Mehr Effizienz durch weiche Schaltungen

Schaltbild-Ausschnitt der neuen Wechselrichter (Bild: TLB)

Schaltbild-Ausschnitt der neuen Wechselrichter (Bild: TLB)

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

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 Manfred W. Gekeler den S3L-Inverter, der die Nachteile der üblichen harten Schaltung ausgleicht. Der nun 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 Gekeler zusätzlich eine neue Variante der Schaltung, die SS3L-Inverter Topologie. In umfang­reichen Messreihen an der Hochschule Konstanz wurde ein 3-Level-Inverter in die drei Varianten H3L, 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.

Die Patente für diese Erfindung wurden bereits weltweit in allen wichtigen Industrie­nationen erteilt. Die Lizenzierung der neuen Technologie ist neben den Bereichen Motor­steuerung, unterbrechungsfreie Strom­versorgungen und Windkraft auch für den Bereich Photo­voltaik wieder möglich. (Quelle: TLB)

Links: Technologie Lizenz-Büro (TLB) der Baden-Württembergischen Hochschulen GmbH, Karlsruhe • Fachgebiet Leistungselektronik, Hochschule Konstanz Technik Wirtschaft und Gestaltung (HTWG)

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