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Elektrotechnik und Informationstechnik

Soft Switching Three Level Inverter (S3L-Inverter)


Der Soft Switching Three Level Inverter (abgekürzt S3L-Inverter) ist ein Wechselrichter mit besonders hoher Effizienz für den Einsatz bei Drehstromantrieben, als Netzeinspeise- oder Inselwechselrichter für Photovoltaik- und Windkraftanlagen sowie bei Stromversorgungen. Er besteht aus dem bekannten 3-Stufen-Pulswechselrichter in T-Type-Ausführung, dem ein neuartiges Schaltentlastungsnetzwerk hinzugefügt wurde. Die Hauptaufgabe dieses Netzwerks, das aus nur wenigen einfachen passiven Komponenten aufgebaut ist, besteht darin, die sogenannten Schaltverluste der Leistungstransistoren und -dioden des Pulswechselrichters zu vermeiden. Dadurch werden die Verluste verringert und der Wirkungsgrad gesteigert, was insbesondere mit Blick auf Solarwechselrichter sowie auf die geplante Einführung von Effizienzklassen bei Frequenzumrichter-gespeisten Drehstromantrieben von größtem Interesse ist. Darüber hinaus verringert dieses Netzwerk die Spannungssteilheiten der Ausgangsspannungen auf Werte beispielsweise kleiner als 1 kV/us und kann daher als integriertes du/dt-Filter bezeichnet werden. Zudem können EMV-Maßnahmen kleiner ausfallen.

Nachdem 2009 ein erstes Funktionsmuster mit einer Leistung von 3 kW erfolgreich in Betrieb genommen wurde, hat die HTWG die Schaltung 2010 zum Patent angemeldet. Inzwischen ist das Patent in Deutschland, USA, Japan, Korea und China rechtskräftig erteilt. Weitere Erteilungsverfahren in wichtigen Industrienationen stehen kurz vor dem Abschluss.

Ab 2010 wurde mit finanzieller Unterstützung seitens der Industrie ein 3-phasiger Wechselrichter mit einer Leistung von 20 kW sowie ein 1-phasiger Wechselrichter mit 33 kW entwickelt. Aktuell wird an verschiedenen Hard- und Softwareansätzen zur weiteren Effizienzsteigerung gearbeitet.

              
              Prototyp des S3L-Inverters: 1000VDC, 3 x 400 VAC, 29 a, 20 kVA


Literatur:

  1. Deitigsmann, Tobias: Soft Switching Three Level Inverter; Bachelorarbeit HTWG Konstanz, Februar 2010
  2. Gekeler, Manfred W.; Herrmann, Eduard; Wirth, Christian: S3L-Inverter: Effizienzsteigerung bei elektrischen Antrieben und regenerativer Energiegewinnung; forum - Das Forschungsmagazin der Hochschule Konstanz, S. 28 – 32; Ausgabe 2011/2012; ISSN 1619-9812
  3. Gekeler, Manfred W.: Soft Switching Three Level Inverter with Passive Snubber Circuit (S3L Inverter); EPE (European Conference on Power Electronics and Applications) 2011; August 2011, Birmingham, UK; ISBN: 9789075815153
  4. Gekeler, Manfred W.: Weich schaltender 3-Stufen-Pulswechselrichter mit verlustfreiem Entlastungsnetzwerk (Soft Switching Three Level Inverter with non-dissipative Snubber Circuit (S3L Inverter)); VDE ETG Kongress November 2011, Würzburg; ISBN 978-3-8007-3376-7
  5. 3-Stufen-Pulswechselrichter mit Entlastungsnetzwerk. Deutsche Patentschrift DE 10 2010 008 426 B4 2011.09.01. Patentinhaber: Hochschule Konstanz; Erfinder: Gekeler, Manfred W.
  6. Gekeler, Manfred W.:


    A Novel Topology of Soft Switching Three-level Inverters for Highest Efficiency Rates. Proceedings oft the Chines Society for Electrical Engineering (PCSEE). Vol. 33, No. 21, Pp. 1-8, Jul. 25, 2013
  7. Gekeler, Manfred W.: Soft Switching Three Level Inverter (S3L Inverter); EPE (European Conference on Power Electronics and Applications) 2013; August 2013, Lille, Frankreich; ISBN: 78-90-75815-17-7 and 978-1-4799-0114-2
  8. Gekeler, Manfred W.: Optimierte PWM Steuerung für Soft Switching Three Level Inverter (S3L Inverter)); VDE ETG Kongress November 2013, Berlin; ISBN 978-3-8007-3550-1
  9. Gekeler, Manfred W.; Schreitmüller, Stefan; Voigt, Gunter: EMV- und Effizienzvergleich von hart und weich schaltenden 3 Stufen – Pulswechselrichtern; EMV Kongress Februar 2016, Düsseldorf; S. 217 – 224;
    ISBN 978-3-86359-396-4


    Erteilte Patente:

    China                   CN 102804570 B

    Deutschland       DE 10 2010 008 426 B4

    EU                        EP 2 537 239 B1

    Japan                   JP 5395280 B2

    Kanada                CA 2 789 937 C

    Südkorea             KR 10-1366393 B1

    USA                      US 8,462,524 B2