Know-how

Versorgung mit elektrischer Energie

Leistungselektronik. Ohne zuverlässige, flexible Stromversorgung mit Gleich- oder Wechselspannung funktionieren weder Prozesstechnik noch Anlagen- und Maschinenbau störungs- und unterbrechungsfrei. Innovationen zielen daher auf langfristige Verfügbarkeit bei gesteigerter Wirtschaftlichkeit einer Gesamtanlage. Neben Schaltungsstruktur, kompatiblen Passiv-Bauelementen und einigen anderen Faktoren liefert gerade die Leistungselektronik dazu die Grundlage. 

Eine zuverlässige, flexible Stromversorgung mit Gleich- oder Wechselspannung ist die Grundlage für reibungslosen Betrieb aller Anlagen und ­Maschinen. © Juliane Franke/Shutterstock.com

Leistungselektronik (LE) basiert bisher weitgehend auf Silizium. Mit Dioden, Thyristoren, GTOs, IGBTs, MOSFETs ausgerüstete Stellglieder beziehungsweise Stromrichter werden vom Watt- bis in den Megawatt-Bereich zum Versorgen, Steuern, Umformen und Schalten mit elektrischer Energie eingesetzt. Die Situation kennzeichnet ein wachsender Quotient der Eigenschaften der Bauelemente zu ihren Kosten. Das heißt: Eine Abnahme der statischen und dynamischen Schaltverluste bei geringerem Kühlaufwand bei gleichzeitiger Zunahme der Überlastbarkeit sowie eine Volumenreduzierung infolge des Anwachsens der Leistungsdichte auf Werte über 30 Watt pro Kubikzentimeter bei wachsender Arbeitstemperatur. 

Als Materialbasis werden vermehrt Verbindungen wie Siliciumcarbid oder Galliumnitrid eingesetzt. Gleichzeitig bietet der Markt kompatible Passiv-Bauelemente, um das Rahmenziel im Leistungsbereich zu erreichen. Solche Ventile für hohe Schaltfrequenzen existieren nicht nur in Einzelbauweise, sondern auch als integrierte Module für komplette Topologien.

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Größere Leistung
Für große AC- und DC-Verbraucher stehen 3-phasige Hochleistungsstromrichter mit Zwischenkreisspannungen kleiner oder gleich 500 Volt bestückt mit den oben genannten Bauelementen bereit. Die Funktion des Stromrichtertyps richten sich nach der Versorgungsaufgabe. Sowohl DC-Motoren und -Netze (zum Beispiel für wechselrichtergespeiste Mehrmotorenantriebe in der Intralogistik) als auch AC-Antriebe, -Netze und -Anlagen gehören dazu. Immer steht der Wirkungsgrad im Mittelpunkt. Neben verlustarmen LE-Bauelementen tragen geregelte Lösungen zur Leistungsfaktorkorrektur sowie zur aktiven Oberwellen- und EMV-Filterung bei. Zudem werden Einbrüche bis mehr als 65 Prozent der Netzspannung ausgeglichen. Infolge dieser Unterdrückung der Stromrichter-Netzrückwirkungen sinken Verluste bis zu 8 Prozent.

Kernstück solcher Stromrichter ist der 3-phasige, gepulste, selbstgeführte Vier-Quadranten-Steller. Er beseitigt die genannten, auch andere Netzteilnehmer störenden Probleme bei gleichzeitiger Verbesserung der Kostenbilanz der Gesamtanlage. Getaktete Schaltungen wie Leistungsfaktorkorrekturfilter arbeiten bis zu einer Frequenz von 400 Kilohertz, Umrichter pulsen zwischen ein und 16 Kilohertz. Trotzdem erfüllen die Stellglieder die EMV-Bedingungen sowohl im Wohnbereich als auch in Industrieumgebungen.

Kleinere Leistung
Rund vier Jahrzehnte beherrschten Linearnetzteile mit gewichtigem 50-Hertz-Trafo die Stromversorgung von Regel-, Steuerungs- und Messtechnik. Zum Stabilisieren der Ausgangs-Gleichspannung enthält ihre DC-Seite ein leistungselektronisches, geregeltes Längsstellglied. Wegen ihres geringen Wirkungsgrades von etwa 60 Prozent entwickelt diese Schaltung viel Wärme. Seit geraumer Zeit ersetzen sie daher Schaltnetzteile. Als Sperr- oder Resonanzwandler haben sich diese dank ihrer verbesserten Eigenschaften in der Industrie trotz höheren Preises durchgesetzt.

Die genannten Mängel beseitigt das mit ca. 50 Kilohertz primär getaktete, ebenso einphasige Schaltnetzteil im entsprechenden Leistungsbereich. Zusätzlich erreicht seine Restwelligkeit das niedrige Niveau des Linearreglers. Infolge des Hochfrequenz-Transformators sinkt auch der benötigte Platzbedarf. Für lastunabhängige, oberwellenarme Spannung sorgt der auf den Schalttransistor über die Regeleinrichtung rückgekoppelte Ausgang. Solche Geräte lassen sich nicht nur in Produkte einbauen, sonder sind auch an Schaltschrankwänden zu montieren und garantieren die Datenübertragung. Aber sie bieten noch weitere Vorteile:

– Konvektionskühlung
– Wirkungsgrad bis 95 Prozent
– Parallelschaltbarkeit
– mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen höher als eine Million Stunden
– Volumen und Gewicht um den Faktor drei bis fünf kleiner.

Vermehrt werden in als Resonanzwandler arbeitenden Geräten geringer Leistung Siliciumcarbid- oder Galliumnitrid-Schalttransistoren eingesetzt. Sie erreichen mit im gleichen Chip integrierter Gate-Ansteuerung um 10-fach kürzere Schaltzeiten. Durch die verbundenen, geringeren Schalt- und Durchlassverluste steigt der Wirkungsgrad weiter.

Harvesting
Herausforderungen wie Industrie 4.0 sind extrem dezentralisiert. Der geringe Energiebedarf von Komponenten wie etwa Sensoren kann wirtschaftlich weder durch Netzanschluss noch von Batterien gesichert werden. Diese Lücke schließen Kleinstgeneratoren, Energy Harvester genannt. Mittels eines Wandlers ernten sie Energie aus der Umwelt, die verstärkt und gespeichert wird, um sie anschließend dem Verbraucher zuzuführen. Sein Verarbeitungsergebnis (Messsignal) wird drahtlos übermittelt.

Das Nutzen des vielfältigen Angebots wird durch Auswahlhilfen erleichtert. Künftig bietet sich immer mehr an, auch Energie kontaktlos zu übertragen. Zahlreiche industrielle Einsatzmöglichkeiten zeigen sich. Im Consumer-Sektor setzte sich wireless power bereits durch. Joachim Krause/dsc

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