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MA – Einflüsse des Umrichtersystems

Untersuchung der Einflüsse eines mehrphasigen, modularen Umrichtersystems auf den Zwischenkreis

Kurzzusammenfassung

Der Zwischenkreis stellt eine zentrale Komponente eines Umrichters dar und dient unter anderem dazu, die Spannung am Eingang der B6-Brückenschaltung zu glätten. Allgemein wird ein niedriger Spannungsrippel angestrebt, der durch eine möglichst große Zwischenkreiskapazität erreicht werden kann. Mit der Kapazität nehmen jedoch auch die Größe, das Gewicht und die Kosten des Zwischenkreises zu. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, die Zwischenkreiskapazität für einen vorgegebenen Spannungsrippel zu minimieren. Vor diesem Hintergrund wurden in dieser Arbeit zwei modulare und mehrphasige Umrichtersysteme untersucht. Hierbei handelt es sich um 9-phasige Systeme mit zentralem und dezentralem Zwischenkreis.

Zunächst wurden die Systeme vorgestellt und als Mehrtore beschrieben. Die Übertragungsfunktionen wurden berechnet und genauer analysiert, insbesondere hinsichtlich der auftretenden Serien- und Parallelresonanzen. Außerdem wurde die Abhängigkeit der Übertragungsfunktionen von den einzelnen Parametern der Schaltung untersucht. Um die Plausibilität der Mehrtorbeschreibung zu überprüfen, wurden die damit berechneten Zwischenkreisspannungen mit simulierten Ergebnissen verglichen.

Es zeigte sich, dass der maximale Spannungsrippel der beiden 9-phasigen Systeme um mehr als 56% niedriger ist als bei dem herkömmlichen 3-Phasensystem. Bei genauerer Betrachtung stellte sich heraus, dass dafür hauptsächlich die Verwendung eines mehrphasigen Ansatzes verantwortlich ist und die Topologie keinen nennenswerten Einfluss hat. Außerdem wurde deutlich, dass die Parallelresonanz durch den Zwischenkreiskondensator und die Induktivität der Batterieleitung für den Spannungsrippel von hoher Bedeutung ist. An einem Beispiel wurde verdeutlicht, dass sich der Rippel des 3-Phasensystems durch eine ungünstige Wahl der Parameter um 121% erhöht.

Abstract

The DC-link is a key component of every inverter. Its main purpose is to smooth the input voltage of the B6-bridge. In general, a low voltage ripple is preferable, which can be achieved by a high DC-link capacitance. The major drawbacks of a larger capacity are the bigger size, the higher weight and the higher costs. Therefore, it is desirable to minimize the capacity for a given voltage ripple. The objective of this master’s thesis is to analyze two modular and multiphase inverter systems in this context.

At first, the inverter systems were introduced and their multiport representations derived. The relevant transfer functions were calculated and examined regarding their parallel and series resonances. Furthermore, the infl uence of different parameters on the transfer characteristics were analyzed. To check the plausibility of the multiport representation, the results were compared to those of a simulation.

It was shown that the maximum voltage ripple of the modular and multiphase Inverter systems is more than 56% lower compared to a conventional 3-phase system. On closer examination, the multiphase approach was identified as the main cause for this reduction, whereas the topology of the inverter systems has no significant impact on the voltage ripple. Moreover, the relevance of the parallel resonance, caused by the
connection between the battery and the dc-link, for the voltage ripple was demonstrated. An example illustrated that the voltage ripple of the 3-phase system increases by 121% for an unfavorable choice of parameters.

Bearbeiter: Albert Käß

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

Für Studienfächer: EEI, Energietechnik

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März