SI/502411

Schlussbericht

In diesem Projekt wird ein kommerzielles 5.5 kW Antriebssystem für Pumpen mit IGBT-Technologie mit einem an der FHNW entwickelten SiC MOSFET-basierten Antriebssystem verglichen. Beide Systeme verfügen über eine 2-Level, dreiphasige Wechselrichter-Topologie und werden von einem dreiphasigen Diodenbrücken-Gleichrichter gespeist. Im Zentrum des Vergleichs stehen der Wirkungsgrad und die energetischen Verluste unter realistischen Betriebsbedingungen, die häufig im Teillastbereich stattfinden. Die Wirkungsgradmessungen wurden in Übereinstimmung mit der Norm IEC 61800-9-1 durchgeführt. Alle Messungen wurden an kompletten Antriebssystemen durchgeführt, die auch den netzseitigen Filter, die Steuerelektronik, den motorseitigen Filter und den Motor beinhalten. Die Spezifikationen des an der FHNW entwickelten Frequenzumrichters wurden direkt vom Referenzsystem des Herstellers Grundfos übernommen, um eine direkte Vergleichbarkeit zu gewährleisten. Die wichtigsten Komponenten des entwickelten SiC-Umrichters sind: Dioden-Gleichrichtermodul (auf Siliziumbasis) SiC MOSFET 3-Phasen-Vollbrückenmodul Netzseitiger Filter und DC-Drossel, die aus dem Referenzsystem übernommen wurden. Eigenentwickelter motorseitiger Sinusfilter mit Kool-Mu Kernmaterial Für die Durchführung der Wirkungsgradmessungen wurde ein Prüfstand für Antriebssysteme von Grund auf neu aufgebaut. Mit dem Prüfstand kann der Motor des zu testenden Systems mit Drehmoment und Drehzahl beaufschlagt werden, um systematisch die gewünschten Betriebspunkte anzufahren. Die Wirkungsgradmessungen wurden gemäss IEC 61800-9-1 durchgeführt, d.h. vom Netzanschluss bis zur Motorwelle mit einem Präzisions-Leistungsmessgerät. Zusätzliche Messungen wurden durchgeführt, um ein tieferes Verständnis über die Verteilung der Verluste im System zu erhalten. Die wichtigsten Ergebnisse des Effizienzvergleichs sind: Der Wechsel von IGBT-basierten Umrichtern zu SiC-MOSFETs führt zu einer Steigerung des Systemwirkungsgrads von bis zu 10 Prozentpunkten unter Teillast und 1 Prozentpunkt bei Nennlast. Eine höhere Schaltfrequenz als der Standardwert von 8 kHz führt nicht zu einer Verringerung der Gesamtverluste, weder mit noch ohne Sinusfilter am Ausgang des Frequenzumrichters. Die Implementierung eines motorseitigen Filters mit verlustarmem Kernmaterial erhöht den Wirkungsgrad weiter und reduziert in Kombination mit einem SiC-Umrichter die Gesamtsystemver-luste auf ein Minimum. Das Entfernen des Sinusfilters erhöht die Verluste, da die im Motor auftretenden Verluste durch die ungefilterte Stromwelligkeit überproportional ansteigen. Auf der Grundlage der für die beiden Antriebssysteme gesammelten Energieverlustdaten wurde eine Schätzung der potenziellen globalen Energieeinsparungen vorgenommen, die erzielt werden könnten, wenn alle drehzahlgeregelten Antriebssysteme auf die SiC-Technologie umgestellt würden. Die geschätzten jährlichen weltweiten Energieeinsparungen durch SiC-Antriebe in Pumpenanwendungen lieben im Bereich zwischen von 17 TWh bis 25 TWh. Um die Nutzer von Antriebssystemen bei der Bewertung des Energieverbrauchs bei ihren spezifischen Betriebsprofilen zu unterstützen, wurde ein Berechnungstool entwickelt, das interessierten Nutzern online zur Verfügung steht. Durch Eingabe eines Datensatzes, der ihre Betriebsprofile und Effizienzdaten enthält, können die Nutzer ihren Energieverbrauch berechnen und Vergleiche zwischen verschiedenen Antriebssystemen anstellen.

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