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 Forschungsprojekt FastCharge: Ultra-Schnellladetechnologie bereit für die Elektrofahrzeuge der Zukunft
13.12.2018 | PHOENIX CONTACT GmbH & Co.KG

nachricht Längere Akku-Laufzeit: Lithium-Ionen-Batterien auf nächste Leistungsstufe gehoben
13.12.2018 | Universität Wien

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: Wie Bakterien ein Antibiotikum ausschalten

Forscher des HZI und HIPS haben entdeckt, dass resistente Bakterien den Wirkstoff Albicidin mithilfe eines massenhaft gebildeten Proteins einfangen und inaktivieren

Gegen die immer häufiger auftauchenden multiresistenten Keime verlieren gängige Antibiotika zunehmend ihre Wirkung. Viele Bakterien haben natürlicherweise...

Im Focus: How bacteria turn off an antibiotic

Researchers from the HZI and the HIPS discovered that resistant bacteria scavenge and inactivate the agent albicidin using a protein, which they produce in large amounts

Many common antibiotics are increasingly losing their effectiveness against multi-resistant pathogens, which are becoming ever more prevalent. Bacteria use...

Im Focus: Wenn sich Atome zu nahe kommen

„Dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält“ - dieses Faust’sche Streben ist durch die Rasterkraftmikroskopie möglich geworden. Bei dieser Mikroskopiemethode wird eine Oberfläche durch mechanisches Abtasten abgebildet. Der Abtastsensor besteht aus einem Federbalken mit einer atomar scharfen Spitze. Der Federbalken wird in eine Schwingung mit konstanter Amplitude versetzt und Frequenzänderungen der Schwingung erlauben es, kleinste Kräfte im Piko-Newtonbereich zu messen. Ein Newton beträgt zum Beispiel die Gewichtskraft einer Tafel Schokolade, und ein Piko-Newton ist ein Millionstel eines Millionstels eines Newtons.

Da die Kräfte nicht direkt gemessen werden können, sondern durch die sogenannte Kraftspektroskopie über den Umweg einer Frequenzverschiebung bestimmt werden,...

Im Focus: Datenspeicherung mit einzelnen Molekülen

Forschende der Universität Basel berichten von einer neuen Methode, bei der sich der Aggregatzustand weniger Atome oder Moleküle innerhalb eines Netzwerks gezielt steuern lässt. Sie basiert auf der spontanen Selbstorganisation von Molekülen zu ausgedehnten Netzwerken mit Poren von etwa einem Nanometer Grösse. Im Wissenschaftsmagazin «small» berichten die Physikerinnen und Physiker von den Untersuchungen, die für die Entwicklung neuer Speichermedien von besonderer Bedeutung sein können.

Weltweit laufen Bestrebungen, Datenspeicher immer weiter zu verkleinern, um so auf kleinstem Raum eine möglichst hohe Speicherkapazität zu erreichen. Bei fast...

Im Focus: Data storage using individual molecules

Researchers from the University of Basel have reported a new method that allows the physical state of just a few atoms or molecules within a network to be controlled. It is based on the spontaneous self-organization of molecules into extensive networks with pores about one nanometer in size. In the journal ‘small’, the physicists reported on their investigations, which could be of particular importance for the development of new storage devices.

Around the world, researchers are attempting to shrink data storage devices to achieve as large a storage capacity in as small a space as possible. In almost...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Tagung 2019 in Essen: LED Produktentwicklung – Leuchten mit aktuellem Wissen

14.12.2018 | Veranstaltungen

Pro und Contra in der urologischen Onkologie

14.12.2018 | Veranstaltungen

Konferenz zu Usability und künstlicher Intelligenz an der Universität Mannheim

13.12.2018 | Veranstaltungen

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

Ulmer Forscher beobachten Genomaktivierung "live" im Fischembryo

18.12.2018 | Biowissenschaften Chemie

Notsignal im Zellkern – neuartiger Mechanismus der Zellzykluskontrolle

18.12.2018 | Biowissenschaften Chemie

Neue Methode für sichere Brücken

18.12.2018 | Architektur Bauwesen

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