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Mehr Effizienz durch weiche Schaltungen

22.01.2016

Ein großes Thema im Bereich der erneuerbaren Energien ist die Effizienz und die elektromagnetische Verträglichkeit – beispielsweise bei der Netzeinspeisung. Denn der durch Photovoltaik oder durch Windkraft gewonnene Strom sollte möglichst effizient und ohne elektromagnetische Störfaktoren für die Umgebung in das Stromnetz eingespeist werden können.

Professor Manfred W. Gekeler entwickelte zwei Versionen eines weich schaltenden Wechselrichters, der die Nachteile der üblichen harten Schaltung ausgleicht. Der Wissenschaftler stellt die Schaltungen und die Messergebnisse auf dem EMV Kongress in Düsseldorf vor.


Prinzipschaltbild des Soft Switching Three Level Inverter (S3L und SS3L Inverter)


EMV und Effizienzvergleich zwischen H3L, S3L und SS3L Invertern.

Beide Abbildungen: Prof. Manfred W. Gekeler, Hochschule Konstanz

Wechselrichter dienen der Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung und werden für Drehstromantriebe, zur Netzeinspeisung in den Bereichen Photovoltaik und Windenergie, in unterbrechungsfreie Stromversorgungen oder als aktive Leistungs-Netzfilter eingesetzt.

Vielversprechend sind vor allem die in letzter Zeit immer mehr zum Einsatz kommenden 3-Stufen-Pulswechselrichter. Dabei werden die üblich verwendeten Wechselrichter hart schaltend betrieben. Die dabei auftretenden Schaltverluste verringern jedoch die Effizienz.

An der Hochschule Konstanz entwickelte Prof. Dr.-Ing. Manfred W. Gekeler den S3L-Inverter, der die Nachteile der üblichen harten Schaltung ausgleicht. Der von Prof. Gekeler entwickelte Wechselrichter löst auf einfache Weise das Problem des Energieverlustes dadurch, dass ein Entlastungsnetzwerk hinzugefügt wird. Das Netzwerk ist nur aus wenigen einfachen passiven Komponenten aufgebaut und verknüpft die Topologie des Multi-Level-Inverters mit der Soft Switching Technik.

Dieser „Soft Switching Three Level (S3L) Inverter“ zeichnet sich auch bei Verwendung von Standard Si-Leistunghalbleitern (IGBT, IGCT, GTO) durch besonders hohe Effizienz bei gleichzeitig günstigem EMV-Verhalten aus. Mittlerweile entwickelte Prof. Gekeler zusätzlich eine neue Variante der Schaltung, die SS3L-Inverter Topologie.

In umfangreichen Messreihen an der Hochschule Konstanz (HTWG) wurde ein 3-Level-Inverter in die drei Varianten H3L (konventionelle hart schaltende T-Type Version), S3L sowie SS3L umkonfiguriert und mit verschiedenen Steuerverfahren und Schaltfrequenzen betrieben. Erfasst wurden emittierte Störspannungen und Effizienz.

Die Vergleichsmessungen haben die Vorteile der zwei neuen Inverter-Topologien – S3l und SS3L – eindeutig bestätigt: Bezüglich des Wirkungsgrads sind die beiden weich schaltenden Ausführungen S3L und SS3L vergleichbar und dem H3L Inverter deutlich überlegen. Bei der EMV weist der S3L Inverter ebenfalls Vorteile gegenüber dem H3L Inverter auf, der SS3L Inverter dagegen sehr deutliche. Insbesondere in Verbindung mit einer speziellen Betriebsart mit variabler Schaltfrequenz ist der SS3L Inverter somit die attraktivste Ausführung.

Professor Manfred W. Gekeler stellt die Schaltungen und die Messergebnisse auf dem EMV Kongress vor. Der Wissenschaftler, der an der Hochschule Konstanz forscht und lehrt, wird auf der führenden Messe für Elektromagnetische Verträglichkeit die S3L und SS3L Schaltungen und vor allem die Vergleichsmessungen (EMV, Effizienz) präsentieren. Der Kongress findet von 23. bis 25. Februar 2016 in Düsseldorf statt. Prof. Gekeler hält seinen Vortrag zum Thema „Leistungselektronik“ am Mittwoch, 24. Februar 2016, um 8.30 Uhr (Session 2b).

Die Patente für diese Erfindung wurden bereits weltweit in allen wichtigen Industrienationen (DE, JP, KR, CN, USA, CA, EP) erteilt.
Die Lizenzierung der neuen Technologie ist neben den Bereichen Motorsteuerung, unterbrechungsfreie Stromversorgungen und Windkraft auch für den Bereich Photovoltaik wieder möglich.

Die Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH unterstützt die Hochschule Konstanz bei der Vermarktung der Innovation und ist von der Hochschule mit der weltweiten wirtschaftlichen Umsetzung dieser zukunftsweisenden Technologie beauftragt.
Weitere Informationen - auch zur Lizenzierung- erteilt TLB-Innovationsmanager Emmerich Somlo (somlo@tlb.de).

Weitere Informationen:

http://www.tlb.de
http://www.htwg-konstanz.de/Leistungselektronik

Annette Siller | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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