Netzfreundlicher Antrieb mit permanentmagneterregter Synchronmaschine für Industrieanwendungen großer Leistung

Abstract

Die Arbeit beschreibt die Umsetzung eines Umrichter-Konzepts, das in Zusammenarbeit mit dem Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe an der TU Wien und einer Partner-Firma entstand, die das Konzept in Verbindung mit den hauseigenen Synchronmaschinen erfolgreich im Antriebsbereich und der Energierückgewinnung einsetzt. Es handelt sich hierbei um ein modulares System, bestehend aus Umrichter-Einheiten von jeweils 250 kW mit aktiver Rückspeiseeinheit. Die Arbeit umfasst die Beschreibung der Kernkomponenten, sowie die Aspekte der Parallelschaltung mehrerer Umrichter-Einheiten, um den hohen Leistungsbereich größer 250 kW abdecken zu können. Ein besonderes Augenmerk wird auf die netzseitige Optimierung des Umrichters gelegt. Eine zentrale Anforderung an das Konzept war von Anfang an die Rückspeisefähigkeit der Umrichter-Einheiten, da der Einsatz im Bereich der Windkraft im Vordergrund stand. Das Modul wurde daher als Doppel-Umrichter ausgelegt, der über einen vollständigen Pulswechselrichter auf der Motor- bzw. Generatorseite und der Netzseite verfügt. Der netzseitige Pulswechselrichter ermöglicht, dass das Modul bei voller Nennlast in allen Quadranten zu betreiben ist. Im 2. Kapitel dieser Arbeit erfolgt die Beschreibung der Rückspeiseeinheit. Es geht auf die Topologie des Leistungsteils ein, beschreibt die grundsätzliche Funktion als Hochsetzsteller und erläutert die Mindestanforderungen an eine mögliche Reglerstruktur. Das 3. Kapitel behandelt den antriebsseitigen Umrichter. Aufgrund der ähnlichen Topologie des Leistungsteils umfasst dieses Kapitel einen Überblick über die zum Einsatz kommende Synchronmaschine, sowie deren grundsätzliche Regelung und die obligate Problematik der Lageerfassung. Im 4. Kapitel erfolgt die Untersuchung eines Regleransatzes, der es ermöglichen soll, den Dämpfungswiderstand am netzseitigen Filter zu entfernen. In einem ersten Schritt erfolgt eine System-Identifikation und die Aufstellung einer Übertragungsfunktion, die den netzseitigen Umrichter und den Filter möglichst gut beschreibt. Eine anschließende Reglerauslegung sowie Stabilitätsuntersuchung zeigt, dass das Ausgangsfilter aktiv bedämpft werden kann. Allerdings ist für die Wahl der Reglerparameter die Kenntnis der Netzimpedanz erforderlich. Des weiteren wird daher untersucht, inwieweit sich eine Änderung der Netzimpedanz auf die Stabilität des Reglers auswirkt. Im Abschluss wird die Umsetzung der Regelung auf das Zielsystem betrachtet, sowie ein Konzept zur transientenfreien Aufschaltung der Umrichter-Einheit an das Netz. Das 5. Kapitel behandelt die Umsetzung der oben beschriebenen Konzepte in ein industrietaugliches Endgerät. Es beschreibt die Auslegung der Kernkomponenten sowie Aspekte zur mechanischen Assemblierung. Weiters wird die Einbindung der Umrichter-Einheiten in eine übergeordnete Steuereinheit und die damit erforderliche Bereitstellung von industrietauglichen Schnittstellen beschrieben.

This thesis describes a modular converter concept that was developed in a collaboration of the Institute for Energy Systems and Electrical Drives at the Vienna University of Technology and a partner company, which uses this concept successfully in conjunction with on-site synchronous machines, power units, and systems for energy recovery. This modular system consists of converters of 250 kW per unit with an active regenerative unit. The work includes the description of the core components as well as the aspects of the parallel connection of several converter units to cover a performance range larger than 250kW. From the beginning onwards, a main requirement of the converter concept was the regenerative capacity of the units, since it was planned for use in the field of wind power. The module is designed as a double converter which features a complete inverter on the side of the motor resp. generator, and on the side of the grid. The inverter on the side of the grid enables the module to operate at full strength in all quadrants. In the second chapter of this work we focus on the description of the feedback unit. We discuss the topology of the power section, describe the basic function of a boost converter and explain the minimum requirements for a possible control structure. The 3rd chapter deals with the side of the drive. Due to the similar topology of the power unit this chapter comprises an overview of the synchronous machine, as well as the basic regulation and the obligatory problem of position detection. The 4th chapter focuses on a regulator, which makes it possible to get rid of the damping resistor on the grid's side. The first step features the identification of the system and the setup of a transfer function, optimally approaching the converter on the grid's side and the filter. A subsequent controller design and stability analysis shows that the output filter can be damped actively. However, for the choice of the controller parameters, the knowledge of the network impedance is required. Furthermore, it is investigated to which extent a change in the network impedance might effect the stability of the controller. In conclusion, the implementation of the scheme on the target system will by analyzed, and a concept for transient locking in the grid. The 5th chapter deals with the implementation of the concepts described above in industry-compatible end device. It describes the design of the core components as well as aspects of the mechanical assembly. Furthermore, the integration of inverter units in a master control unit and the required provision of industrial grade interfaces are explained.