Hochdynamische Modulationsverfahren für asymmetrische Multi-Level Frequenzumrichter
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes konnte ein programmgesteuertes Modulationsverfahren entwickelt werden mit dem Frequenzumrichter aus kaskadierten H-Brücken (auch Zellenumrichter genannt) optimal betrieben werden können. Das Verfahren bietet dabei wesentliche Verbesserungen im Vergleich zu bisher bekannten Verfahren. Das neue Verfahren ermöglicht eine gezielte Unterdrückung von subtraktiven Zuständen, bei denen Energie in die Zwischenkreise einzelner Zellen, zurückfließt und der Zwischenkreis somit vom Laststrom aufgeladen wird. Die Zellen können somit effektiv vor einer Zerstörung durch Überspannung geschützt werden. Hierdurch kann auf den Einsatz von Bremswiderständen und den damit verbundenen Energieverlust verzichtet werden. Der Einsatz von Leistungshalbleitern mit hoher Sperrfähigkeit und entsprechend hohen Schaltverlusten wird auch in hochdynamischen Anwendungen ermöglicht, da ein Algorithmus zur Begrenzung der Schaltfrequenz eingeführt wurde. Dieser Algorithmus erlaubt die Umschaltung von hochsperrenden Zellen in jeder Abtastperiode nach Bedarf, verhindert jedoch die Überschreitung von Schaltfrequenzmaximalwerten. Vergleichbare Verfahren waren zum Zeitpunkt der Antragstellung nicht bekannt. Das neue Modulationsverfahren weist deutliche Verbesserungen des Verzerrungsgehalts der Ausgangsspannung bzw. des Ausgangsstroms gegenüber den Verfahren auf, die zum Zeitpunkt der Antragsstellung bekannt waren und auch heute noch gebräuchlich sind. Hierdurch reduziert sich der Aufwand für passive Ausgangsfilterfilter immens. Verluste in hybriden, asymmetrischen Umrichterstrukturen wurden erstmals untersucht und der Wirkungsgrad verschiedener Modulationsverfahren wurde verglichen, wobei das in diesem Vorhaben entwickelte Verfahren bei verbesserter Leistung mit den besten bekannten Verfahren ebenbürtige Wirkungsgrade aufweist. Signifikante Fortschritte konnten bei der Untersuchung von geeigneten Zwischenkreiskonfigurationen für asymmetrische Umrichter erzielt werden. Untersucht wurde, wie sich verschiedene Aufteilungen der gesamten Spannung auf die Zwischenkreise der Zellen auswirken, wenn unterschiedliche Modulationsverfahren zum Einsatz kommen. Mit dem neuen Modulationsverfahren konnte untersucht werden, wie sich die Venwendung subtraktiver und redundanter Level auswirkt. Die erarbeiteten Algorithmen konnten an einen Laborumrichter unter realen Bedingungen erprobt und alle Simulationsergebnisse durch Messungen bestätigt werden. Die im Rahmen des Forschungsprojektes entwickelten Modulationsverfahren sind aufgrund der reduzierten Oberschwingungen und der einfachen Implementierbarkeit gut in zukünftigen Projekten einsetzbar. Einsatzgebiete sind hier von der Antriebstechnik für Elektrofahrzeuge über elektrische Schiffsantriebe hin zur Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) denkbar. Im Elektrofahrzeugbereich könnten Zellenumrichter eingesetzt werden, wobei für jede Zelle des Akkumulators eine H-Brücke denkbar ist. Dies stellt zwar einen zusätzlichen Aufwand dar, jedoch sind für gebräuchliche Lilon-Akkus ohnehin Symmetrierschaltungen und Temperaturüberwachung notwendig, so dass der Schritt zur H-Brücke vertretbar erscheint. Auf den Fahrumrichter und das Ladegerät könnte dann verzichtet werden. Durch den Einsatz der entwickelten Technologie für batteriegespeiste Elektrofahrzeuge kann der Wirkungsgrad gesteigert und somit kleinere Energiespeicher eingesetzt werden. Ein Einsatz von Umrichtern mit kaskadierten H-Brücken ist gerade im Bereich der Photovoltaik gut denkbar; Hierbei könnte an jedem Modul ein einzelner Umrichter montiert werden, die dann zu den einzelnen Strängen (Strings) in Reihe geschaltet werden. Hiermit ist eine gute Ausnutzung der Solarzellen erzielbar. Im Bereich der Hochspannungsgleichstromübertragung werden in vielen Bereichen zunehmend Umrichter mit Spannungszwischenkreis eingesetzt. Hierbei wird der einfache Zwei-Level Umrichter zunehmend durch den M2C Umrichter ersetzt, welcher genau wie die in diesem Projekt betrachtete Umrichter aus einzelnen in Reihe geschalteten Zellen besteht. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist in der Medizintechnik zu finden. Gradientenverstärker in Tomographen müssen hohe Spannungen hochdynamisch und mit sehr niedrigen Verzerrungen stellen. Gegenwärtig werden bereits Kaskaden eingesetzt, die allerdings mit hochfrequenter Pulsbreitenmodulation arbeiten. Durch den Einsatz des hier entwickelten Modulationsverfahrens könnte der Wirkungsgrad gesteigert und die Baugröße der Geräte reduziert werden.
