Entwicklung

Was versteht man unter Leistungselektronik?

Die Leistungselektronik „leistet“ etwas, elektrische Energie wird umgeformt. Dabei werden die elektrischen Größen Spannung, Strom und Frequenz verändert, um die elektrische Energie zu speichern, für eine optimale Übertragung anzupassen oder z.B. in Motoren in mechanische Energie umzuwandeln. Durch schaltende Leistungshalbleiter in Verbindung mit passiven Komponenten wie Kapazitäten und Induktivitäten wird ein entsprechender Wandler aufgebaut. Bei jeder Energieumwandlung ist ein möglichst hoher Wirkungsgrad anzustreben. Der mit Leistungselektronik erzielbare Wirkungsgrad ist oft höher als bei konventionellen Verfahren. Werden z.B. Pumpen und Lüfter über einen Wechselrichter mit variabler Drehzahl betrieben, sinkt der Energieverbrauch deutlich. Daher trägt der Einsatz von Leistungselektronik aktiv zu Energieeinsparung bei und leistet einen wesentlichen Beitrag zum Umweltschutz.

Leistungselektronik

Leistungsspektrum

Wir decken das gesamte Spektrum von der Konzepterstellung über die Hardware- und Softwareentwicklung bis zur Prototypenerstellung und Inbetriebnahme ab.

Da die Informationen von kundenspezifischen Entwicklungen selbstverständlich vertraulich behandelt werden, können wir Ihnen leider zu vielen Referenzprojekten keine Details nennen.

Um Ihnen trotzdem einen Überblick über unser Leistungsspektrum zu geben, beschreiben wir im folgenden ein paar ausgewählte Projekte möglichst allgemeingültig, ohne Nennung von Kundennamen und technischen Einzelheiten.

Entwicklung Wechselrichter

Ein Wechselrichter wird benötigt, um einen Drehstrommotor sanft zu starten und mit einer beliebigen Drehzahl zu betreiben. In vielen Pumpen- und Lüfteranwendungen können durch den Einsatz von Wechselrichtern Geräusche reduziert und Energie gespart werden.

Wenn die Umgebungsbedingungen oder ein spezielles Funktionsverhalten besondere Anforderungen an den Wechselrichter stellen, ist der Einsatz von Standartkomponenten problematisch. Dann ist eine Anpassung oder Neuentwicklung unter berücksichtigung der Kundenvorgaben notwendig.

Mit der richtigen Software kann ein Wechselrichter auch für den Betrieb von Generatoren oder als Netzanbindung verwendet werden.

Wechselrichter für Drehstrommotoren, Pumpen und Lüfter

Leistungselektronik im Fahrzeug (Automotive)

Für den mobilen Einsatz muss eine Leistungselektronik den Bedingungen im Fahrzeug (Temperatur, Schmutz, Vibrationen) standhalten. Auch ist der Bauraum oft sehr beengt, sodass sehr kompakte und robuste Komponenten erforderlich sind.

In Hybridfahrzeugen oder auch reinen Elektrofahrzeugen müssen alle Funktionen elektrifiziert werden, die in einem konventionellen Fahrzeug noch vom Verbrennungsmotor angetrieben werden. Neben dem Fahrantrieb sind das auch zahlreiche Hilfsantriebe. Von der Klimaanlage bis zur Lenkunterstützung werden elektrische Antriebe mit Drehstrommotoren und Wechselrichtern eingesetzt.

Die Lichtmaschine wird durch einen DC/DC Wandler ersetzt. Dieser Bordnetzladewandler stellt den Energiefluss zwischen den verschiedenen Gleichstromnetzen und Spannungsebenen her. Während Kleinverbraucher weiterhin mit 12V oder 24V versorgt werden, sind Lasten mit höherer Leistung an das Hochvoltnetz angeschlossen.

Die elektronischen Komponenten benötigen eine speziell auf die Fahrzeugumgebung abgestimmte Software. Die Kommunikation erfolgt üblicherweise über den CAN-Bus und beinhaltet umfangreiche Diagnosefunktionen.

Einspeisewechselrichter für regenerative Energien

Die mit Windrädern und Solarparks erzeugte Energie wird ins öffentliche Versorgungsnetz eingespeist. Dafür sind Einspeisewechselrichter unterschiedlicher Leistung erforderlich. Um die Netzstabilität sicherzustellen müssen verschiedene Vorgaben der Netzbetreiber eingehalten werden. So kann die Wirkleistung bei zu hoher Netzfrequenz begrenzt werden, vor allem aber wird Blindleistung zum Anheben oder Senken der Netzspannung eingespeist. Auch im Falle eines Netzfehlers ist ein definiertes Verhalten (z.B. LVRT) erforderlich.

Einspeisewechselrichter für regenerative Energien wie Windräder und Solarzellen

Statische Frequenzumrichter für Leistungskabel und Großtransformatoren

Leistungskabel für die Energieübertragung sowie Großtransformatoren von bis zu 500 MVA müssen beim Hersteller auf verschiedene Weise getestet werden. Dafür werden Wechselspannungen mit verschiedenen Frequenzen benötigt. Für die Kabelprüfung sind es wegen der großen Kapazitäten sehr niedrige Frequenzen < 10Hz, bei Transformatoren auch Frequenzen bis zu 200 Hz.

Die in der Vergangenheit verwendeten rotierenden Umformer können durch statische Frequenzumrichter ersetzt werden. Die Leistung beträgt oft mehrere MVA. Es wird ein besonders niedriger THD und ein niedriger Störpegel gefordert, damit auch empfindliche Teilentladungsmessungen an den Prüfobjekten durchgeführt werden können.

Großtransformator

Leistungselektronik für die Medizintechnik

Zum Betrieb von Röntgenröhren wird eine hohe Gleichspannung von ca. 100kV bei einem Strom von einigen mA benötigt. Diese Hochspannung wird von einem speziellen Schaltwandler erzeugt,

der die Spannung präzise regelt, mit definierten Ein- und Ausschaltzeitpunkten. Der Transformator sowie der Hochspannungsteil wird in der Regel in einem Eintank mit Isolieröl betrieben.

Batteriemanagement

Für die Elektromobilität werden vor allem leistungsfähige Batteriesysteme benötigt. Dafür müssen viele Zellen in Reihe geschaltet werden. Um eine maximale Lebensdauer bei maximaler Leistung zu erreichen, dürfen die Zellen nur in einem definierten Bereich betrieben werden. Es ist dafür erforderlich, Spannung, Strom und Temperatur von jeder einzelnen Zelle zu messen um den Ladezustand individuell zu regeln. In einem Batteriepack ist daher ein sog. Ballancing erforderlich. Das Batteriemanagement kommuniziert mit dem Laderegler oder DC/DC Wandler, welcher die Batterie mit der Systemspannung (Zwischenkreisspannung) koppelt.

Batteriemanagement für die Elektromobilität

Hoher Wirkungsgrad mit Resonanzwandlern

Der Wirkungsgrad eines leistungselektronischen Wandlers wird nicht unwesentlich durch die Schaltverluste bestimmt. Es gibt einen Trade-Off zwischen niedriger Schaltfrequenz mit niedrigen Schaltverlusten und hoher Schaltfrequenz verbunden mit kleineren induktiven Bauteilen.

Mithilfe von Resonanzwandlern werden die Schaltverluste signifikant reduziert, da zum Schaltzeitpunkt entweder der Strom (ZCS) oder die Spannung (ZVS) auf Null gebracht wird. Für einen Resonanzwandler ist meist eine spezielle Topologie verbunden mit speziellen Steuerverfahren erforderlich.

Der Aufwand wird belohnt mit einer hohen Effizienz bei kompakter kostengünstiger Bauweise. Gleichzeitig sinkt in der Regel die Störemision, was wiederum zu einem reduzierten Filteraufwand führt.

Resonanzwandler veringern Schaltverluste

PC-Software

Viele Anlagen sind heute als verteilte Systeme aufgebaut. Mehrere Komponenten kommunizieren über Feldbusse untereinander und tauschen Informationen aus. Um diese Informationen auszuwerten und zu beeinflussen ist der PC als verbreitetste Nutzerschnittstelle bestens geeignet. Egal ob es sich um grafische Anzeigen oder Datenlogger oder auch um Bedienfunktionen wie Überwachungs-, Steuerungs- und Regelungsfunktionen handelt - bei einer auf Ihre Anlage zugeschnittenen Anwendersoftware gibt es viele Gestaltungsmöglichkeiten.