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Neue Betriebsmodi von modularen Stromrichtern mit modulierter Ausgangsspannung und stark verminderter Modulkapazität

Leitung:Prof. Dr.-Ing. Axel Mertens
Bearbeitung:Ing. Jakub Kucka
Laufzeit:1.11.2016 – 31.10.2019
Förderung durch:Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Modulare Multilevel-Umrichter zeichnen sich durch einen einfachen Aufbau aus gleichartigen Modulen, eine gute Skalierbarkeit in Bezug auf die Spannung sowie eine verzerrungsarme Ausgangsspannung aus, die für den direkten Anschluss von Lasten, wie z.B. elektrische Maschinen, ohne zusätzliche Filter geeignet ist. Von besonderer Bedeutung ist, dass die Spannungssteilheiten und Spannungssprünge der Ausgangsspannung auf das Niveau eines einzelnen IGBTs begrenzt bleiben, so dass herkömmliche Isoliersysteme eingesetzt werden können und Reflexionen auf langen Motorzuleitungen und ähnliche Effekte nicht zu unzulässig hohen Isolationsbeanspruchungen führen. Von großem Nachteil ist dagegen der hohe Bedarf an modulinterner Kapazität, was zu großen Bauvolumina und hohen Kosten führt. In Vorarbeiten konnte anhand von Simulationen aufgezeigt werden, dass es möglich ist, durch eine Modulation der Ausgangsspannung mit moderaten Frequenzen diese modulinternen Kapazitäten drastisch zu reduzieren. Dabei können die oben genannten Vorteile erhalten bleiben, allerdings geht die Multilevel-Eigenschaft weitgehend verloren und muss durch ausreichende Filterung der Ausgangsspannung (mindestens L-Filter) ersetzt werden. Thema dieses Vorhabens sind die Eigenschaften und Grenzen dieser neuen Klasse von Betriebsverfahren für modulare Stromrichter. Dazu muss das vorgeschlagene Verfahren eingehend untersucht werden, um die Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften des Steuerverfahrens, der notwendigen Dimensionierung des Stromrichters und des Ausgangsfilters zu verstehen. Durch modulare Stromrichter mit ihrer quasi analogen Ausgangsspannung wird eine Verallgemeinerung des Modulationsbegriffs gegenüber den klassischen schaltenden Modulationsverfahren der Leistungselektronik möglich, die theoretisch untermauert werden soll. Auf Basis einer systematischen Suche sollen günstige Varianten dieser neuen, verallgemeinerten Modulation gefunden werden.

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