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Wechselrichter Bauteile aus Siliziumkarbid ermöglichen Wirkungsgrad von 98,7 %

| Autor/ Redakteur: Quelle: Fraunhofer ISE / Carina Schipper

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 entstand in Kooperation mit einem Industriepartner und erreicht einen Wirkungsgrad von 98,7 %, heißt es. Die Ergebnisse der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten lassen sich auf andere Bereiche der leistungselektronischen Energiewandlung, in denen Gewicht und Effizienz eine große Rolle spielen übertragen.

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Neue Materialien erhöhen Effizienz: Fraunhofer ISE entwickelt dreiphasigen 10 kW USV-Wechselrichter mit 5 l Volumen und 98,7 % Wirkungsgrad.
Neue Materialien erhöhen Effizienz: Fraunhofer ISE entwickelt dreiphasigen 10 kW USV-Wechselrichter mit 5 l Volumen und 98,7 % Wirkungsgrad.
(Bild. Fraunhofer ISE)

Wechselrichter für die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) stellen bei Störungen im Stromnetz die Versorgung elektrischer Geräte sicher. In Kombination mit einer Batterie lassen sich Versorgungsstörungen verschiedener Länge überbrücken. Für besonders kritische Verbraucher, beispielsweise Rechenzentren, bieten sogenannte Online USVs den höchsten Schutz. Sie werden zwischen Netz und Last geschaltet und kompensieren sämtliche vom Netz ausgehenden Störungen. Dies hat allerdings zur Folge, dass auch während des störungsfreien Normalbetriebs sämtliche Energie über den USV-Wechselrichter übertragen wird. Der Wirkungsgrad besitzt für diese Anwendung eine sehr große Bedeutung, da er sich erheblich auf die Betriebskosten der USV-Einheit auswirkt.

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. Die guten dynamischen und statischen Eigenschaften der SiC-Transistoren, wie Durchlasswiderstand und Schaltverluste, ermöglichen eine Taktfrequenz von 100 kHz. Diese Taktfrequenz übersteigt die herkömmlicher leistungselektronischer Bauelemente aus Silizium etwa um den Faktor 5. Die Verluste in den Halbleitern steigen nicht wesentlich an. Durch die hohe Taktfrequenz schrumpfen auch passive Speicherelemente wie Drosselspulen und Kondensatoren im System. Auf Grund der geringen Verluste in den Halbleitern verkleinert sich das Kühlsystem für die Transistoren.

Höherer Wirkungsgrad spart Kosten

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

„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 circa zwei Drittel,“ erklärt 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 rund 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 etwa 97,4 % Wirkungsgrad lassen sich mit dem neu entwickelten Demonstrator (98,7 %) bis zu 40 % der jährlichen Kosten einsparen.

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