Modellbildung, Dimensionierung und modellbasierte Regelung des Modularen Mehrpunktstromrichters zur systemoptimalen Betriebsführung von Drehstrommaschinen

Produktbeschreibung

Die vorliegende Arbeit wendet sich an Ingenieur*innen und Wissenschaftler*innen aus der Elektrotechnik. Sie befasst sich mit der Ansteuerung von Drehstrommaschinen durch den Modularen Mehrpunktstromrichter (M2C) auf Basis einer allgemeinen Lastdefinition und der umfänglichen analytischen Lösung der Systemgleichungen. Diese Lösung bildet die Grundlage zur Regelung der Zweigenergien bei einer minimalen Komponentenbelastung, indem die Steuergrößen identifiziert und die Möglichkeiten einer modellbasierten Regelung aufgezeigt werden. Des Weiteren wird ein Auslegungsverfahren vorgestellt, welches mit geringer Rechenzeit eine umfängliche Variation der Systemparameter des M2Cs in Kombination mit einer Drehstrommaschine erlaubt. Die gezeigten Regelungs- und Ansteueralgorithmen werden außerdem mittels Simulationen sowie durch einen Versuchsaufbau verifiziert.

Inhaltsverzeichnis
Vorwort III
Symbolverzeichnis VII
Kurzfassung XVIII
Abstract XX
1 Einleitung 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Eigenschaften und Klassifizierung von Mehrpunktstromrichtern . . 3
1.2.1 Neutral-Point Clamped Topologien . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2 Flying Capacitor Topologie . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.3 Cascaded H-Bridge Topologie . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.4 Hybrid Topologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.5 Modular Multilevel Converter Topologie . . . . . . . . . . 10
2 Modellbildung 14
2.1 Modellbildung mit allgemeiner Lastdefinition . . . . . . . . . . . . 15
2.1.1 Allgemeines Differentialgleichungssystem . . . . . . . . . . 17
2.1.2 Definition der Zweigstrom- und Gleichtaktspannungsfunktion . . . . . . . 28
2.1.3 Analyse der symmetrischen Zweigenergien . . . . . . . . . 37
2.1.4 Analyse der asymmetrischen Zweigenergien . . . . . . . . . 51
2.1.5 Separation der Last- und Umrichterströme . . . . . . . . . 56
2.1.6 Anfangsbedingung der Kondensatorspannung . . . . . . . 58
2.2 Maschinenmodell am Beispiel der permanentmagneterregten Synchronmaschine . . . 61
3 Regelung und Ansteuerung des elektrischen Triebstrangs 69
3.1 Systemregelung durch die Zweigströme . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2 Separate Umrichter- und Lastregelung . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.1 Regelung der internen Umrichterströme . . . . . . . . . . . 75
3.2.2 Zweigenergieregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.3 Maschinenregelung am Beispiel der PMSM . . . . . . . . . 79
3.3 Modulation und Symmetrierung der Submodulspannungen . . . . 83
3.3.1 Modulationsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
VInhaltsverzeichnis
3.3.2 Sortieralgorithmus zur Symmetrierung der Submodulspannungen  . . . . . . . 91
3.4 Systemsimulation mit diskretem Umrichtermodell . . . . . . . . . 93
3.4.1 Regelung der Zweigströme mittels Fehlerfunktion . . . . . 94
3.4.2 Validierung der Systemgleichungen . . . . . . . . . . . . . 97
3.4.3 Separierung der Umrichter- und Lastregelung . . . . . . . 99
4 Verfahren zur Systemauslegung 102
4.1 Bestimmung der Betriebscharakteristik des PMSGs . . . . . . . . 105
4.2 Auslegungsverfahren zum M2C mit Maschinenlast . . . . . . . . . 109
4.2.1 Bestimmung der Zweiginduktivität . . . . . . . . . . . . . 112
4.2.2 Dimensionierung der Submodulkondensatoren . . . . . . . 116
4.2.2.1 Identifikation auslegungsrelevanter Betriebspunkte . . . . . . . . . 117
4.2.2.2 Reduktion der Spannungsschwankung durch die
Gleichtaktspannung . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.2.2.3 Minimierung der Kondensatorspannungsbelastung durch Kreisströme . . . . . . . . . . . . . . 122
4.2.2.4 Temperaturbelastung der Submodulkondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.2.3 Charakterisierung der Leistungshalbleiter . . . . . . . . . . 127
4.2.3.1 Regressionsmethode . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.2.3.2 Interpolationsmethode . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.2.4 Dimensionierung der Leistungshalbleiter . . . . . . . . . . 137
4.2.5 Auslegung der Zweigdrossel . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5 Messtechnische Validierung der Betriebsführung 156
5.1 Signalverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.2 Betrieb der Modellanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.2.1 Vorladung der Submodulkondensatoren . . . . . . . . . . . 160
5.2.2 Betrieb des LV-M2Cs an einer induktiven Last . . . . . . . 162
5.2.3 Betrieb des LV-M2Cs mit einer Asynchronmaschine . . . . 163
6 Fazit 170
6.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
Literaturverzeichnis 174

Keywords: Modularer Mehrpunktstromrichter, Modelbasierte Regelung, Analytische Lösung, Drehstrommaschine, Windenergieerzeugung, Auslegungsverfahren, Modular Multilevel Converter, model-based control, analytical solution, threephase electrical machine, wind power generation, design procedure