Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Fraunhofer ISE entwickelt hochkompakten Wechselrichter für unterbrechungsfreie Stromversorgungen

03.09.2015

Bauteile aus Siliziumkarbid ermöglichen Wirkungsgrad von 98,7 Prozent

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben einen hochkompakten und -effizienten Wechselrichter für die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) von elektrischen Geräten entwickelt. Der Demonstrator mit neuartigen Bauteilen aus Siliziumkarbid wurde in Kooperation mit einem Industriepartner entwickelt und erzielte einen Wirkungsgrad von 98,7 Prozent.


Neue Materialien erhöhen Effizienz: Fraunhofer ISE entwickelt dreiphasigen 10 kW USV-Wechselrichter mit nur 5 Liter Volumen und 98,7 Prozent Wirkungsgrad.

© Fraunhofer ISE


Wirkungsgrad des vom Fraunhofer ISE entwickelten hochkompakten USV-Wechselrichters (Demonstrator) bei verschiedenen Ausgangsleistungen.

© Fraunhofer ISE

Die Ergebnisse der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten lassen sich auf andere Bereiche der leistungselektronischen Energiewandlung, in denen Gewicht und Effizienz eine große Rolle spielen, z. B. Elektromobilität oder mobile Stromversorgung, übertragen.

Wechselrichter für die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) stellen bei Störungen im Stromnetz die Versorgung elektrischer Geräte sicher. In Kombination mit einer Batterie können so Versorgungsstörungen verschiedener Länge überbrückt werden. Für besonders kritische Verbraucher, z. B. Rechenzentren, bieten sogenannte Online USVs den höchsten Schutz, da sie zwischen Netz und Last geschaltet werden und damit sämtliche vom Netz ausgehenden Störungen kompensieren.

Dies hat allerdings zur Folge, dass auch während des störungsfreien Normalbetriebs sämtliche Energie über den USV-Wechselrichter übertragen wird. Der Wirkungsgrad spielt daher für diese Anwendung eine sehr große Rolle, da er erheblichen Einfluss auf die Betriebskosten der USV-Einheit hat. Dieser Kontext war Ausgangspunkt für ein Projekt am Fraunhofer ISE, das nun erfolgreich abgeschlossen wurde.

Kompakter Aufbau bei gleichzeitig hoher Effizienz

Durch den Einsatz von Transistoren aus Siliziumkarbid (SiC) konnten die Wissenschaftler den Aufbau eines USV-Wechselrichters mit einer Leistung von 10 kW und lediglich 5 l Volumen demonstrieren. Trotz des hochkompakten Aufbaus wurde ein sehr hoher Wirkungsgrad von 98,7 Prozent erreicht. Die guten dynamischen und statischen Eigenschaften der SiC-Transistoren, z. B. Durchlasswiderstand und Schaltverluste, ermöglichen eine Taktfrequenz von 100 kHz.

Diese Taktfrequenz ist etwa um den Faktor 5 höher als bei herkömmlichen leistungselektronischen Bauelementen aus Silizium, ohne dass die Verluste in den Halbleitern wesentlich ansteigen. Durch die hohe Taktfrequenz können auch passive Speicherelemente wie Drosselspulen und Kondensatoren im System kleiner dimensioniert werden. Auf Grund der geringen Verluste in den Halbleitern konnte außerdem ein kompaktes Kühlsystem für die Transistoren eingesetzt werden.

Kostenersparnis durch höheren Wirkungsgrad

»Insgesamt spart diese Bauweise Kosten und Material auf Systemebene. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Taktfrequenz von 16 kHz reduzieren sich im von uns entwickelten USV-Wechselrichter die Größe und der Preis der Hauptinduktivität um ca. zwei Drittel«, so Cornelius Armbruster, Entwicklungsingenieur im Team »Neue Bauelemente und hocheffiziente Umrichter« am Fraunhofer ISE. Für die Anwendung in sogenannten Online USV-Systemen, spielt der Wirkungsgrad eine noch bedeutendere Rolle als die Materialeinsparungen, da diese nicht nur kurzfristige Spannungseinbrüche im Netz kompensieren, sondern elektrische Geräte permanent über die USV mit Strom versorgen.

Für einen kleinen Serverraum ergibt sich bei einer üblichen Auslastung in Höhe der halben Nennleistung ein jährlicher Energiebedarf von ca. 44 000 kWh. Der Wirkungsgrad des USV-Wechselrichters erhöht den Energiebedarf weiter um die Summe der im Wechselrichter auftretenden Verluste. Dies erklärt den großen Einfluss des Wirkungsgrads des USV-Wechselrichters auf die laufenden Betriebskosten in Form von Stromkosten. Im Vergleich zu einem herkömmlichen System mit ca. 97,4 Prozent Wirkungsgrad lassen sich mit dem neu entwickelten Demonstrator (98,7 Prozent) bis zu 40 Prozent der jährlichen Kosten einsparen.

Material mit Perspektive: Siliziumkarbid

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE forscht und entwickelt seit vielen Jahren auf dem Gebiet der hocheffizienten Leistungselektronik für regenerative Energiesysteme und der Anwendung neuester Bauelemente aus Galliumnitrid und Siliziumkarbid. Der Technologiedemonstrator des Fraunhofer ISE, der im Auftrag der Firma ROHM Semiconductor entwickelt wurde, zeigt erneut welche Potenziale in diesen Halbleitermaterialien stecken. Die in der Schaltung eingesetzten SiC-Transistoren stammen von ROHM Semiconductor, einem der Marktführer in der Entwicklung von Halbleiterbauelementen aus Siliziumkarbid. Mit diesem Halbleitermaterial werden zukünftig Transistoren für noch höhere Ströme verfügbar sein und damit Systeme mit wesentlich höheren Leistungen realisiert werden.

Weitere Informationen:

http://www.ise.fraunhofer.de

Karin Schneider | Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Wärmepumpe mit dem klimafreundlichen Kältemittel Propan für die Aufstellung im Haus entwickelt
22.10.2019 | Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

nachricht RACOCO: Strahlungscharakterisierung und Funktionsprüfung von COTS Bauteilen zur Anwendung im Weltraum
21.10.2019 | Fraunhofer-Institut für Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen INT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Abbau von Magnesiumlegierung auf der Nanoskala beobachtet

Erstmals konnten ETH-​Forscherinnen und Forscher die Korrosion von Magnesiumlegierungen für biomedizinische Anwendungen auf der Nanoskala beobachten. Dies ist ein wichtiger Schritt, um bessere Vorhersagen darüber zu treffen, wie schnell Implantate im Körper abgebaut werden und so massgeschneiderte Implantatwerkstoffe entwickelt werden können.

Magnesium und seine Legierungen halten vermehrt Einzug in die Medizin: einerseits als Material für Implantate in der Knochenchirurgie wie Schrauben oder...

Im Focus: Researchers watch quantum knots untie

After first reporting the existence of quantum knots, Aalto University & Amherst College researchers now report how the knots behave

A quantum gas can be tied into knots using magnetic fields. Our researchers were the first to produce these knots as part of a collaboration between Aalto...

Im Focus: Hohlraum vermittelt starke Wechselwirkung zwischen Licht und Materie

Forschern ist es gelungen, mithilfe eines mikroskopischen Hohlraumes eine effiziente quantenmechanische Licht-Materie-Schnittstelle zu schaffen. Darin wird ein einzelnes Photon bis zu zehn Mal von einem künstlichen Atom ausgesandt und wieder absorbiert. Das eröffnet neue Perspektiven für die Quantentechnologie, berichten Physiker der Universität Basel und der Ruhr-Universität Bochum in der Zeitschrift «Nature».

Die Quantenphysik beschreibt Photonen als Lichtteilchen. Will man ein einzelnes Photon mit einem einzelnen Atom interagieren lassen, stellt dies aufgrund der...

Im Focus: A cavity leads to a strong interaction between light and matter

Researchers have succeeded in creating an efficient quantum-mechanical light-matter interface using a microscopic cavity. Within this cavity, a single photon is emitted and absorbed up to 10 times by an artificial atom. This opens up new prospects for quantum technology, report physicists at the University of Basel and Ruhr-University Bochum in the journal Nature.

Quantum physics describes photons as light particles. Achieving an interaction between a single photon and a single atom is a huge challenge due to the tiny...

Im Focus: Freiburger Forschenden gelingt die erste Synthese eines kationischen Tetraederclusters in Lösung

Hauptgruppenatome kommen oft in kleinen Clustern vor, die neutral, negativ oder positiv geladen sein können. Das bekannteste neutrale sogenannte Tetraedercluster ist der weiße Phosphor (P4), aber darüber hinaus sind weitere Tetraeder als Substanz isolierbar. Es handelt sich um Moleküle aus vier Atomen, deren räumliche Anordnung einem Tetraeder aus gleichseitigen Dreiecken entspricht. Bisher waren neben mindestens sechs neutralen Versionen wie As4 oder AsP3 eine Vielzahl von negativ geladenen Tetraedern wie In2Sb22– bekannt, jedoch keine kationischen, also positiv geladenen Varianten.

Ein Team um Prof. Dr. Ingo Krossing vom Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Universität Freiburg ist es gelungen, diese positiv geladenen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Wiegende Halme auf den Designers‘ Open

23.10.2019 | Veranstaltungen

13. Aachener Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung – »Collaborate to Innovate: Making the Net Work«

22.10.2019 | Veranstaltungen

Serienfertigung von XXL-Produkten: Expertentreffen in Hannover

22.10.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Abbau von Magnesiumlegierung auf der Nanoskala beobachtet

23.10.2019 | Materialwissenschaften

Wiegende Halme auf den Designers‘ Open

23.10.2019 | Veranstaltungsnachrichten

Kosmischer Staub auf Ballonfahrt – Experiment zur Planetenentstehung

23.10.2019 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics