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Sicherungstechnik für Gleichspannungsnetze erforscht: Technologiebasis für elektronische Leistungs-Schutzschalter geschaffen | Print |  E-mail

Energieverluste in Stromnetzen und elektrischen Geräten lassen sich künftig um mehr als die Hälfte verringern. Ein deutscher Forschungsverbund hat dafür die Technologiebasis auf Grundlage von Gleichspannung erarbeitet. Hier ist die Verlustleistung niedriger als bei der heute gängigen Wechselspannung. Fünf Projektpartner aus Industrie und Wissenschaft erforschten die Grundlagen für halbleiterbasierte, vollelektronische Leistungs-Schutzschalter zum Einsatz in Gleichspannungsnetzen und -anwendungen. Damit lässt sich überall dort Gleichspannung nutzen, wo heute Wechselspannung üblich ist.

Die neuartigen Leistungs-Schutzschalter werden in der Lage sein, Gleichspannung möglichst schnell und sicher ein- und im Notfall auszuschalten. Dadurch lässt sich Energie aus regenerativen Quellen effizienter in Energienetze und -speicher einspeisen und die Netzstabilität verbessern. Außerdem sind deutlich kompaktere Elektrogeräte möglich. Erforscht wurden die Leistungs-Schutzschalter von Airbus, der E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH, der Infineon Technologies AG, der Siemens AG sowie dem Institut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente (IALB) der Universität Bremen. Infineon hatte die Projektleitung inne. Das European Center for Power Electronics e.V. (ECPE) mit Sitz in Nürnberg unterstützte das Projekt maßgeblich.

Ohne effiziente und kostengünstige Sicherungstechnik ließen sich Verteilnetze sowie Bordnetze der Elektromobilität bisher nicht auf Gleichspannungsversorgung umstellen. Bislang gab es nur elektromechanische Schutzvorrichtungen, bei denen Lichtbögen beim Schalten von Gleichspannungen und Strömen entstehen können. Zudem sprechen elektromechanische Schutzvorrichtungen langsam an und sind schwer, wenig robust und teuer.

Die Projektpartner erforschten unter anderem neuartige Halbleiterbauelemente, wie den Over-Current-Blocking-Field-Effect-Transistor (OCB-FET). Für elektronische Leistungs-Schutzschalter wurden neue Aufbau- und Verbindungstechniken sowie neue Schaltungstopologien erarbeitet und getestet. Zu den Ergebnissen des Projekts gehören Demonstratoren im Bereich von Luftfahrt-Bordnetzen, Elektromobilität, Photovoltaik und Gleichspannungs-Verteilnetzen.

Forschungsaufgaben der NEST-DC-Partner

Im Projekt übernahm es das IALB, neuartige Halbleiterstrukturen für den Einsatz im OCB-FET zu untersuchen und zu simulieren. Zudem wurden die entwickelten Leistungs-Schutzschalter statisch und dynamisch vermessen sowie ihr thermisches Verhalten und ihre Zerstörungsgrenze getestet. Airbus definierte die Anforderungen aus Sicht von Luftfahrt-Anwendungen und erarbeitete eine geeignete Topologie. Diese wurde zusammen mit den Partnern als Demonstrator ausgeführt und getestet.

Siemens untersuchte Aufbau und Verbindungstechnik der Leistungs-Schutzschalter. E-T-A definierte die Anforderungen für Industrieanwendungen. Zusammen mit den Partnern validierte E-T-A dafür ausgelegte Leistungs-Schutzschalter für Spannungsklassen bis zu 1.500 V. Infineon leitete das Projekt, steuerte seine Kompetenz für Leistungshalbleiter bei und forschte an den Leistungshalbleitern für die OCB-FETs.

Über NEST-DC

NEST-DC steht für „Neuartige elektronische Leistungs-Schutzschalter für Gleichspannung im Bereich der erneuerbaren Energien und Bordnetze“. Während der Projektlaufzeit investierten die Forschungspartner etwa 4,5 Millionen Euro. Projektstart war im Oktober 2013; die Laufzeit betrug drei Jahre. Die Bundesregierung hat das Ziel, Strom mit Hilfe innovativer Leistungselektronik in Zukunft effizienter zu nutzen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert auf der Grundlage des Rahmenprogramms IKT 2020 multidisziplinäre Forschungs- und Entwicklungsprojekte zum Thema „Leistungselektronik zur Energieeffizienz-Steigerung“ (LES). NEST-DC wurde mit rund 2,1 Millionen Euro unterstützt.

 

 
 




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