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MA – Diskontinuierliche Pulsweitenmodulation (DPWM)

Diskontinuierliche Pulsweitenmodulation (DPWM)

Kurzzusammenfassung

In elektrisch angetriebenen Fahrzeugen werden Umrichter eingesetzt, welche die Batteriegleichspannung in 3-phasigen Wechselstrom für den elektrischen Antrieb umwandeln. Die Umrichter bestehen meistens aus sechs IGBTs. Mittels Pulsweitenmodulation (PWM) werden diese IGBTs so geschalten, dass sich die gewünschte Amplitude und Frequenz der drei Phasenströme einstellt.

Neben dem weit verbreiteten Raumzeigermodulationsverfahren, bei dem die Pulserzeugung kontinuierlich auf allen drei Klemmen abläuft, werden in dieser Arbeit sechs alternative diskontinuierliche Modulationsverfahren betrachtet, die die Pulserzeugen auf je einer Klemme zeitweise aussetzen und damit ein Drittel weniger Schaltvorgänge benötigen. Die verschiedenen diskontinuierlichen Verfahren, unterscheiden sich in der Lage des nicht geschalteten Bereichs sowie der jeweiligen Auswahl, welcher der beiden Nullzeiger verwendet wird. Allerdings verursachen diskontinuierliche PWM-Verfahren (DPWM) zusätzliche Oberwellen auf den Phasenströmen und damit unter anderem Ummagnetisierungsverluste im Motor. Diese Arbeit betrachtet die Wirkungen der DPWM-Verfahren im Hinblick auf die Verlustreduzierung exemplarisch für das Gesamtsystem des Schaeffler Radnabenantriebs. Hierzu werden mathematisch analytisch und numerisch simulative Methoden eingesetzt.

Die Verluste im Umrichter teilen sich in Durchlass- und Schaltverluste auf. Während DPWM-Verfahren die Durchlassverluste kaum mindern, können Schaltverluste abhängig von Strom-Spannungs-Phasenversatz auf bis zu 50% reduziert werden.

Zur quantitativen Bewertung der Stromoberwelligkeit wird sowohl der Harmonic Distortion Factor (HDF) als auch die Weighted Total Harmonic Distortion (WTHD) in Abhängigkeit der DPWM-Verfahren und des Modulationsgrades berechnet. Es zeigt sich, dass DPWM-Verfahren bei hohen Modulationsgraden und erhöhter PWM-Grundfrequenz eine geringere Oberwelligkeit aufweisen als die Raumzeigermodulation. Hierbei wird der Schaltverlustvorteil der DPWM-Verfahren durch die Erhöhung der PWM-Grundfrequenz gemindert.

Um die Auswirkungen der Modulationsverfahren auf das Gesamtsystem zu ermitteln, wurden die Einflüsse der Stromwelligkeit auf den Zwischenkreiskondensator und den Motor analysiert. Die Verluste im Zwischenkreiskondensator des Radnabenantriebes werden durch die diskontinuierlichen Verfahren nicht beeinflusst. Eine spektrale Untersuchung des Kondensatorstroms zeigt Anteile für die dreifache Motorumlauffrequenz und der PWM-Grundfrequenz für alle DPWM-Verfahren. Daraus resultiert eine höhere Welligkeit der Zwischenkreisspannung. Diese ist zwar für die hier vorliegende Anwendung wegen der großen Kapazität des Kondensators im geforderten Bereich, allerdings sollte die Spannungswelligkeit individuell für jedes Konzept betrachtet werden. Eine genaue Abschätzung der Motorverluste in Abhängigkeit der PWM-Verfahren ist ohne Messung nicht möglich.

Die Analyse der ARTEMIS Fahrzyklen ergibt eine maximale Einsparung der Verluste in der Leistungselektronik von 20 % gegenüber der Raumzeigermodulation. Wird ausschließlich das „TopBot“-Verfahren genutzt, so liegt die mittlere Einsparung bei 17 %.

Die DPWM-Verfahren bringen, abhängig von einigen Bedingungen, Vorteile gegenüber Raumzeigermodulation mit sich. Durch die Beeinflussung des Umrichters auf die restlichen Komponenten, sind diese Bedingungen für jedes System minimal unterschiedlich. In dieser Arbeit wird ein Entscheidungsbaum entwickelt, der die komplexe Auswahl eines geeigneten PWM-Verfahrens vereinfacht.

Abstract

In electrically powered vehicles, converters are used to convert the battery voltage into 3-phase alternating current for the electric motor. The inverters are mostly built up of six IGBTs. These IGBTs are switched by pulse width modulation (PWM) in such a way that the desired amplitude and frequency of the three phase currents are established.

In addition to the widely used space vector modulation method, in which the pulse generation is continuous on all three terminals, six alternative discontinuous modulation methods are considered. These temporarily set the pulse units on a terminal and require a third less switching operations. The various discontinuous methods differ in the position of the non-switched range as well as in the respective selection which of the two zero pointers is used. However, discontinuous PWM-methods (DPWM) cause additional harmonic waves on the phase currents and thus iron losses in the motor. This work considers the effects of the DPWM-methods with regard to the loss reduction as an example for the overall system of the Schaeffler wheel hub drive. For this purpose mathematical analytical and numerically simulative methods are used.

The inverter losses are divided in conduction and switching losses. While DPWM rarely reduces the conduction losses, the switching losses can be reduced up to 50% depending on displacement of phase.

The harmonic distortion factor (HDF) as well as the weighted total harmonic distortion (WTHD) are calculated according to the DPWM-method and the range of modulation. It is shown that DPWM-methods have lower current ripple than the space vector modulation at high modulation levels with an increased PWM frequency. The switching loss advantage of the DPWM-methods is thereby mitigated by the increase of the PWM frequency.

In order to determine the effects of the modulation methods on the overall system, the influences of the current ripple on the DC-link capacitor and the motor were analyzed. The losses in the DC-link capacitor of the wheel hub drive are not influenced by the discontinuous methods. A spectral study of the capacitor current shows a higher third harmonic of the motor frequency and greater sideband at the PWM frequency for all DPWM-methods. This results in a higher ripple of the DC-link voltage. For the present application these ripples are in the required range because of the large capacity of the capacitor, but the voltage ripple should be considered individually for each concept. An accurate estimation of the motor losses as a function of the PWM-method is not possible without measurement.

The analysis of the common ARTEMIS driving cycles (CADC) results in a maximum saving of the inverter losses of about 20% compared to the space vector modulation. If only the „TopBot“ method is used, the average saving is around 17%.

The DPWM-methods leads to advantages in comparison to space vector modulation. This advantages depends on some conditions. The inverter is influencing the remaining components, thus these conditions are minimally different for each system. In order to simplify the selection of the PWM-method, regardless of this complexity, the developed decision tree can be used.

Bearbeiter: Maximilian Werb

Betreuer: Dr. Georg Drenkhahn (Schaeffler);

Stefan Piepenbreier (Fraunhofer IISB) – Telefon: 09131-761572; Email: Stefan.Piepenbreier@iisb.fraunhofer.de

Für Studienfächer: EEI, Mechatronik, Energietechnik

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März