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Rubrik: Science Life

Effiziente und netzfreundliche Leistungselektronik
Ein Konverter mit grossem Potenzial

Published: 24.05.2007 06:00
Modified: 22.05.2007 14:24
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Mit leistungselektronischen Konvertern könnte der Stromverbrauch von elektrischen Antrieben in der Industrie markant reduziert werden. An der Professur für Leistungselektronik der ETH Zürich haben Forscher einen kompakten und effizienten Ultra-Sparse Matrixkonverter entwickelt. Der Bau von drehzahlgeregelten Motoren mit integrierter Leistungselektronik wird so technisch und ökonomisch möglich.



Felix Würsten (mailto:felix.wuersten@ethlife.ethz.ch)

Rund 60 Prozent des industriellen Stromverbrauchs in der EU entfallen heute auf Anlagen, die mit Elektromotoren betrieben werden. Dabei handelt es sich längst nicht nur um grosse Produktionsmaschinen; ein beachtlicher Teil der eingesetzten Elektrizität wird von kleineren Aggregaten verbraucht, die spezifische Aufgaben in einem Gesamtsystem übernehmen. Solche Motoren treiben beispielsweise Walzen, Mischer oder Zentrifugen an, pumpen Prozessflüssigkeiten oder Kühlmittel durch weitverzweigte Rohre oder verdichten Gase. So nützlich diese Antriebe auch sind: Häufig sind es regelrechte Energiefresser, die unnötig viel Strom verbrauchen.

Ein Drittel weniger Strom

Als Lösung bieten sich leistungselektronische Systeme an, welche die elektrische Energie, die dem Motor zugeführt wird, digital und effizient konditionieren. Diese Systeme benötigen unter anderem einen Konverter aus elektronisch gesteuerten Leistungstransistoren, der die eingehende Netzspannung in eine Spannung mit variabler Frequenz und Amplitude umwandelt. Je schneller der Motor drehen soll, desto höher ist die Frequenz der ausgehenden Spannung. Studien zeigen, dass bei konsequentem Einsatz modernster Techniken rund ein Drittel der elektrischen Energie, die für den Antrieb von Motoren gebraucht wird, eingespart werden könnte. "Das wäre auch aus ökonomischer Sicht überaus interessant", meint Johann Kolar, Professor für Leistungselektronik an der ETH Zürich. (1) "Im Schnitt entfallen bei solchen Aggregaten auf jeden investierten Franken über 10 Jahre hinweg Energiekosten von 100 Franken. Auch eine geringe Reduktion des Stromverbrauchs rechnet sich also, wenn man die gesamte Lebensdauer der Maschinen betrachtet."

Die bisherigen Konverter haben allerdings zwei gravierende Nachteile: Es handelt sich erstens um sperrige Geräte, die sich nicht in ein Motorengehäuse integrieren lassen, und sie belasten zweitens das speisende Netz mit hohen pulsförmigen Strömen. Zusammen mit seinem Doktoranden Thomas Friedli hat Kolar nun einen neuen Ultra-Sparse Matrixkonverter konzipiert, der im Vergleich zu früheren Lösungen deutliche Vorteile zeigt. "Unser System ist überaus netzfreundlich und weist trotzdem einen Wirkungsgrad von über 95 Prozent auf", erklärt Friedli nicht ohne Stolz. "Das sind 2 bis 3 Prozent mehr als konventionelle Konverter." Die Steigerung scheint auf den ersten Blick gering zu sein. Doch wenn man sich vor Augen hält, wie gross der Gesamtbedarf an Strom ist, dann summiert sich das doch zu beachtlichen Energiemengen.

Einfache Architektur

Der Grund für die hohe Energieeffizienz liegt in einer raffinierten zweistufigen Matrixstruktur. Die anliegende Netzspannung wird dabei mit extrem hoher Taktfrequenz "zerhackt" und direkt zu einer neuen Spannung mit einer vorgegebenen Frequenz und Amplitude zusammengesetzt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen muss beim neuen Konverter keine Energie zwischengespeichert werden. Durch die direkte Energieumformung resultiert ein signifikant höherer Wirkungsgrad, da die Eingangsstufe ohne Schaltverluste arbeitet.

Der Leistungsteil ist das Herzstück des neuen Ultra-Sparse Matrixkonverters.

Zudem kann das System mit einem sehr geringen Aufwand realisiert werden, und es nimmt rein sinusförmigen Strom aus dem Netz auf. "Wir konnten zeigen, dass unserer Konverter äusserst stabil läuft und im Stromnetz keinerlei Störungen verursacht", erklärt Friedli. "Dies ist besonders wichtig, da elektromagnetische Störungen bei industriellen Fertigungsanlagen häufig Betriebsunterbrechungen verursachen." Die einfache Architektur hat noch weitere Vorteile: Sie benötigt keine elektrischen Energiespeicher, die eine beschränkte Lebensdauer und Temperaturfestigkeit aufweisen. Dadurch ist sie überaus robust, verbraucht weniger Ressourcen und kommt günstiger zu stehen.

Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten

Dank des hohen Wirkungsgrades produziert der neue Konverter sehr wenig Abwärme und benötigt deshalb nur eine kleine Kühlvorrichtung. "Unser Konverter ist sehr kompakt und kann einfach im Motorengehäuse integriert werden", hält Friedli fest. Der Doktorand tüftelt in seinem Labor bereits an einem neuen Modell, das noch einmal deutlich weniger Platz brauchen wird. "Wir experimentieren zurzeit mit ganz neuen Leistungstransistoren aus sehr hitzebeständigem Siliziumkarbid, mit dem extreme Taktfrequenzen erreicht werden können. Dadurch lässt sich das Volumen nochmals markant verkleinern."

Einsatzmöglichkeiten für den neuen Konverter sieht Kolar in vielen Bereichen, so etwa auch in zukünftigen Flugzeugen. Die Flugzeughersteller sind bestrebt, bei der Konstruktion von neuen Maschinen Gewicht und damit Treibstoff einzusparen und den Wartungsaufwand zu verringern. "Eine Möglichkeit dazu ist, die schweren hydraulischen Steuerungen durch leichtere elektrische Systeme mit signifikant höherer Effizienz zu ersetzen", erklärt Kolar. "Solche More-Electric-Aircraft lassen sich jedoch nur realisieren, wenn kompakte und zuverlässige leistungselektronische Geräte und Antriebe zur Verfügung stehen."

Footnotes:
(1 Homepage der Professur für Leistungselektronik: www.pes.ee.ethz.ch/


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