Höherfrequente Parasitäreffekte in Antrieben mit unkonventionellen Umrichtern

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Das Teilprojekt 1 des Projektleiters befasst sich mit den höherfrequenten Parasitäreffekten bei Antrieben mit dem heute ganz überwiegend eingesetzten Spannungs- Zwischenkreis Umrichtern (Zwei Stufen U- Umrichter). Neben diesem standard Umrichtertyp sind zahlreiche weitere Topologien bekannt, von denen sich einige am Markt etablieren konnten bzw. gerade in der Markteinführung stehen. Eine Teilmenge daraus, nämlich der (A) Resonant schaltende Umrichter (B) Drei- Stufen U- Umrichter (C) Matrix Umrichter sollen im vorliegenden Teilprojekt hinsichtlich der höherfrequenten Parasitäreffekte detailliert untersucht werden. Diese Umrichtertypen werden mit den gleichen, schnellschaltenden IGBTs betrieben wie der im Teilprojekt 1 behandelte U- Umrichter, allerdings ist topologiebedingt mit z.T. ganz anderen Auswirkungen auf die motorseitigen Überspannungen und die Gleichtaktströme zu rechnen. Es gibt eine große Vielzahl von Topologien resonant schaltender Umrichter. Gemeinsames Merkmal ist, dass entweder durch stromloses Ausschalten (ZCS zero current switching) oder spannungsloses Einschalten (ZVS zero voltage switching) die Schaltverluste in den Halbleitern wesentlich kleiner als bei den hart schaltenden 2-Stufen U- Umrichtern sind (allerdings entstehen in den Resonanzelementen neue Verluste). Im Grundsatz ist den resonant schaltenden Umrichtern gemeinsam, dass die steilen Flanken in der Ausgangsspannung durch Ausschnitte aus Resonanzschwingungen ersetzt werden. Damit ist trotz sehr schnellem und sehr verlustarmen Schalten der Halbleiter die Steigung der Ausgangsspannung begrenzt, was reduzierte Überspannungen und reduzierte Gleichtaktströme erwarten lässt. Der Drei- Stufen U- Umrichter ist die einfachste Form aus der großen Familie von Mehrstufen-Umrichtern. Derzeit wird er hauptsächlich verwendet bei hohen Spannungen, die bei hohen Leistungen verbunden mit niedrigen Schaltfrequenzen auftreten. Bezogen auf den Mittelpunkt der Zwischenkreisspannung erzeugt der 3-Slufen Umrichter nur halb so hohe Stufen in der Ausgangsspannung wie der 2-Stufen U-Umrichter. Zu erwarten sind daher auch entsprechend reduzierte Überspannungen am Motor. Beim Matrix- Umrichter gibt es keinen Zwischenkreis, der mittels eines relativ großen Energiespeichers die netzseitige und die maschinenseitige Energieumformung von einander weitgehend entkoppelt. Von den maschinenseitigen Klemmen des Matrix- Umrichters aus betrachtet sieht man außer den Halbleitern die Kondensatoren des netzseitigen Filters. Da diese eine wesentlich kleinere Kapazität als ein Zwischenkreiskondensator haben, ergibt sich auch vom Kabel aus gesehen ein anderer Frequenzgang des Innenwiderstandes. Welche Aus- und Rückwirkungen dies auf die Wanderwellen auf dem Motorkabel hat, ist bisher weitgehend ungeklärt.