Optimale Betriebsführung des modularen Multilevel-Umrichters als Antriebsumrichter für Drehstrommaschinen:
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Karlsruhe
KIT Scientific Publ.
2014
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INHALTSVERZEICHNIS
1 EINLEITUNG 1
1.1 DER MODULARE MULTILEVEL-UMRICHTER ALS ANTRIEBS
UMRICHTER - ZIELE DER FORSCHUNGSARBEIT 1
1.2 STAND DER TECHNIK 4
1.3 GLIEDERUNG UND VORGEHENSWEISE 11
2 GRUNDLAGEN ZUM MMC 15
2.1 STRUKTUR DES MMCS 15
2.1.1 SCHALTUNGSNETZWERK DES MMCS 15
2.1.2 MODULARITAET DURCH IDENTISCHE ZELLEN 17
2.1.3 ZUSAMMENHANG ZWISCHEN ZELLEN UND ZWEIG . 20
2.1.4 ENERGETISCHE ZUSAMMENHAENGE EINES ZWEIGS . 22
2.1.5 FUNKTION DER ZWEIGINDUKTIVITAET 24
2.2 ENTKOPPELTE STROMEINPRAEGUNG 25
2.2.1 HERLEITUNG DURCH EINPHASIGES ERSATZSCHALTBILD . 26
2.2.2 DREIPHASIGE STROMEINPRAEGUNG IN TRANSFORMIERTEN
KOORDINATEN 29
2.2.3 ZUSAMMENSETZUNG DER ZWEIGSPANNUNGEN 32
3 STEUERVERFAHREN ZUR SYMMETRIERUNG DER ZWEIGENERGIEN 35
3.1 SYMMETRIERUNG PHASENWEISE 37
3.2 TRANSFORMATION DER ZWEIGLEISTUNGEN 40
3.2.1 DEFINITION DER GROESSEN 40
3.2.2 HERLEITUNG DER TRANSFORMIERTEN ZWEIGLEISTUNGEN . . 43
3.3 IDENTIFIKATION DER WIRKLEISTUNGSKOMPONENTEN ZUR SYM
METRIERUNG 44
3.3.1 GESAMTENERGIE UND HORIZONTALE SYMMETRIERUNG . . 45
XIII
HTTP://D-NB.INFO/1050159233
INHALTSVERZEICHNIS
3.3.2 REDUKTION DES ENERGIEHUBS DURCH 2. HARMONISCHE
IN DEN KREISSTROEMEN IM HF-MODUS 47
3.3.3 VERTIKALE SYMMETRIERUNG BEI HOHER AUSGANGSFRE
QUENZ - HF-MODUS 48
3.3.4 VERTIKALE SYMMETRIERUNG BEI NIEDRIGER FREQUENZ -
LF-MODUS 51
3.3.5 VORSTEUERUNG DER INTERNEN STROEME 54
3.3.6 UMSCHALTUNG ZWISCHEN HF- UND LF-MODUS 57
3.4 MODELLBILDUNG DER TRANSFORMIERTEN ZWEIGENERGIEN . 59
3.4.1 HERLEITUNG DER AC-KOMPONENTEN IM HF-MODUS . . 60
3.4.2 HERLEITUNG DER AC-KOMPONENTEN IM LF-MODUS . 62
4 REGELUNG DES MMCS ALS ANTRIEBSUMRICHTER 65
4.1 REGELUNG DER DC- UND SYMMETRIERSTROEME 68
4.1.1 TRANSFORMATION DER ISTWERTE 69
4.1.2 AUSLEGUNG DER STROMREGLER 70
4.1.3 BERECHNUNG DER SOLLWERTE 75
4.1.4 BEGRENZUNG DER STELLGROESSEN 77
4.1.5 WAHL DES NULLSYSTEMS IN DER 3AC-SPANNUNG . 83
4.1.6 RUECKTRANSFORMATION DER ZWEIGSPANNUNGEN 88
4.2 ZWEIGENERGIEREGELUNG UND -SYMMETRIERUNG 89
4.2.1 DIREKTE REGELUNG 95
4.2.2 REGELUNG MIT ISTWERT-FILTER 98
4.2.3 MODELLBASIERTE REGELUNG 100
4.3 SIMULATION UND VERGLEICH DER REGELVERFAHREN 101
4.3.1 SIMULATIONSMODELL IN MATLAB/SIMULINK 101
4.3.2 SIMULATIONSERGEBNISSE DER EINZELNEN REGELVERFAHREN 107
4.3.3 VERGLEICH DER SYMMETRIERVERFAHREN 113
4.3.4 HOCHLAUF MIT UMSCHALTUNG DES BETRIEBSMODUS . . . 118
4.4 UEBERLAGERTE MASCHINEN- UND NETZREGELUNG 121
4.4.1 REGELUNG DES DREHSTROMSYSTEMS IM ROTIERENDEN
KOORDINATENSYSTEM 121
4.4.2 REGELUNG VON DREHSTROMMASCHINEN 123
4.4.3 REGELUNG FUER ACTIVE-FRONT-END-UMRICHTER 133
4.5 DC-SEITIGE KOPPLUNG VON MMCS 135
4.6 VORLADUNG DES MMCS 140
5 MODULATION 145
5.1 ZIELE UND BEWERTUNGSKRITERIEN 146
XIV
INHALTSVERZEICHNIS
5.2 SPANNUNGSBILDUNG IN DEN ZWEIGEN 152
5.2.1 PULSBREITENMODULATION DER TAKTENDEN ZELLE 154
5.3 AUSWIRKUNGEN AUF DIE STROM- UND SPANNUNGSQUALITAET IM
MMC 157
5.3.1 UNTERSUCHUNG DER MODULATION IN EINER PHASE DES
MMCS 157
5.3.2 UNTERSUCHUNG DER MODULATION FUER DAS GESAMTSYS
TEM 162
5.4 ZELLSYMMETRIERUNG DURCH AUSWAHL DER SPANNUNGSBILDEN
DEN ZELLEN 171
5.4.1 REDUKTION DER MITTLEREN SCHALTFREQUENZ IN DEN ZEL
LEN DURCH REDUZIERTE SORTIERVERFAHREN 172
5.4.2 MINIMIERUNG DER MITTLEREN SCHALTFREQUENZ DURCH
DIE BERUECKSICHTIGUNG VORANGEGANGENER SCHALTZU
STAENDE 174
6 DIMENSIONIERUNG 179
6.1 DIMENSIONIERUNG DER ZELLKAPAZITAET 180
6.1.1 WAHL DES SPANNUNGSHUBS IN DEN KONDENSATOREN . . 180
6.1.2 BERECHNUNG DES ENERGIEHUBS 186
6.1.3 ENERGIEHUB IM LF-MODUS 188
6.1.4 ENERGIEHUB IM HF-MODUS 191
6.2 ERMITTLUNG DER STROMBELASTUNG IM MMC 195
6.2.1 LF-MODUS 197
6.2.2 HF-MODUS 200
6.3 VERGLEICH DER BERECHNUNGEN MIT DER SIMULATION 202
6.4 GRENZBELASTUNG DES UMRICHTERS 207
6.4.1 BELASTUNG MIT QUADRATISCHER KENNLINIE 212
6.4.2 UMSCHALTUNG DER BETRIEBSMODI ANHAND DER AUSLE
GUNG 215
6.5 DIMENSIONIERUNG DER ZWEIGDROSSELN 218
6.5.1 MAGNETISCHER KREIS 219
6.5.2 ELEKTRISCHER KREIS 222
6.5.3 VERGLEICH DER BEIDEN DROSSELVARIANTEN 222
7 VERSUCHSAUFBAU DES MMC-SYSTEMS FUER NIEDERSPANNUNG 227
7.1 DESIGN DER ZELLEN 229
7.1.1 WAHL DER ZELLSPANNUNG 231
7.1.2 LEISTUNGSTEIL 232
XV
INHALTSVERZEICHNIS
7.1.3 SPANNUNGSVERSORGUNG 235
7.1.4 SPANNUNGSERFASSUNG UND LWL-ANBINDUNG 237
7.2 AUFBAU DER UMRICHTERPHASE 238
7.2.1 ZWEIGDROSSEL 239
7.3 SIGNALVERARBEITUNG DES MMC-SYSTEMS 244
7.3.1 DIGITALER SIGNALPROZESSOR ZUR STEUERUNG UND REGE
LUNG DES MMCS 246
7.3.2 FPGA ALS MODULATOR 248
7.4 AUFBAU DES GESAMTSYSTEMS MIT BELASTUNGS- UND VERSOR
GUNGSEINRICHTUNGEN 250
8 UNTERSUCHUNGEN AM PROTOTYP 253
8.1 VORLADUNG DES MMCS 254
8.2 MESSERGEBNISSE ZUR MMC-REGELUNG 255
8.2.1 HOCHLAUF DER MASCHINE 256
8.2.2 DYNAMISCHES VERHALTEN DER ZWEIGSYMMETRIERUNG . 260
8.3 MESSERGEBNISSE ZUR MODULATION 264
8.3.1 UNTERSUCHUNG DER ZWEIG-UND 3AC-GROESSEN . 265
8.3.2 UNTERSUCHUNG DER ZELLSYMMETRIERUNG IM ZWEIG . . 266
8.4 VERLUSTE UND WIRKUNGSGRAD 268
9 ZUSAMMENFASSUNG 273
9.1 AUSBLICK 275
A ANHANG 279
A.L SYMBOLVERZEICHNIS 280
A.2 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 284
A.3 TABELLENVERZEICHNIS 289
A.4 VEROEFFENTLICHUNGEN IM RAHMEN DER DISSERTATION 290
A.5 STUDENTISCHE ARBEITEN IM RAHMEN DER DISSERTATION . 293
A.6 BAUTEILE UND KOMPONENTEN DES MMC-PROTOTYPS 295
A.7 LITERATURVERZEICHNIS 297
XVI |
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