Kostenschraube Wirkungsgrad

Wirkungsgrad optimieren

Innovative USV-Konzepte setzen deshalb am Wirkungsgrad an. Dabei geht es einmal darum, grundsätzlich einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. In den vergangenen Jahren hat der Einsatz von Leistungselektronik in IGBT-Technik (Insulated-Gate Bipolar Transistor) und transformatorloser Technologien beachtliche Verbesserungen gebracht. Darüber hinaus – hier setzen aktuelle Ansätze für weitere Optimierungen an – soll ein Absinken des Wirkungsgrades auch bei ungünstigen Lastbedingungen verhindert werden.

Gemeinhin werden in Doppelwandlern nach VFI-SS-III Half Bridge Inverter für die Wandlung des Gleichstroms aus der Batterie in Wechselstrom eingesetzt. Ausgehend von einem Referenzpunkt – typischerweise dem Nullpunkt – arbeitet ein herkömmlicher Wechselrichter mit zwei Spannungsstufen. Bei einem neuen Ansatz werden anstelle der herkömmlichen Zwei-Stufen-Wechselrichter (2-Level-Inverter) Inverter auf der Grundlage der 3-Level-Neutral-Point-Clamp-Technologie (NPC) eingesetzt. Diese Mittelspannungsstromrichter können in einem weiten Schaltfrequenzbereich von etwa 10 bis 200 kHz effizient arbeiten. Dazu werden die Stromrichterventile (IGBTs) in Reihe geschaltet. Sie arbeiten über Clamp-Dioden und Zwischenkreiskondensatoren im 3-Level-Mode, was eine bessere Ausnutzung der Halbleiterschalter ermöglicht. Resultat ist eine sauberere Kurvenform der Ausgangsspannung, wodurch sich der Wirkungsgrad erheblich erhöht – bei gleichzeitiger Verringerung der Oberschwingungen, die sich als Verzerrung im System niederschlagen.

Aus der Verwendung der NPC-Technologie resultiert zunächst einmal für jeden Lastzustand eine geringere Spannungsverzerrung. Ein weiterer Vorteil ist, dass für niedrige Spannungen ausgelegte Komponenten für hohe Spannungen genutzt werden können. Und nicht zuletzt bleiben Verlustleistungen auf ein Minimum reduziert, so dass sich im Ein- und Ausgang dreiphasige USV-Systeme verwirklichen lassen, die unempfindlich gegenüber Schwankungen der Voltzahl und Last sind. Gleichzeitig wird ein perfektes sinusförmiges Signal und maximale elektrische Leistung geliefert. Somit sind ein Wirkungsgrad von über 96 % beim Betrieb der USV mit optimaler Last und ein Wirkungsgrad von 92 % bei wechselnder Last erreichbar.

Zwar liegen die Kosten für eine 40-kVA-Anlage mit NPC-Technologie um zirka 5 % über den Kosten für eine USV-Anlage derselben Leistungsklasse in herkömmlicher Bauweise. Die Differenz ist in erster Linie den höheren Kosten für die output-seitigen Komponenten geschuldet. Aber: Die Einsparungen im Verbrauch liegen bei der NPC-Anlage im Jahr bei rund 8700 kWh, was bei den derzeitigen Stromkosten für den Betrieb der USV rund 1900 Euro pro Jahr ausmacht. Zudem sinken die Kosten für die Kühlung um bis zu 600 Euro. Der CO2-Ausstoß verringert sich um bis zu sechs Tonnen jährlich. im

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