Leistungsfähiger hybrider, unsymmetrischer, mehrstufiger Vierquadrantensteller auf Si&SiC-Basis in Kaskadentopologie und dessen fortschrittliche Regelung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ralph Kennel
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 280610965

Mittelspannungs- und Hochleistungsantriebe sind in verschiedenen Anwendungsbereichen, wie z.B. der petrochemischen Industrie und Verfahrenstechnik, weit verbreitet. Meist werden die installierten Mittelspannungsmotoren bei konstanter Drehzahl betrieben. Daher besteht Bedarf zur Einführung von effizienteren drehzahlvariablen Antrieben mit hoher Spannungsqualität. Die Entwicklung geregelter Mittelspannungsantriebe ist mit einigen Herausforderungen verbunden, welche sowohl mit der Topologie und Regelung des Umrichters als auch den Leistungshalbleitern zusammenhängen. Durch Synthese der gewünschten Spannung aus mehreren Gleichsspannungsstufen können Mehrstufenumrichter die Anforderungen an Mittelspannungstufe und Spannungsqualität erfüllen. Heutzutage finden sich drei Mehrstufenumrichter-Topologien als kommerzielle Industrieprodukte auf dem Markt. Dabei handelt es sich um die Topologien: Neutral Point Clamped (NPC), Flying Capacitors (FC) und Cascaded H-Bridge (CHB). Durch die Reihenschaltung von mehreren, einphasigen Wandlern erreichen CHB-Umrichter bei Einsatz von Standardkomponenten problemlos hohe Spannungsstufen und Nennleistungen. Während bei konventionellen CHB-Umrichtern identische Einphasenwandler mit jeweils gleicher Zwischenkreisspannung kaskadiert werden, setzt sich der hybride, unsymmetrische CHB-Umrichter aus Einphasenwandlern verschiedener Topologien und Zwischenkreisspannungen zusammen. Daher kann dieser Umrichter die Vorteile verschiedener Topologien nutzen und dabei größere Spannungsstufen mit einfacherer Schaltung und Regelung erreichen. Das zur Förderung beantragte Forschungsprojekt widmet sich der Untersuchung von hybriden, asymmetrischen CHB-Umrichtern für Mittelspannungsanwendungen. Jede Phase des Umrichters setzt sich aus einem fünfstufigen Vierquadrantensteller auf Si-Basis (Hochspannungszelle) und einem dreistufigen Vierquadrantensteller auf SiC-Basis (Niederspannungsziele) zusammen. Eine Phasenausgangsspannung mit 15 Stufen wird durch Einstellen des Verhältnisses von 6:1 zwischen den Zwischenkreisspannungen von Hochspannungs- und Niederspannungszelle synthetisiert. SiC-Schaltern, welche in den letzten Jahren stark weiterentwickelt wurden, bieten sich als schnell schaltende Bauelemente an. Allerdings ist der Preis für Leistungbauelemente auf SiC-Basis, bedingt durch die komplexe Fertigung, noch hoch. Die vorgeschlagene hybride Topologie ersetzt lediglich die schnell schaltende Niederspannungszellen durch Sic-Leistungshalbleiterbauelemente, welche eine Erhöhung der Leistungsfähigkeit zu angemessenem Preis ermöglicht. Diese Projekt zielt darauf ab hybrider Umrichtersysteme und die Implementierung fortschrittlicher Regelungsverfahren zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen