Der modulare Hochfrequenz-Umrichter - Steuerung, Auslegung, Aufbau:
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Aachen
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2015
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INHALTSVERZEICHNIS
DANKSAGUNG I
1 EINLEITUNG 1
2 STAND DER TECHNIK 5
2.1 ELEKTRISCHES ANTRIEBSSYSTEM IN DER ELEKTROMOBILITAET 5
2.1.1 REDUKTION DER KAPAZITAET
CZK AM
DC-BUS 8
2.1.2 REDUKTION DES KUEHLUNGSAUFWANDS 9
2.1.3 FILTERAUFWAND IM KONVENTIONELLEN ELEKTRISCHEN ANTRIEBSSTRANG .
10
2.1.4 ZUSAMMENFASSUNG UND HERLEITUNG DER ANFORDERUNGEN AN EFFIZIENTE
ANTRIEBS WECHSELRICHTER 11
2.2 ZWISCHENKREISKONDENSATOREN 13
2.3 LEISTUNGSHALBLEITER 17
2.3.1 EINLEITUNG 17
2.3.2 SCHALTVERHALTEN VON FETS 22
2.3.2.1 SCHALTVERHALTEN BEI INDUKTIVER LAST UNTER BERUECKSICHTI
GUNG PARASITAERER KAPAZITAETEN 22
2.3.2.2 EINFLUSS VON PARASITAEREN INDUKTIVITAETEN 25
2.3.2.3 EINFLUSS VON FREILAUFDIODEN 27
2.3.3 ENTWICKLUNGSPOTENTIAL-AUSBLICK 30
2.4 AUFBAUTECHNIK UND PACKAGING 33
2.4.1 AUFBAU VON LEISTUNGSELEKTRONIK MIT LEISTUNGSMODULEN 34
2.4.2 AUFBAU VON LEISTUNGSELEKTRONIK AUF LEITERPLATTENBASIS 37
2.4.2.1 LEITERPLATTENTECHNOLOGIEN 37
2.4.2.2 ENTWICKLUNGEN DER GEHAEUSETECHNIK (PACKAGING) VON DIS
KRETEN LEISTUNGSSCHALTERN 40
3 AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE DES MODULAREN HOCHFREQUENZ UMRICHTERS 45
3.1 DER LEISTUNGSTEIL DES MHF UMRICHTERS 45
3.2 STEUERUNGS- UND REGELUNGSSTRUKTUR 48
III
HTTP://D-NB.INFO/1068231831
INHALTSVERZEICHNIS
3.3 VORAUSSETZUNGEN UND DEFINITIONEN DER SIGNALGROESSEN 49
3.4 STATIONAERER BETRIEB DER DC-SEITC: REGELUNG DES DC-STROMS
IQC
51
3.5 LEISTUNGSPULSATIONEN UND DIMENSIONIERUNG DER ENERGIESPEICHER 52
3.5.1 MODIFIKATION DER DC-SEITIGEN ANSTEUERUNG 53
3.5.1.1 ALLGEMEINE BETRACHTUNG 53
3.5.1.2 DAS DC-SEITIGE MODULATIONSVERFAHREN
DCMODZ
56
3.5.2 MODIFIKATION DER AC-SEITIGEN ANSTEUERUNG 60
3.5.2.1 DAS AC-SEITIGE MODULATIONSVERFAHREN
ACMOD
I 61
3.5.2.2 DAS AC-SEITIGE MODULATIONSVERFAHREN
ACMOD
2
66
3.5.2.3 DAS AC-SEITIGE MODULATIONSVERFAHREN
ACMODS
76
3.5.3 VERGLEICH UND BEWERTUNG DER MODULATIONSVERFAHREN 84
3.5.3.1 REDUKTION DER BENOETIGTEN INSTALLIERTEN ENERGIE
WQ
. 84
3.5.3.2 EINFLUSS DER MODULATIONSVERFAHREN AUF DAS BETRIEBSVERHAL-
TEN DER MASCHINE 86
3.5.3.3 ZUSAMMENFASSUNG UND BEWERTUNG DER ERGEBNISSE 90
3.6 EINFUEHRUNG VON MODELLIERUNGSFUNKTIONEN
H
X
(T)
92
3.7 REGELUNGSSTRUKTUR DES MHF 96
3.8 AUSSTEUERGRENZEN DES MODULAREN HOCHFREQUENZ UMRICHTERS 97
3.9 UNTERSUCHUNG UND MINIMIERUNG DES HOCHFREQUENTEN SCHALTRIPPELS 99
4 BESTIMMUNG DER HALBLEITERVERLUSTE IM MHF UMRICHTER 109
4.1 BERECHNUNG UND OPTIMIERUNG DER DURCHLASSVERLUSTE 109
4.1.1 MINIMIERUNG DER DC-SEITIGEN DURCHLASSVERLUSTE 112
4.1.2 MINIMIERUNG DER AC-SEITIGEN DURCHLASSVERLUSTE 114
4.2 SCHALTVERLUSTE 118
5 AUSLEGUNG DES GESAMTSYSTEMS MIT MHF UMRICHTERN 121
5.1 GRUNDLAGEN & DEFINITIONEN: MODELL UND KENNFELDER DER MASCHINE 122
5.2 EINFUEHRENDES BEISPIEL: ANPASSUNG AN EINE GEGEBENE MASCHINE 125
5.3 BESCHREIBUNG DER BEGRENZENDEN SYSTEMGROESSEN 131
5.4 DARSTELLUNG MOEGLICHER BETRIEBSSTRATEGIEN UND DEREN EINFLUSS AUF DIE
AUSLE
GUNG 134
5.4.1 BETRIEB DES MHF UMRICHTERS IM ANKERSTELLBEREICH 134
5.4.2 BETRIEB DES MHF UMRICHTERS IM FELDSCHWAECHBEREICH 138
5.4.3 LEERLAUFBETRIEB (
MM
= 0) BEI
UE
TOT
UC
139
5.4.4 AUSWIRKUNGEN DER BETRIEBSSTRATEGIE DES ANTRIEBSSYSTEMS AUF DIE BE
NOETIGTE INSTALLIERTE KONDENSATORENERGIE 141
IV
INHALTSVERZEICHNIS
5.5 AUSWIRKUNG DER MHF KONFIGURATION AUF DESSEN EFFIZIENZ 144
5.6 ALTERNATIVE SUBMODULVARIANTEN FUER DIE MINIMIERUNG VON WC 149
5.6.1 DOPPEL-SUBMODUL (D-SM) UND 3-PHASEN-SUBMODULE (3PH-SM) . . 149
5.6.2 DAS VOLLBRUECKEN-SUBMODUL (VB-SM) 151
5.6.3 SUBINODUL MIT AC-SEITIGEN MIS-UMRICHTER (MIS-SM) 153
5.6.4 VERGLEICH DER ALTERNATIVEN SUBMODULTOPOLOGIEN 153
6 AUSLEGUNG UND REALISIERUNG EINES MHF SUBMODULS 157
6.1 EINLEITUNG - ANFORDERUNGEN AN SCHNELL SCHALTENDE LEISTUNGSELEKTRONIK
. . . 157
6.2 AUFBAU DES LCISTUNGSTEILS 159
6.2.1 DAS KONZEPT VON SWITCHING CELLS 159
6.2.2 DESIGN EINER NIEDERINDUKTIVEN SWITCHING CELL 163
6.2.3 ERWEITERTE, OPTIMIERTE SWITCHING-CELL FUER DEN MHF UMRICHTER . . .
166
6.3 AUSLEGUNG UND REALISIERUNG DER TREIBERSCHALTUNG 173
6.3.1 ENTWICKLUNG DER TREIBERSCHALTUNG 174
6.3.2 ERZEUGUNG DER VERSORGUNGSSPANNUNG DES TREIBERS 175
6.3.3 AUSLEGUNG DER GATEWIDERSTAENDE 178
6.4 MESSUNGEN AN DER REALISIERTEN LEISTUNGSPLATINE 181
6.4.1 SCHALTVCRHALTEN UND ABSCHAETZUNG DER KOMMUTIERUNGSINDUKTIVITAET .
181
6.4.2 ABSCHAETZUNG DER AUFTRETENDEN SCHALTVERLUSTE 184
6.5 SUBMODUL-STEUERUNGSELEKTRONIK 189
6.5.1 AUFBAU UND AUFGABEN DER LOKALEN STEUERUNGSEINHEIT (LSE) DES
SUBMODULS 189
6.5.2 INTERNE KOMMUNIKATIONSSCHNITTSTELLE 190
6.5.2.1 UEBERTRAGUNGSMEDIUM 191
6.5.2.2 DAS UEBERTRAGUNGSPROTOKOLL 192
6.5.3 ABLAUFSTEUERUNG DES SUBMODULS 196
7 DIE ZSE - EIN STEUERUNGSSYSTEM FUER NEUARTIGE LEISTUNGSELEKTRONIKEN 199
7.1 UEBERBLICK 199
7.2 PROZESSOREINHEIT AUS DSP UND FPGA 201
7.3 HOCH AUFGELOESTE PULSWEITENMODULATION HOHER PULSFREQUENZ 202
7.4 GALVANISCHE TRENNUNG ZWISCHEN ZENTRALER STEUEREINHEIT UND
LEISTUNGSTEIL . 203
7.4.1 MESSWERTERFASSUNG UEBER AS-WANDLER 204
* 7.4.2 TEMPERATURMESSUNG 205
7.5 BENUTZERINTERFACE UND DEBUGGING 206
V
INHALTSVERZEICHNIS
8 SIMULATIONSERGEBNISSE UND MESSUNGEN AM MHF UMRICHTER 209
8.1 BETRIEBSVERHALTEN DES PROTOTYPS 209
8.2 SIMULATIONSERGEBNISSE 216
9 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 221
A WICKLUNGSKONFIGURATIONEN UND BEISPIELMASCHINEN 223
A.L WICKLUNGSKONFIGURATIONEN VON SYNCHRONMASCHINEN 223
A.2 BEISPIELMASCHINEN 229
B HERLEITUNGEN UND NEBENRECHNUNGEN 231
B.L DER STATIONAERE BETRIEB DES MHF UMRICHTERS (DC-SEITC) 231
B.2 AUSSTEUERGRENZEN FUER MASCHINEN MIT GERADZAHLIGER PHASENANZAHL 232
B.3 MAXIMALER STROMRIPPEL EINER 2-LEVEL-SCHALTUNG 235
B.4 BERECHNUNG MOSFET SCHALTVERLUSTE NACH [INFUE6] 236
B.5 VERLUSTOPTIMIMALE HALBLEITERAUFTEILUNG EINER VOLLBRUECKE BEI
SYMMETRISCHER
TAKTUNG 237
B.6 VEREINFACHTE BERECHNUNG DES ENERGIEHUBS AWC NACH [LAML2] 238
B.7 BERECHNUNG DER MINIMAL BENOETIGTE SUBMODULKAPAZITAET AUS DEM ENERGIE
HUB
AW
239
B.8 MAXIMALES DREHMOMENT BEI GEGEBENEN PHASENWINKEL 240
B.9 BERECHNUNG DIVERSER ARBEITSPUNKTE DER ANTRIEBSMASCHINE 243
C NEBENRECHNUNGEN UND ABSCHAETZUNGEN 245
C.L PARASITAERE KAPAZITAETEN UND INDUKTIVITAETEN BEIM LEITERPLATTENDESIGN
. 245
C.2 HARDWARE-ANFORDERUNGEN AN DIE IMPLEMENTIERTE INTERNE KOMMUNIKATION .
. 246
LITERATURVERZEICHNIS 249
EIGENE VEROEFFENTLICHUNGEN 259
BETREUTE ARBEITEN 261
ABBILDUNGSVERZEICHNIS 270
TABELLENVERZEICHNIS 272
VARIABLENUEBERSICHT 273
ABKUERZUNGSVERZEICHNIS 279
VI |
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