Mehrstufen-Umrichter mit prädiktiver Regelung zur Verbesserung der Eigenschaften und des Wirkungsgrads in Energieverteilung und elektrischen Antrieben

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ralph Kennel
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 120076147

Mehrstufen-Umrichter erzeugen Ausgangsspannungen, die der Sinusform weit ähnlicher sind als die Ausgangsspannungen von üblichen 6-Puls-Wechselrichtern. In Anwendungen, in denen die Sinusform von entscheidender Bedeutung ist (z. B. bei der Energieversorgung von ländlichen Siedlungen oder Gehöften oder bei elektrischen Antrieben mit der Forderung nach geringer Drehmomentwelligkeit), würde diese Art von Umrichtern den Aufwand an notwendigen Ausgangsfiltern deutlich reduzieren. Der wesentliche Nachteil von Mehrpunkt-Umrichtern – der der Anwendung dieses Konzepts in der Industrie bisher im Wege steht – ist die im Vergleich mit Standard-Umrichtern hohe Anzahl von Leistungshalbleitern und die Notwendigkeit einer komplexen Regelung. Da in jedem Umrichterzweig eines Mehrpunkt-Umrichters mehrere Leistungshalbleiter in Serie geschaltet sind, braucht die Sperrspannung der einzelnen Leistungshableiter nicht so hoch zu sein, wie bei Standard-Pulsumrichtern. Der Preis für mehrere Leistungshalbleiter niedriger Nennspannung ist derzeit zwar immer noch höher als für einen einzelnen Leistungshalbleiter hoher Nennspannung – diese Differenz nimmt allerdings ab. Auch wenn nicht davon ausgegangen werden kann, dass der Preisunterschied vollständig verschwinden wird, ist zu erwarten, dass die Möglichkeit und Wahrscheinlichkeit der Anwendung von Mehrstufen-Umrichtern in solchen Fällen zunimmt, in denen die oben erwähnten Vorteile wichtig sind. Das Hauptziel des im vorliegenden Antrag vorgeschlagenen Projekts ist die Kombination eines Mehrpunkt- Umrichters mit einem prädiktiven Regelverfahren, um ein bezüglich Aufwand und Nutzen optimiertes System zur Erzeugung dreiphasiger sinusförmiger Ausgangsspannungen zu erhalten. Im Gegensatz zur Ansicht mancher Fachkollegen sind prädiktive Regelverfahren für Stromrichter derzeit hochaktuell – nicht zuletzt aus diesem Grund soll noch im Jahr 2008 eine Sonderausgabe der IEEE-Transactions on Industrial Electronics zum Thema „Predictive Control“ erscheinen (siehe [35]). Ebenso sind prädiktive Regelungen im Gegensatz zur Ansicht mancher Fachkollegen nicht nur für Stromrichter höchster Leistung und niedriger Schaltfrequenz geeignet – insbesondere bei Anwendung von MPC-Verfahren (siehe [33, 34]) sind diese Kriterien nur eine von vielen Möglichkeiten, technische Ziele in eine so genannte Kostenfunktion einfließen zu lassen und die Regelung damit entsprechend zu optimieren. Zur Zeit werden nach Kenntnis des Antragstellers in Deutschland keine Forschungsprojekte auf diesem Gebiet durchgeführt. Dieser Antrag soll diesem Umstand abhelfen und dazu beitragen, den Anschluss an die international aktuelle Entwicklung zu wahren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Südafrika
• Beteiligte Person: Professor Hendrik du Toit Mouton