Dreiphasiger Hybridumrichter als effiziente Spannungsquelle

Energiewende wie auch Elektromobilität erfordern die Entwicklung neuer Netzstrukturen, die Anpassung der elektrischen Energieversorgung sowie eine stärkere Kopplung verschiedener Energieträger. In Folge steigt der Bedarf an leistungselektronischen Umrichtern, die die präzise Einstellung von Spannung und Strom für unterschiedliche Anwendungen erlauben. Bisherige Möglichkeiten zur Einspeisung, Verteilung und Nutzung elektrischer Energie weisen prinzipbedingte Nachteile auf: Transformatoren sind schwer und auf die speisende Frequenz beschränkt, konventionelle Umrichter können meist keine ausreichend hohe Spannungsqualität bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte liefern und Linearverstärker decken nur niedrige Leistungs- und Spannungsbereiche ab. Dies führt dazu, dass die hohen Anforderungen an netzfreundliche Umrichter und präzise Prüfumrichter durch konventionelle Technologien nur mit hohen Kosten und niedrigeren Leistungsdichten erfüllt werden können. Am Elektrotechnischen Institut (ETI) des KIT haben Wissenschaftler einen leistungsfähigeren Hybridumrichter anhand eines neuartigen Schaltungskonzepts entwickelt. Hierbei sind ein konventioneller Umrichter mit einem Multilevelumrichter entkoppelt aufgebaut und beide Einheiten werden über eine separate Kopplungsinduktivität zu einem dreiphasigen Hybridumrichter miteinander kombiniert. Dabei übernimmt der leistungsstarke Frequenzumrichter, der sich durch geringe Kosten und hohe Leistungsdichte auszeichnet, den Wirkleistungsumsatz. Dieser ist an einen hochstufigen Multilevelumrichter mit hoher Spannungsqualität und geringer Nennleistung gekoppelt. Eine hohe Modularität ist gegeben, da alle Komponenten auf identisch aufgebauten Einheiten basieren. Durch diese Kombination entsteht ein Hybridumrichter mit hoher Spannungsqualität, sehr guter Skalierbarkeit und bisher unerreichter Leistungsdichte. Der neue Frequenzumrichter ist für Nieder- und Mittelspannungsanwendungen einsetzbar und zeichnet sich durch frequenzunabhängiges Filterverhalten sowie geringere Baugröße und Kosten verglichen mit konventionellen Umrichtertechnologien aus. Der Hybridumrichter ist zum einen als Netz- und Antriebsumrichter, aber auch als verzerrungsarme Spannungsquelle für Prüfzwecke einsetzbar. Das KIT sucht Unternehmen zur Lizenzierung der Topologie, aber auch für anwendungsnahe Forschungsprojekte oder Testaufträge am Institut.