Regelungs- und Modulationsstrategien für den Stromzwischenkreisumrichter mit Asynchronmaschine

Stromzwischenkreisumrichter ermöglichen in der elektrischen Drehstromantriebstechnik den dynamischen Betrieb von Drehfeldmaschinen. Grundsätzlich bieten die sinusförmigen Strom- und Spannungsformen auf der Netz- und Maschinenseite sowie die RückspeiseHihigkeit umrichterspezifische Vorteile. In der Arbeit werden Regelungs- und Modulationsstrategien für den schnelltaktenden, raumzeigermodulierten Stromzwischenkreisumrichter im mittleren Leistungsbereich untersucht. Ziel der Untersuchungen war es, schnelle Regelverfahren für eine hohe Gesamtdynamik des Stromzwischenkreisumrichters aufzuzeigen und eine zugleich verlustoptimierte Führung des Umrichters zu erreichen. Es erfolgt zunächst eine Gesamtmodellierung des Umrichters mit der Asynchronmaschine unter Berücksichtigung der Leistungsbeziehungen. Aufgrund der Durchlassverluste der Ventile erweist sich eine Stromrichterführung als günstig, die im Teillastbereich der Maschine den Zwischenkreisstrom stationär absenkt, allerdings nur soweit, dass zusammen mit schnellen Mehrgrößen-Regelungen eine hohe Gesamtdynamik des Umrichters gelingt. Zunächst wird mit einer Mehrgrößen-PI-Regelung mit Tuning-Strategie eine stationär entkoppelte Regelung des Netzblind- und -wirkstromes erreicht. Allerdings kann mit ihr als Grundschwingungsverfahren nicht die geforderte Schnelligkeit für eine hohe Gesamtdynamik des Umrichters erreicht werden. Mit der optimalen Zustandsregelung als einem weiteren Mehrgrößenregelverfahren wird erstmals in dieser Arbeit ein Regelungskonzept für den Netzgleichrichter umgesetzt, das eine garantierte Stabilität bei zugleich hoher Dynamik bietet. In der Arbeit wird die optimale Zustandsregelung des Netzgleichrichters der Zwischenkreisstromregelung unterlagert, wobei ebenfalls sehr geringe Anregelzeiten des Zwischenkreisstromes aufgezeigt werden. Ebenso wie die Minimierung der Durchlassverluste wird eine Reduktion der Schaltverluste angestrebt. Es werden dazu raumzeigerorientierte Modulationsverfahren mit fester Schaltfrequenz gegenübergestellt. Den simulativen Untersuchungen auf diesem Gebiet werden in dieser Arbeit Messergebnisse gegenübergestellt. Außerdem wird eine gesteuerte Strategie zur Totzeitkompensation angegeben. Zur Verifiktation der Forschungsüberlegungen wurde ein Stromzwischenkreisumrichter in B6-Topologie mit IGBTs und Seriendioden in Betrieb genommen. Das Verhalten der optimalen Zustandsregelung am Netzgleichrichter wurde untersucht. Prinzipiell wird die theoretische Wirkungsweise bei der Gewichtung der Bewertungsparameter bestätigt. Es werden stationär sinusformige Netzströme mit geringem Oberschwingungsgehalt gemessen. Zugleich wird in den Laboruntersuchungen ein sehr schnelles Anregelverhalten ohne Anregung von Oszillationen festgestellt. Messungen zur feldorientierten Regelung der Asynchronmaschine bestätigen ein schnelles Anregelverhalten ebenso auf der Wechselrichterseite, so dass ein hochdynamische Regelung mit dem Stromzwischenkreiskonzept bei günstigen Durchlassverlusten aufgezeigt wird.