Vergleich von Konzepten zum EMV-armen Betrieb von umrichtergespeisten Drehstrommotoren mittels variabler Zwischenkreisspannung

Abstract

Diese Arbeit betrachtet die Vorteile einer veränderlichen Zwischenkreisspannung in modernen Stromrichtern für Drehstrom-Antriebe. Im einfachsten Fall wird dazu die Zwischenkreisspannung dem drehzahlabhängigen Spannungsbedarf der Maschine angepasst. Diese veränderliche Zwischenkreisspannung kann zum Beispiel über einen vorgeschalteten, mit SiC-MOSFETs ausgestatteten und mit hoher Schaltfrequenz arbeitenden DC/DC-Tiefsetzsteller bereitgestellt werden. Die drei Halbbrücken des Maschinenwechselrichters können damit mit niedriger Schaltfrequenz takten, im Extremfall in manchen Applikationen sogar im Vollblockbetrieb.Die schaltfrequenten Störspannungen am Motorkabel werden dadurch signifikant reduziert und die Halbbrücken können weiterhin mit kostengünstigen IGBTs realisiert werden. Im Rahmen der Arbeit werden folgende Varianten betrachtet bzw. verglichen: 1. Vollblockbetrieb der Asynchronmaschine: Grobe Nachbildung der idealen Sinusspannung durch eine einfache Rechteckspannung variabler Amplitude, d.h. drehzahlproportionale Anpassung der Zwischenkreisspannung an die UF-Kennlinie der Maschine. Dieses Steuerverfahren stellt das erreichbare Minimum an Schaltvorgängen der Halbbrücken dar, verursacht aber ausgeprägte niederfrequente Oberschwingungen im Spannungs- und Stromspektrum resultierend in niederfrequenten Drehmoment-Pulsationen. 2. Selektive Elimination von Oberschwingungen: Unter Inkaufnahme einer gegenüber dem Vollblockbetrieb leicht erhöhten Anzahl von Schaltvorgängen in den drei Halbbrücken können niederfrequente Oberschwingungen im Spannungsspektrum und somit von diesen verursachte Oberschwingungen im Strom- und Drehmomentspektrum gezielt eliminiert werden. 3. Verwendung einer Pulsweitenmodulation mit niedriger, zur Grundschwingung synchroner PWM-Frequenz bei voller Aussteuerung in den Halbbrücken bei angepasster Zwischenkreisspannung. 4. Winkelabhängig kommutierte Synchronmaschine zur Emulation einer Gleichstrommaschine gegenüber einer Gleichspannungsquelle mit variabler Ausgangsspannung. 5. Optimierung des BLDC-Betriebes einer Synchronmaschine durch Verwendung der regelbaren Zwischenkreisspannung zur Stromregelung.

This thesis evaluates the advantages of variable dc-link voltages in modern inverters for three-phase drives. In the most simple case, the dc-link voltage is adapted to the speed-dependent voltage requirements of the machine. This variable dc-link voltage can be supplied by, for example, a fast switching step-down converter, equipped with SiC-MOSFETs. Adaption of the dc-link voltage makes it possible to decrease the switching frequency in the three half-bridges of the inverter, in extreme cases even to operation in block-mode. This reduction causes a significant drop of interference voltages at switching frequency on the motor cables and the half-bridges can still be equipped with IGBTs. These variants are considered or compared: 1. Block-mode operation of the asynchronous machine: Coarse approximation of the ideal sinusoidal voltage by a simple square wave voltage of variable amplitude, for example adaption of the dc-link voltage to the UF-characteristic of the machine. This operating mode results in minimal switching actions of the half-bridges but causes pronounced low-frequency harmonics in the voltage and current spectrum resulting in low-frequency torque pulsations. 2. Selective elimination of harmonics: By accepting a slightly increased rate of switching actions in the inverter’s half-bridges compared to full block operation, low-frequency harmonics in the voltage spectrum and resulting harmonics in the current and torque spectrum can be specifically eliminated. 3. Using pulse-width modulation with low (and fundamental frequency synchronous) frequency at maximum duty cycle for the three half-bridges of the inverter, supplied with variable dc-link voltage, again adapted to the machine’s voltage requirements. 4. Angle-dependently commutated synchronous machine to emulate a dc machine to a dc supply with variable voltage. 5. Optimization of the BLDC operation of a synchronous machine by using the controllable DC link voltage for current control.