströmungsrate, der Temperatur der einströmenden Luft und der Gestaltung der Kühlkörper ab. Einige fortschrittliche Luftkühlungssysteme verwenden Lüfter mit variabler Geschwindigkeit, die den Luftstrom basierend auf der Temperatur im Wechselrichter anpassen können.
2. Flüssigkeit – Kühlung: Flüssigkeitsgekühlte Wechselrichter verwenden ein Kühlmittel wie Wasser oder eine Wasser-Glykol-Mischung, um Wärme von den Komponenten abzuleiten. Das Kühlmittel zirkuliert durch Rohre oder Kanäle in Kontakt mit den wärmeerzeugenden Bauteilen und nimmt die Wärme auf. Das erhitzte Kühlmittel wird dann zu einem Wärmetauscher gepumpt, wo es die Wärme an die Umgebung abgibt. Flüssigkeitskühlung ist effizienter als Luftkühlung, insbesondere bei Hochleistungswechselrichtern.

Das Übertemperaturschutzsystem ist eng mit dem Kühlsystem integriert. Steigt die Temperatur, kann das Kühlsystem angepasst werden, um die Kühlleistung zu erhöhen. Beispielsweise kann in einem flüssigkeitsgekühlten System die Durchflussrate des Kühlmittels erhöht werden, oder in einem luftgekühlten System kann die Lüftergeschwindigkeit erhöht werden.

Erweiterte Übertemperaturschutzfunktionen

Zusätzlich zur grundlegenden Temperaturmessung und dem schwellwertbasierten Schutz verfügen moderne Mittelspannungswechselrichter häufig über erweiterte Funktionen zur Verbesserung des Übertemperaturschutzes:

1. Vorausschauende Wartung: Durch die Analyse der Temperaturtrends im Zeitverlauf kann der Wechselrichter vorhersagen, wann eine Komponente wahrscheinlich überhitzt. Dies ermöglicht es dem Bediener, Wartungsaufgaben wie den Austausch verschlissener Komponenten oder die Reinigung des Kühlsystems durchzuführen, bevor es zu einem Ausfall kommt.
2. Redundanz: Einige High-End-Wechselrichter verfügen über redundante Temperatursensoren und Kühlsysteme. Wenn ein Sensor ausfällt oder ein Kühlsystem ausfällt, kann das Backup-System dennoch Schutz bieten und eine Überhitzung verhindern.

Auswirkungen auf industrielle Anwendungen

Der ordnungsgemäße Betrieb des Übertemperaturschutzes in Mittelspannungswechselrichtern hat erhebliche Auswirkungen auf industrielle Anwendungen. In einer Produktionsanlage kann ein Wechselrichterausfall aufgrund von Überhitzung zu Produktionsausfällen führen, die erhebliche finanzielle Verluste nach sich ziehen können. In einer Wasseraufbereitungsanlage kann ein defekter Wechselrichter die Wasserversorgung und den Aufbereitungsprozess stören und die Wasserqualität beeinträchtigen.

Daher ist es für die Industrie von entscheidender Bedeutung, Mittelspannungswechselrichter mit zuverlässigen Übertemperaturschutzsystemen zu wählen. Als Lieferant stellen wir sicher, dass unsere Wechselrichter mit modernsten Temperatursensor- und Schutztechnologien ausgestattet sind, um den anspruchsvollen Anforderungen verschiedener Industrieanwendungen gerecht zu werden.

Verwandte Produkte und ihre Rolle

Bei der Betrachtung des Gesamtsystems eines Mittelspannungswechselrichters können mehrere verwandte Produkte zu seinem sicheren und effizienten Betrieb beitragen. Zum Beispiel einIsolationstransformatorkann für eine elektrische Isolierung zwischen Eingang und Ausgang des Wechselrichters sorgen, wodurch das Risiko elektrischer Störungen verringert und die Sicherheit des Systems verbessert wird.

AFrequenzumrichter für Lüfter und PumpenIn Verbindung mit dem Mittelspannungswechselrichter kann die Drehzahl von Ventilatoren und Pumpen präziser gesteuert werden. Dies kann dazu beitragen, den Energieverbrauch zu optimieren und die Wärmeentwicklung im System zu reduzieren.

AFehlerstromschutzschalter mit geformtem Gehäuse, 3Pkann den Wechselrichter vor elektrischen Störungen wie Kurzschlüssen und Erdschlüssen schützen, die ebenfalls zur Überhitzung beitragen können.

Abschluss

Der Übertemperaturschutz eines Mittelspannungswechselrichters ist ein komplexes, aber wesentliches System, das den zuverlässigen und sicheren Betrieb dieser kritischen Industriekomponenten gewährleistet. Durch genaue Erfassung der Temperatur, Einstellung geeigneter Schwellenwerte und Integration in wirksame Kühlsysteme kann das Übertemperaturschutzsystem eine Überhitzung verhindern und die Lebensdauer des Wechselrichters verlängern.

Wenn Sie auf der Suche nach einem Mittelspannungswechselrichter sind oder weitere Informationen zum Übertemperaturschutz benötigen, laden wir Sie ein, mit uns für ein ausführliches Gespräch Kontakt aufzunehmen. Unser Expertenteam kann Ihnen bei der Auswahl des richtigen Wechselrichters für Ihre spezifische Anwendung helfen und sicherstellen, dass er mit den besten Übertemperaturschutzfunktionen seiner Klasse ausgestattet ist.

Referenzen

1. „Leistungselektronik: Wandler, Anwendungen und Design“ von Ned Mohan, Tore M. Undeland und William P. Robbins.
2. Herstellerhandbücher und technische Dokumente für Mittelspannungswechselrichter.
3. Industriestandards und Richtlinien für elektrische Geräte und Schutzsysteme.