OPTIPUMP – Energieeffiziente Pumpenantriebe mit SiC, Hochschule für Technik und Umwelt FHNW

Technologien

• Siliziumkarbid (SiC)

• Leistungselektronik

• Frequenzumrichter

• elektrische Antriebssysteme

• Energieeffizienz

Ausgangslage

Elektrische Antriebssysteme werden in der Praxis häufig im Teillastbereich betrieben, wo ihr Wirkungsgradrelativniedrig ist. OPTIPUMP untersucht die Effizienzvorteile von SiC-Antriebssystemen mit Fokus auf den anwendungsrelevanten Teillastbereich.

Als Referenz dient ein kommerzieller Pumpenantrieb mit konventioneller IGBT-Technologie. Diesem wird ein an der FHNW entwickeltes Antriebssystem mit SiC-MOSFETs gegenübergestellt.

Ziele

1. Entwicklung eines 5,5-kW-Frequenzumrichters mit SiC-MOSFETs und vergleichbaren Spezifikationen wie das kommerzielle IGBT-Referenzsystem.

2. Vergleich beider Systeme unter praxisnahen Betriebsbedingungen hinsichtlich Wirkungsgrades und Verlusten (Messung vom Netzanschluss zur Motorwelle)

3. Untersuchung, wie sich Halbleitertechnologie, Schaltfrequenz und motorseitige Filter auf die Gesamtenergieeffizienz auswirken.

4. Abschätzung desjährlichen globalen Energieeinsparpotenzials von SiC-basierten Pumpenantrieben.

Ergebnisse

Der an der FHNW entwickelte SiC-Frequenzumrichter wurde zusammen mit einem selbst entwickelten verlustarmen Sinusfilter auf einem eigens aufgebauten Prüfstand vermessen. Gegenüber dem IGBT-Referenzsystem verbessert das SiC-System den Wirkungsgrad um 1,3 Prozentpunkte bei Nennlast und bis zu 10 Prozentpunkte bei Teillast. Die höchste Effizienz wurde bei 8 kHz Schaltfrequenz erreicht.

Für SiC-Pumpenantriebe wird das weltweite Energieeinsparpotenzial auf 17–25 TWh pro Jahr geschätzt.

Weiterhin wurde ein frei verfügbares Berechnungstool entwickelt. Man kann eigene Lastprofile und Effizienzdaten eingeben und damit Energieverbrauch, Energiekosten sowie mögliche Einsparungen verschiedener Antriebssysteme vergleichen. Der Quellcode ist offen verfügbar.

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