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MA – Inbetriebnahme eines 3-Level-Umrichters

Inbetriebnahme eines 3-Level-Umrichters zur Untersuchung verschiedener Ansteuerverfahren und deren Einfluss auf Stromqualität und Spannungssymmetrie

Kurzzusammenfassung

Der Neutral Point Clamped Umrichter ist der am häufigesten verwendete Multilevel-Umrichter. Er zeichnet sich gegenüber konventionellen 2-Level-Umrichtern durch geringere Oberschwingungsverzerrungen im Ausgang und geringere Belastung der Schaltelemente aus. Ein entscheidender Einfluss auf die Leistungsfähigkeit eines Umrichters liegt bei den Ansteuerverfahren. Ihnen fällt die Aufgabe zu, die positiven Eigenschaften der Topologie zur Geltung zu bringen.

Im Rahmen dieser Arbeit werden kontinuierliche und diskontinuierliche Modulationsverfahren vorgestellt und als trägerbasierte Modulation implementiert. Es wird ein Programm entwickelt, das die Darstellung der implementierten Verfahren im Raumzeigerdiagramm ermöglicht. Auf dieser Basis werden Parallelen der trägerbasierte Modulation und der Raumzeigermodulation erarbeitet. Für den sicheren Betrieb wird die Ansteuerung der Schaltelemente um eine Totzeit erweitert. Durch die Totzeit entsteht in der Ausgangsspannung ein Fehler gegenüber der idealen Modulation ohne Totzeit. Dieser Fehler wird für die Ansteuerverfahren analysiert und die Auswirkung auf die Grundamplitude und das Spektrum der Harmonischen getrennt ausgewertet.

Ein Nachteil des NPCs ist die notwendige Balancierung der Zwischenkreisspannungen. In diesem Zusammenhang werden die Modulationsverfahren in Bezug auf stationäre Abweichungen und den dynamischen Spannungsripple im Zwischenkreis untersucht. Dabei wird insbesondere beschrieben, wie der Zwischenkreisripple in die Ausgangsspannung eingeht. Es werden darüber hinaus weitere Ursachen für Oberschwingungsverzerrungen im Ausgang erörtert und die Verzerrungen aufgrund der Totzeit und des Zwischenkreisripples isoliert untersucht. Danach werden die Oberschwingungsverzerrungen des Gesamtsystems bewertet. Abschließend wird ein Evaluationsumrichter um die nötige Messhardware erweitert und mit den vorgestellten Modulationsverfahren in Betrieb genommen.

Abstract

The neutral-point-clamped inverter is the most widely used multilevel inverter topology. Compared with conventional 2-level inverters, the NPC offers reduced output voltage distortion and lower voltage stress of the semiconductors allowing the usage of lower voltage devices. Another key aspect affecting the inverter`s performance is the choice of the modulation strategy.

In this thesis, a variety of continious and discontinious modulation schemes are presented and implemented using carrier-based modulation. A program is developed that allows the illustration of modulation schemes in a space vector diagram. Based on this illustration, parallels between carrier-based modulation and space vector modulation are drawn. To prevent a short circuit in the dc link, a time delay is inserted in the switching signals. This time delay causes an error in the output voltage. The error voltage is analysed for the modulation schemes distinguishing between effects on the fundamental amplitude and the lower harmonics.

A drawback of the NPC inverter is that its neutral-point needs to be balanced. The modulation schemes are examined concerning stationary and dynamic variation in the dc link. Special attention has been drawn on how the dynamic dc link ripple influences the output voltage. In the further course, causes of low-frequency harmonic content in the output voltage are identified. Additionally, the harmonic distortion due to the aformentioned time delay and dc link ripple are investigated independently. Afterwards the harmonic performance of the overall system is evaluated.

Finally, an evaluation inverter is commissioned with promising modulations schemes.

Bearbeiter: Simon Quergfelder

Betreuer: Andreas Lukaschik (Fraunhofer IISB) – Telefon: 0911-56854 9174; Email: Andreas.Lukaschik@iisb.fraunhofer.de

Für Studienfächer: EEI

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März