Hochdynamische Regelung von Drehfeldmaschinen unter Berücksichtigung der maximalen thermischen Ausnutzung der Leistungshalbleiter

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt die Problematik der verlustleistungsbedingten thermischen Erwärmung der Leistungshalbleiter, welche maßgebend durch die Leit- und Schaltverluste des Halbleiterbauelements bestimmt ist. In den meisten Anwendungsfällen ist eine möglichst hohe Umrichterschaltfrequenz ein wesentlicher Faktor zur Erfüllung der stetig steigenden Anforderungen an das Stromregelkonzept.<br />Herkömmliche Ansätze zur Schaltfrequenzauslegung basieren hierzu auf einer thermischen "`Worst-Case"' Abschätzung, der die maximal zu erwartende Strombelastung der Leistungshalbleiter zugrunde liegt. Da diese generell nur den Punkt maximaler Überlast der Umrichter-Maschinen-Konfiguration berücksichtigt, kann die Anlage nicht in jedem Last- und Drehzahlpunkt mit optimaler Performance in Hinblick auf Schaltfrequenz und Stromrippel betrieben werden.<br />Das primäre Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher die Erarbeitung eines Stromregelkonzepts, welches sich durch eine minimale Stromreglertotzeit, höchst dynamisches Verhalten, geringen Verzerrungsstrom und durch eine on-line regelbare Umrichterschaltfrequenz auszeichnet. Der hier vorgestellte Ansatz basiert hierzu auf einem prädiktiven Stromregler, der dahingehend modifiziert wurde, dass die durch dessen Verwendung verursachte Umrichterschaltfrequenz unabhängig von der Stromreglerabtastzeit und vom Arbeitspunkt der Drehfeldmaschine regelbar wird. Es ist somit möglich, die Umrichterschaltfrequenz dem jeweiligen Arbeitspunkt dynamisch anzupassen und die Leistungshalbleiter nahe ihrer thermischen Grenze zu betreiben. Im Teillastbereich kann folglich die Schaltfrequenz deutlich erhöht werden, was im Vergleich zum klassischen Ansatz des prädiktiven Stromreglers zu einer erheblichen Reduktion des Verzerrungsstroms führt.<br />

With the demand of cost reduction while increasing drive performance particular system components have to be operated even above their rated values. Although possible overload operation of a connected induction machine is of short duration, typically up to a minute, this working point has to be regarded for worst case thermal design of power semiconductors. Because of semiconductors thermal time constants being negligible compared to those of the machine on the one hand and maximum load current is given due to overload operation on the other, maximum inverter switching frequency needs to be limited to ensure a maximum junction temperature below a critical value. On the contrary high inverter switching frequencies in general fulfil most of current controller requirements in a very simple way. Reduced current respectively torque ripple and improved transient current response are the field of interest not only in high performance drive applications. Exceptionally these current controller properties suffer from the fixed or limited switching frequency being defined for worst case thermal considerations of power semiconductors when the drive is operated at partial load. The aim of the present research is to develop a novel current controller used for high precision and high dynamic load dynamometers. Focused characterisations are small current ripple, excellent transient response combined with a small and determined current controller dead time, high accuracy concerning the adjusted current, and an on-line controllable inverter switching frequency. For this purpose a discrete time predictive current controller, delivering excellent dynamic behaviour, was modified. The basic idea of the introduced approach is to extend the cost function being responsible for switching state selection by an additional penal weight. This variable penal weight is added to the predicted current errors of all switching states except the current one permitting inverter switching frequency being controlled on-line in closed loop. The ability to control inverter switching frequency has two major advantages. The first benefit is, that switching frequency is no longer a function of system parameters like modulation index or current controller sampling time, permitting sampling frequency to be increased and hence current as well as torque ripple reduced remarkably. In addition current controller dead time decreases improving transient behaviour. The second profit is that the inverter switching frequency can dynamically be adapted depending on the point of operation to stress the power semiconductors always close to their thermal limits but not above. This facilitates a further reduction of current ripple as will be shown.<br />