Einen kompakten und energieeffizienten Zweistufen-Matrixkonverter, der die Drehzahl elektrischer Antriebe digital regelt, haben Forscher der ETH Zürich entwickelt. Mit solchen Konvertern kann insbesondere in der Industrie der Stromverbrauch entscheidend reduziert werden.
Rund 60 Prozent des industriell benötigen Stromverbrauchs innerhalb der EU entfallen auf elektromotorisch betriebene Anlagen. Dabei besteht ein enormes Sparpotential. Rund ein Drittel dieses Stromverbrauchs könnte eingespart werden, wenn die Drehzahl und die Leistung der Motoren bedarfsgerecht durch leistungselektronische Konverter geregelt würde. Dennoch kommen solche Konverter bisher in vielen Anwendungsbereichen noch nicht zum Einsatz. Gründe dafür sind einerseits Kosten, andererseits der relativ hohe Platzbedarf und die Belastung des Netzes mit hohen pulsförmigen Strömen.
Wissenschaftler der Professur für Leistungselektronik an der ETH Zürich haben nun einen zweistufigen Matrixkonverter entwickelt, der sich durch eine hohe Netzfreundlichkeit und ein sehr geringes Bauvolumen auszeichnet. Damit kann er in bestehende Systeme oder sogar Motorengehäuse integriert werden. Die bisherigen passiven Einheiten, welche mit konstanter Drehzahl laufen, werden so in Antriebe umgewandelt, die sich dynamisch regeln lassen.
Drei entscheidende Vorteile
Ein leistungselektronischer Konverter wandelt die konstante Wechselspannung des Netzes am Eingang in eine variable Wechselspannung am Ausgang um. Je nach dem, wie schnell der Antrieb drehen soll, werden Amplitude und Frequenz der Ausgangsspannung elektronisch eingestellt.
Der an der ETH entwickelte „Ultra-Sparse Matrix Converter“ bewerkstelligt diese Umformung auf überaus elegante Weise: Die Netzspannung wird mittels Leistungstransistoren mit hoher Taktfrequenz „zerhackt“ und direkt zu einer neuen Spannung mit vorgegebener Amplitude und Frequenz am Ausgang zusammengesetzt. Durch die einstufige Energieumformung resultiert ein deutlich höherer Wirkungsgrad, da der neue Konverter keine Energiezwischenspeicherung benötigt, wie sie in konventionellen Systemen üblich ist.
Der Konverter zeichnet sich zudem durch eine kompakte Bauweise aus und kann mit geringem Aufwand realisiert werden. Er entnimmt dem Netz einen rein sinusförmigen Strom und zeichnet sich durch eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit aus. Dies ist besonders wichtig, da elektromagnetische Störungen häufig Fehlfunktionen verursachen und dies zum Beispiel bei industriellen Produktionsanlagen immer wieder zu kostspieligen Betriebsunterbrechungen führt.
Ein Beitrag zum Stromsparen
Mit ihrer Entwicklung leisten die Forscher auch einen Beitrag zum effizienteren Energieeinsatz, da der Konverter die zugeführte elektrische Energie bedarfsgerecht aufbereitet. Dies ist aus ökonomischer Sicht überaus interessant. Bei industriellen Antrieben entfallen über zehn Jahre hinweg im Schnitt auf jeden investierten Franken Energiekosten von 100 Franken.
Einsatzfelder für den neuen Matrixkonverter sehen die Forscher nicht nur bei bestehenden Anlagen, sondern beispielsweise auch in zukünftigen Flugzeugen. Das Konzept dieser „More Electric Aircrafts“ sieht vor, die schweren hydraulischen Steuerungssysteme zumindest teilweise durch leichtere elektrische Antriebe zu ersetzen. Kompakte leistungselektronische Konverter, welche die Antriebe effizient und zuverlässig speisen, sind dabei unabdingbar.
(idw – Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich), 29.05.2007 – DLO)
