Hohe Zuverlässigkeit von USV-Systemen mit leistungsstarken 3-Level-Wechselrichtern

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Die Belastung der Zwischenkreiskondensatoren

Die Belastung der Zwischenkreiskondensatoren in 3-Level-Umrichtern ist verhältnismäßig gering, das heißt, die Kondensatoren leben länger. Zurückzuführen ist dies auf die 3-Level-Topologie, in der die externen Dioden mit dem zentralen Massepunkt der Zwischenkreiskondensatoren verbunden sind. Unter Betriebsbedingungen sind auch Ausgangsfilter und Last an diesen Punkt gekoppelt. Wäre der Massepunkt nicht mit dem Nullleiter verbunden, würde Gleichstrom über die Zwischenkreiskondensatoren geführt werden, wodurch diese sich abwechselnd laden bzw. entladen würden. Im Prinzip funktioniert so ein herkömmlicher Dreiphasen-Wechselrichter.

Der 3-Level-Umrichter fungiert dagegen als Mittelpunkt für den Nullanschluss; die gesamte Speicherladung der Kondensatoren steht somit vollständig der Last zur Verfügung, eine periodische Ladung bzw. Entladung der Kondensatoren findet nicht statt.

Sinusförmige Ausgangsströme wie auch sinusförmige Ausgangsspannungen sind mit harmonischen Oberschwingungen behaftet. Geht eine USV-Anlage ans Netz, darf der Anteil der harmonischen Oberschwingungen (THD(I) und THD(V)) einen Wert von 2% nicht übersteigen. Mit geeigneten Filtern lässt sich der THD-Anteil reduzieren. SICON konnte die Filtergröße im Vergleich zu herkömmlichen Dreiphasen-Invertern bei gleicher Ausgangsleistung um bis zu 50% verringern.

Ein kleinerer Filter reduziert das Gewicht der jeweiligen Komponente; aufgrund der an den Filterdrosseln anliegenden niedrigeren Spannung v·∂t (= L·∂i) sind auch die Eisenverluste niedriger. Dies bedeutet kompaktes Gewicht und verbesserter Wirkungsgrad bereits auf Ebene des Stromwandlers.

Komplexität der Ansteuerung beim 3-Level-Umrichter

3-Level-Topologien sind im Vergleich zu gewöhnlichen Dreiphasen-Invertern komplexer. Bis zu zwölf IGBT müssen in einer 3-Level-Phase angesteuert werden, die Algorithmen der Pulsbreitenmodulation (PWM) von Dreiphasen-Invertern sind dabei nicht 1:1 übertragbar. In der einschlägigen Fachliteratur finden wir jedoch unterschiedliche Ansätze der Pulsbreitenmodulation. Der erhebliche Aufwand für die Entwicklung einer spezifischen Treiberlösung wird von den Kunden bereitwillig getragen.

SICON hat für seine SEMITOP-Module SK150MLI066T und SK75MLI066T eine individuelle Lösung zur Ansteuerung der IGBT erarbeitet. Die hohe Komplexität der Ansteuer-Thematik resultiert zwar in höheren Kosten für die Treiberkonfiguration, der Mehraufwand wird jedoch durch die im Vergleich zu einer Lösung mit Standard-Dreiphasen-Inverter niedrigeren Gesamtanlagenkosten kompensiert.

Die auf einem reichhaltigen Erfahrungsschatz im USV-Markt basierenden Lösungsansätze von SICON decken sich mit den Erkenntnissen von Semikron hinsichtlich Modulauswahl, Bemessung des Ausgangsfilters und Dimensionierung von Treiberschaltung und Kühlsystem. Bei gleicher Ausgangsleistung bieten unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme in 3-Level-Topologie eine ganze Reihe von Vorteilen und sind damit eine echte Alternative zu 2-Level-Systemen, wie der Kostenvergleich zeigt (Bild 5).

Der Wirkungsgrad bei nahezu voller Ausgangsleistung

Die Praxis der Entwicklung und Konstruktion von USV-Systemen hat SICON gelehrt, dass der Endverbraucher für gewöhnlich dazu tendiert, seine Anlagen für höhere Leistungen auszulegen, als eigentlich notwendig. Das bedeutet aber, dass USV-Systeme oft nicht bei nominaler Ausgangsleistung (100%), sondern nur unter Teillast betrieben werden. Testreihen bei SICON bescheinigten der 3-Level-Lösung mit SEMITOP-Modul einen relativ konstanten Wirkungsgrad bei nahezu voller nominaler Ausgangsleistung (Bild 6).

Selbst unter Teillastbedingungen verbesserte sich die Wirkungsgradkurve und zeigte einen flachen Verlauf im Bereich des Maximalwertes. Die 3-Level-Technologie ist ein Meilenstein in der Optimierung der Effizienz von Energieversorgungssystemen und wird künftig die 2-Level-Generation, wie oben veranschaulicht, weitgehend ablösen. Die neue Generation der vom TÜV SÜD zertifizierten SICON-Green-Power-Produktpalette bietet nun auch dem Endverbraucher alle erwähnten Vorteile.

* * Igino Toigo ist R&D Power Application Dept. Manager bei SICON-SOCOMEC-Gruppe in Vicenza (Italien). Clemente Zanettin ist R&D Dept - Power Application bei SICON-SOCOMEC-Gruppe in Vicenza (Italien). Marco Di Lella ist Produktmanager SEMIKRON in Italien.

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