Belüftung und Kühlung von Schaltschränken mit CFD

Die Stromproduktion aus Windkraftanlagen und aus Photovoltaik, das Laden von Elektroautos, sowie die Stromversorgung und Steuerung von Lokomotiven benötigen stets Konvertierung zwischen Gleichströmen und Wechselströmen. Die Gleichrichter und Wechselrichter werden mit ohmschen, kapazitiven und induktiven Bauelementen in Schränken zusammengebaut. Batteriespeicher können im unteren Bereich des Schranks Platz finden.

Ladesäule für Elektrofahrzeuge

80 % der Elektroautos wurden im Jahr 2021 zuhause oder bei der Arbeit aus der herkömmlichen Steckdose mit Hilfe eines AC-DC Wandlers geladen. Schnellladestationen sind für längere Strecken ausgelegt, damit Elektrofahrzeuge in kurzer Zeit mit hoher Leistung aufladen werden können. Die neuen Autos müssen sehr schnell geladen werden und die entsprechenden Ladeninfrastrukturen müssen flächendeckend verfügbar sein. Ladesäulen sind auf der Eingangsseite mit 220 V Wechselstrom versorgt; eine Versorgung mit einer höheren Spannung wie 690 V oder 800 V Wechselstrom wäre sinnvoller, aber dafür müssten extra Leitungen gebaut und genehmigt werden. Eine wesentliche Aufgabe der Ladessäule ist es also, die Spannung zu erhöhen. Die Silicon Carbide (SiC) MOSFET haben die IGBT weitgehend ersetzt, weil sie höhere Schaltgeschwindigkeiten und niedrigere Schaltverluste aufweisen. Mehrere Lademodule können in einem Schrank zusammengebaut werden, um mehrere PKWs gleichzeitig zu versorgen.

Filter im Schaltschrankaufbau

Wartungsfreie Anlagen sind gewünscht. Die Filter vermeiden, dass Staub und Dreck in den Schrank eingesaugt werden. Dennoch werden die Filter dreckig und müssen deshalb regelmäßig getauscht oder gereinigt werden. Saubere Filter verursachen schon hohe Druckverluste, und dreckige Filter noch wesentlich mehr.

Stromlinien in einem Wechselrichter-Schrank
Stromlinien in einem Wechselrichter-Schrank

Lüfter-Platzierung und 3D-CFD Strömungssimulation

Viele Komponenten kommen im Schrank zusätzlich zu den Gleichrichtern und Wechselrichtern: Transformatoren, Spulen, Widerstände, Netzfilter, Schalter, Kabel. Wir möchten alle verlustbehafteten Komponenten belüften. Die Gleichrichter und Wechselrichter haben oft eine eigene Lüftung mit Axiallüftern oder Wasserkreis. Es ist oft schwierig, die Mindestabstände vor und nach den Lüftern einzuhalten. Oft werden die Abstände nicht eingehalten; obwohl in anderen Bereichen wie elektromagnetische Verträglichkeit oder Filterung der Luft die Regeln strikt eingehalten werden.

Die Lüfter werden in einer herkömmlichen Strömungssimulation nicht vollständig mit der Rotation der Schaufeln simuliert. Stattdessen werden die Lüfterkurven (Druckerzeugung vs. Volumenstrom) als Eingabedaten vorgegeben. Die Messungen der Kurven sind gemäß „ISO 5801 Industrieventilatoren“. Diese Kurven sind in der Regel zu optimistisch, da sie unter idealen Bedingungen gelten. Für einen Betrieb im Schrank sollte diese Kurve in der Regel um 10% herabgesetzt werden. Wenn die Abstände vor und nach den Lüftern nicht eingehalten werden, dann müssen die Kurven um 20% oder 30% herabgesetzt werden. Selbst mit diesen Korrekturen ist der gemessene Volumenstrom im Schrank oft geringer als der berechnete.

Batteriespeicher für Unterbrechungsfreie Stromversorgung

In Großkraftwerken und in Rechenzentren werden unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlagen installiert, um für eine kurze Überbrückungszeit die Anlagen mit Spannung zu versorgen. Da die Batterien selten benutzt werden, ist die thermische Herausforderung klein.

Wechselrichter und Batteriespeicher für Photovoltaikanlagen

Die Wechselrichter für Photovoltaik werden täglich benutzt. Deshalb ist es besonders wichtig, die Grenztemperaturen nicht zu überschreiten. Bei zu hohen Temperaturen im Schrank werden die Halbleiter nicht beschädigt: die Ausgangsleistung des Wechselrichters wird durch Sicherheitsmechanismen reduziert. Das Verfahren heißt de-rating. Die Auslegung der Belüftung und Kühlung sollte die höchste Ausgangsleistung auch bei extremen Umgebungstemperaturen und Sonnenschein ermöglichen, und zwar ohne Klimaanlage, die viel Strom verbraucht.
Der produzierte Strom kann entweder gegen eine Vergütung ins öffentliche Netz eingespeist werden oder er wird in einem Stromspeicher gespeichert und erst in den Abendstunden verbraucht. Jetzt sind Batteriespeicher günstiger geworden und Strom aus der Steckdose teurer, was den Wunsch mach Unabhängigkeit und Eigenverbrauch begünstigt. Wärmeverluste einer Batterie während des Aufladens und des Entladens
Wärmeverluste einer Batterie während des Aufladens und des Entladens