Ziele

Das Forschungsprojekt HelP zielt auf die Erforschung hocheffizienter, netzfreundlicher Stromquellen für das Plasmaschneiden von Metallen. Hierbei soll die Verlustleistung um 50 % gesenkt werden.

Arbeitsplan

Für das Plasmaschneiden wird typischerweise die Phasengesteuerte Vollbrücke mit Hilfskom­mutierung als Stromquelle eingesetzt. Statt dieser verspricht der sog. LLC-Resonanzkonverter (LLC-RK) einen deutlich besseren Wirkungsgrad. Werden aufgrund des großen Ausgangsstroms mehrere LLC-RK phasenversetzt betrieben, können außerdem das Volumen und die Kosten des Ausgangsfilters massiv reduziert werden. Zur Symmetrierung der Ausgangsleistung der phasenversetzt betriebenen LLC-RK werden neuartige Steuerungs-Konzepte mit Phasenverschiebung umgesetzt. Ein PFC-Netzgleichrichter wird den LLC-RK vorangeschaltet, wodurch der Betrieb der Plasmaschneidanlage an öffentlichen und industriellen Netzen gewährleistet wird.

Verwertung

Die wissenschaftlichen Ergebnisse des Verbundes werden auf einschlägigen Konferenzen vorgestellt und in den Lehrinhalten der Hochschulinstitute aufgegriffen.

Eine wirtschaftliche Verwertung soll in Form einer Weiterentwicklung der Projektergebnisse zur Serienreife erfolgen, so dass die Plasmastromquellen einzeln oder in gesamten Plasmaschneidanlagen vermarktet werden können.

Motivation

Die Schnittmeterkosten sind beim Plasmaschneiden der eindeutigste Indikator für ein effizientes Verfahren. Hierbei haben Schneidgeschwindigkeit und Gasverbrauch einen großen Einfluss. Beides konnte in den letzten Jahren deutlich verbessert werden, wie in Tabelle 1 und Abbildung 1 zu sehen.

Tabelle 1: Schneidgeschwindigkeiten im Vergleich

Abbildung 1: Gasverbrauch

Nicht betrachtet wurde jedoch der elektrische Energiebedarf der Plasmastromquelle. Hier besteht noch viel Potential, weshalb in diesem Projekt hocheffiziente, netzfreundliche Stromquellen für das Plasmaschneiden entwickelt werden sollen.

Bezug des Vorhabens zu den förderpolitischen Zielen

Der elektr. Wirkungsgrad beim Plasmaschneiden ist massiv Abhängig vom Schneidstrom, der wiederum von der Dicke und dem Materialtyp abhängig ist (siehe Schneiddaten [1]). Heutige Plasmaschneider haben einen gemittelten Wirkungsgrad (P_ab/P_zu) von 85%, somit werden 15% der Energie ungenutzt in Wärme umgewandelt. Diese Energieverschwendung soll durch den Einsatz neuer Technologien minimiert werden. Eine Verringerung der Verlustleistung um 50% führt zu einem geringeren Energiebedarf pro Schneidvorgang und somit zu einer weiteren Verringerung der Schnittmeterkosten.

Basierend auf der Ecodesign-Studie der EU-Kommision zu Schweißgeräten (die auch die Plasmaschneider beinhaltet) hatten diese im Jahr 2013 eine elektrische Energieaufnahme von 3.6 TWh [2]. Nimmt man für Deutschland einen Anteil am europäischen Markt von 20 % an, ergäbe sich hierzulande eine jährliche Aufnahme von rund 0,7 TWh. Was in etwa 0.12 % der gesamtdeutschen Energieaufnahme entspricht. Durch die angestrebte Erhöhung des Wirkungsgrads um 7,5 % könnten somit 52,5 GWh elektrische Energie pro Jahr eingespart werden, umgerechnet werden hierdurch ca. 30.000 Tonnen weniger CO2 ausgestoßen, bezogen auf den Energiemix 2015 [3]. Außerdem verspricht diese Technologie auch für weitere Marksegmente wie Stromquellen für Schutzgas-Schweißen, Labore, Entwicklungs-/Prüfprozesse von Antrieben, zur Emulation von Batterien und PV-Modulen Vorteile. IT-Aspekte sind integraler Bestandteil zur Auslegung der Steuerung und Regelung.

Wissenschaftliche und technische Arbeitsziele des Vorhabens

Durch den Einsatz weichschaltender Konverter-Topologien, soll der Wirkungsgrad von Plasmastromquellen deutlich angehoben werden. Hierbei zielt die Optimierung der Schaltungen deutlich auf die Effizienz weniger auf das Bauvolumen. Zur Gewährleistung des Betriebs der Plasmastromquelle an öffentlichen und industriellen Netzten, werden Konzepte für netzfreundliche Gleichrichter bewertet, ausgelegt und erprobt. Der Einsatz von WBG-HL soll geprüft werden, da diese eine kleine Ausgangskapazität und geringe Rückstromspitzen der Dioden besitzen, so dass Topologien und Betriebsarten berücksichtigt werden können, die mit bisherigen Si-basierten MOSFETs nicht realisierbar sind. Neuartige Steuerungs- und Regelungskonzepte weichschaltender Konverter-Topologien sollen erforscht und erprobt werden unter dem Fokus einer kostengünstigen Implementierung. Zur Erprobung der Schaltung und des Regelungskonzeptes sollen zwei Funktionsmuster (AC-DC und DC-DC Wandler) im Labor von LEA aufgebaut werden. Am Ende des Projektes soll ein funktionsfähiger Demonstrator mit Gehäuse und Kühlkonzept von Kjellberg aufgebaut werden, der in einer bestehenden Plasmaschneidanlage getestet wird.

1^ 50% Schneidzeit, 8 h Arbeitsschicht