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3-level Umrichter in NPC-Topologie 1

3-Level Umrichter in NPC-Topologie für das Mittelspannungsnetz  mit softwarebasierter Zwischenkreisstabilisierung

Drehzahlvariable Antriebe werden in beinahe allen Anwendungsgebieten und Leistungsklassen eingesetzt. Stand der Technik ist, das Gesamtsystem aus Motor und zugehörigem Frequenzumrichter möglichst kompakt aufzubauen, um ein minimales Bauvolumen zu erreichen. Zur Vermeidung von abgestrahlten Störungen ist es außerdem erforderlich, Motor und Frequenzumrichter möglichst dicht beieinander anzuordnen.

Um dies zu erzielen, kommen Sonderbauformen zum Einsatz, bei denen der Frequenzumrichter direkt in den Motorklemmenkasten integriert ist. Diese sogenannten Umrichtermotoren bieten zusätzlich den Vorteil, dass bei einem Umrichterdefekt das Gesamtsystem schneller ausgetauscht werden kann. Umrichtermotoren sind mit Leistungen von unter 1 kW bis 1.000 kW am Markt verfügbar. Der Betrieb ist derzeit allerdings nur an Niederspannungsnetzen mit Außenleiterspannungen von 400 V oder 690 V möglich.

Im Rahmen eines aktuellen Forschungsvorhabens wurde gemeinsam mit einem Hersteller von Motoren und Umrichtern für Spezialanwendungen ein 3-Level Umrichtermotor in NPC-Topologie mit einer Nennleistung von 1.500 kW bei einer Netzspannung von 3.300 V entwickelt, als Labormuster aufgebaut (vgl. Abb. 1) und im Prüffeld des IALB zunächst mit Niederspannung in Betrieb genommen.

Multi-Level Topologien reduzieren die Spannungsänderung (dU/dt) an der Maschine, sowie die notwendige Sperrfähigkeit der einzelnen IGBT-Module. Zusätzlich wird durch die verschiedenen ansteuerbaren Spannungsniveaus die Signalqualität der Ständergrößen verbessert.

Während bei Zwei-Level Umrichtern nur eine Kapazität für den Gleichspannungszwischenkreis notwendig ist, sind bei Multi-Level Umrichtern, abhängig von der Topologie und der Anzahl der Level, mehrere Kapazitäten erforderlich. Um zu verhindern, dass sich die Zwischenkreispotentiale während des Betriebes durch Umladen der Kapazitäten verschieben, wurde eine Zwischenkreisstabilisierung durch Modifikation des Vektormodulators entworfen und integriert. Außerdem wird bei der Ansteuerung des Umrichters das Schaltverhalten der IGBT-Module berücksichtigt.

Für die Ansteuerung des Umrichters wurde eine Mikrorechnerkarte basierend auf einem F28M35x Concerto Mikrocontroller von Texas Instruments entwickelt und mit einer feldorientierten Drehzahlregelung in Betrieb genommen.

Abb. 2 zeigt die Drehzahlregelung eines Antriebes. Dabei wird zu Beginn der Messung ein Feld aufgebaut und nach 5 s Betriebsdauer ein Sollwertsprung auf positive Nenndrehzahl durchgeführt. Abschließend wird der Betrieb nach 35 s reversiert.

Die Nenndrehzahl der Versuchsmaschine wird dabei sicher und ohne Überschwinger erreicht. Die Zwischenkreisspannungen bleiben während des gesamten Versuchs nahezu konstant.

Zum Abschluss dieses Projektes soll der Umrichter beim Projektpartner mit Mittelspannung in Betrieb genommen werden. Die entwickelte Software kann dazu direkt übernommen werden. Der nächste Schritt ist die Integration dieses Umrichters in den Motorklemmkasten.

AIF Projekt GmbH

Förderkennzeichen: KF2663903RP2