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IGBT-Frequenzumrichtersatz mit entsprechender Messelektronik

Prof. Dr. Michael Bierhoff, Fachbereich Elektrotechnik und Informatik

Der Bereich Leistungselektronik und elektrische Antriebstechnik repräsentiert einen wesentlichen Technologiekomplex, wenn es um Automotive-Applikationen oder die Umwandlung regenerativer Energien geht. Wesentliches Stellglied ist neben der elektrischen Maschine dabei der Stromrichter (auch „Umrichter“) mit der korrespondierenden Leistungselektronik. Von großen Halbleiterherstellern wie Semikron gibt es flexibel einsetzbare Stromrichter mit einem gekapselten Leistungsteil inklusive der nötigen  Treiberelektronik. Sie ermöglichen in Kombination mit entsprechender Mess-, Sensor- und Rechnertechnik verschiedenste Regelungs- und Steuerverfahren für die elektrische Antriebstechnik  zu realisieren.   

Die Weiterentwicklung von industriellen Antriebsapplikationen ist motiviert durch die Forderung, immer effizientere und kompaktere Lösungen zu finden. Hierbei steht immer auch die richtige Auslegung von Umrichter und Maschine im Ensemble (als Antrieb) im Vordergrund. Bei einem gegebenen System ist es dann auch immer noch möglich, durch eine angepasste Pulsweitenmodulation (Trägerfrequenz, Modulationsfunktion) erweiterte Betriebsbereiche anzufahren und - je nach Anwendung - geringere Umrichter- oder Maschinenverluste auf Kosten der jeweils anderen Komponente zu generieren.

Selbstgeführte IGBT-Stromrichter (Insulated Gate Bipolar Transistor) in B6-Brückenschalmtung stellen aktuell die Standardstellglieder in der unteren bis mittleren Leistungsklasse der elektrischen  Antriebstechnik dar. In einer sogenannten Back-to-Back-Anordnung können sie zu einem kompletten Frequenzumrichter kombiniert werden, der zu einem bidirektionalen Leistungsfluss befähigt ist.

Häufig wird eine hohe Dynamik kombiniert mit hoher Verfügbarkeit vom Antriebssystem gefordert, was entsprechende Anforderungen an die Robustheit des Antriebs stellt. Ein Aspekt hierbei ist das Steuer- und Regelungsverfahren, welches die PWM-Signale (PWM, Pulsweitenmodulation) an den Stromrichter erzeugt. Es ist nun für die Erforschung dieser Steuer- und Regelungsverfahren ein Testsystem anzustreben, das in der Hardware industriellen Standards entspricht und auf der anderen Seite einen flexiblen Eingriff in die Steuerung bis hin zur Ansteuerung der einzelnen Leistungshalbeiter (IGBT) durch PWM-Signale ermöglicht.

Die Kombination aus vorhandenen Rechnerkarten mit den beantragten Stromrichtern ermöglicht die Untersuchung von verschiedenen kompletten  Steuerungs- und Regelungsverfahren bis hin zur Pulsweitenmodulation an bereits im Labor vorhandenen elektrischen Maschinen oder auch industriellen Prototypen. Ein solcher Aufbau ist also dazu geeignet, elektrische Antriebslösungen für die Industrie in Bezug auf zu bevorzugende Regelungsalgorithmen oder elektrische Motoren zu überprüfen und ggf. zu optimieren.

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