Einfluss hoher Schaltfrequenzen bei Verwendung von Halbleiterbauelementen mit breitem Bandabstand auf lagegeberlose Regelung

• Antragsteller: Professor Dr. Marcelo Lobo Heldwein, seit 12/2022
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428492649

Der gesellschaftliche Umbruch zu "erneuerbaren Energien" erfordert die teilweise Reevaluation bekannter Konzepte. In der Leistungselektronik ist der Einfluss der Verwendung "neuartiger" Halbleitermaterialien, wie Siliziumcarbid und Galliumnitrid, von großer Bedeutung, um eine weitere Erhöhung der Energieeffizienz zu erreichen. Für Antriebe kleiner und mittlerer Leistung werden die bislang verwendeten, auf Silizium-Technologie basierenden, Schalter in Zukunft durch Siliziumcarbid-Schalter ersetzt. Dies ermöglicht, neben einer Erhöhung der Energieeffizienz, auch die Verwendung bei Umgebungstemperaturen, die mit auf Silizium basierender Technologie nicht erreichbar sind. Ein Anwendungsfall wäre hier die Elektromobilität. Die hohen Sicherheitsanforderungen in der Elektromobilität gehen oftmals mit Redundanzen in sicherheitsrelevanten Bereichen einher. Als wichtiger Bestandteil kann hier der bei der energieeffizienten Ansteuerung elektrischer Maschinen erforderliche Lagegeber genannt werden. Dieser kann mit der lagegeberlosen Regelung softwareseitig redundant ausgeführt oder komplett ersetzt werden. Der lagegeberlosen Regelung wurde in den letzten Jahren, insbesondere in Verbindung mit allen Arten von Synchronmaschinen, viel Aufmerksamkeit im Bereich der Grundlagenforschung gewidmet. Bislang existieren aber keine Untersuchungen zur Verwendung von Halbleiterschaltern mit hoher Schaltfrequenz in Verbindung mit lagegeberloser Regelung. Das Ziel dieses Antrags soll es daher sein, dies grundlegend zu untersuchen. Dabei soll mit Hilfe einer modernen Reglerarchitektur auf FPGA-Basis die lagegeberlose Regelung von Synchronmaschinen in Verbindung mit einem Siliziumcarbidumrichter untersucht werden. Um dies zu ermöglichen soll ein auf Siliziumcarbid basierender Umrichter entworfen und gebaut werden. Dieser bildet die Grundlage der stattfindenden Untersuchungen. Weiterhin soll der Fragestellung nachgegangen werden, wie die elektrische Maschine optimiert werden kann, um die nachteiligen Einflüsse der erhöhten Schaltfrequenzen so gut wie möglich zu unterdrücken. Die Optimierung und Fertigung einer entsprechenden Maschine wird in Zusammenarbeit mit der Universität Stellenbosch, Südafrika, erfolgen. Als dritter Teilaspekt der Untersuchungen ist der Algorithmus der lagegeberlosen Regelung selbst vorgesehen. Auf diesen ist der Hauptaugenmerk der Untersuchung gerichtet. Hierbei wird unter anderen Algorithmen auch der der "Arbitrary Injection" verwendet. Dieser wurde an dem Institut des Antragsstellers entwickelt. Dabei zeichnet sich dieser Algorithmus durch eine grundsätzliche Unabhängigkeit von dem eingeprägten Messsignal aus. Nach Projektabschluss sollen der Großteil der im Antrag ausführlicher dargestellten Fragestellungen untersucht sein. Weiterhin ist zu erwarten, dass Erkenntnisse gewonnen werden, die bei der lagegeberlosen Regelung im Allgemeinen angewendet werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ralph Kennel, bis 12/2022