Stromversorgung
USVs – Anforderungen und Topologien
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
VI-USV
In Bild 5 ist eine VI-USV abgebildet. Im Normalbetrieb wird die zu versorgende Last parallel vom Netz und vom Wechselrichter mit dem durch den Wechselrichter aufbereiteten Ausgang versorgt. Des Weiteren wird die Batterie im Normalbetrieb geladen. Sobald die Eingangsversorgungsspannung nicht den voreingestellten Sollwerten der USV entspricht, entkoppelt der Lastschalter die zu versorgende Last vom Netz und die Last wird über den Wechselrichter aus der Batterie versorgt. Befindet sich die Eingangsversorgungsspannung wieder innerhalb der voreingestellten Toleranzen der USV, wird wieder in den Normalbetrieb umgeschaltet.
Ist die Eingangsspannung nicht innerhalb einer definierten Zeit, die von dem Energiespeicher und der zu versorgenden Last abhängig ist, wieder im Bereich der voreingestellten Toleranzen, ist die zu versorgende Last in einen sicheren Zustand zu bringen. Da der Wechselrichter nur die Differenz der Eingangsspannung zur geforderten idealen Ausgangsspannung bereitstellen muss, weist diese Topologie ebenfalls einen hohen Wirkungsgrad auf.
Die Doppelwandler-USV ist aufgrund der Entkopplung des Ausgangs vom Versorgungsnetz zwar die sicherste USV, allerdings sind im Normalbetrieb der Gleichrichter und der Wechselrichter dauerhaft im Betrieb, um die Last zu versorgen. Hierdurch entstehen hohe Verluste.
Um den Wirkungsgrad zu verbessern, ist es möglich, für den Wechselrichter eine 3-Level-Topologie zu verwenden. Die beiden gängigsten Dreipunkt-Topologien, die Neutral-Point-Clamped-Topologien, die bereits 1981 von Nabae et al. präsentiert wurden, sind in Bild 6 skizziert [3]. Aufgrund des verbesserten Spektrums der Ausgangsspannung sind diese Topologien besonders für Anwendungen mit Ausgangsfiltern geeignet [4], da hier die Möglichkeit besteht, die Ausgangsfilter zu minimieren.
Additiv ist es möglich, die Leistungshalbleiterverluste zu reduzieren. Um dieses zu zeigen, wird ein Vergleich zwischen Zweipunkt, Dreipunkt-NPC1 sowie Dreipunkt-NPC2 aufgestellt. In Bild 7 sind die Leistungshalbleiterverluste eines Phasenzweiges bei unterschiedlichen Schaltfrequenzen dargestellt. Die hier dargestellten Verluste wurden bei einem Ausgangsstrom von 180 ARMS, einem Modulationsindex von 0,95, einer Zwischenkreisspannung von 750 V bzw. ±375 V und einer angenommenen Modulgehäuse-Temperatur von 90 °C bestimmt.
Bei niedrigen Schaltfrequenzen sind die Verluste der Zweipunkt-Topologie gleich den Verlusten der NPC1-Topologie. Geringere Verluste der NPC1-Topologie im Vergleich zur Zweipunkt-Topologie sind bei höheren Schaltfrequenzen zu verzeichnen.
Für Schaltfrequenzen über 16 kHz sind bei den hier verglichenen Modulen die Leistungshalbleiter-Verluste der NPC1-Topologie geringer als die der NPC2-Topologie. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei der NPC2-Topologie im Vertikalzweig zwei 1.200-V-Bauelemente in Reihe geschaltet zum Einsatz kommen und in der NPC1-Topologie im Vertikalzweig 4 in Reihe geschaltete 650-V-Bauelemente. Für niedrigere Schaltfrequenzen dominieren bei der NPC1-Topologie die Vorwärtsverluste der in Reihe geschalteten 650-V-Bauelemente und für höhere Schaltfrequenzen dominieren die höheren Schaltverluste der 1.200-V-Bauelemente.
Schlussfolgerung
Um die richtige Wahl einer USV-Anlage zu treffen, ist es wichtig, die Anforderungen des zu schützenden Verbrauchers zu kennen. Nicht für jeden Verbraucher ist eine VFI-USV notwendig. Durch den Einsatz von 3-Level-Topologien ist es möglich, den Wirkungsgrad der Anlage zu verbessern.
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
