Active damping of filter based line side harmonics for matrix converter as drive converter with direct and space vector modulated control strategies
Final Report Abstract
Im vorliegenden Projekt wurden erfolgreich Untersuchungen der netzseitigen Oberschwingungen bei Anwendung von direkten und PWM-basierten Ansteuerverfahren durchgeführt. Die Versuchsaufbauten mussten selbst hergestellt und in Betrieb genommen werden. Dies führte zu einer zeitlichen Verzögerung, ermöglichte jedoch eine gezielte Anpassung von Kommutierung und Regelung eines Antriebs mit direktem Matrixumrichter. Das selbst definierte 2/3-Schritt-Kommutierungsverfahren ermöglicht eine zu jedem Zeitpunkt sichere Ansteuerung der Leistungshalbleiter und wurde umfangreich untersucht sowie publiziert. Basierend darauf wurde zuerst erprobt, ob sich eine eingangsseitige Ladungssteuerung zur Reduzierung der Oberschwingungen am direkten Matrixumrichter eignet. Diese konnte zwar stabil am passiv gedämpften eingangsseitigen LC-Filter betrieben werden, zeigte jedoch keine nennenswerten Verbesserungen. Die Ladungssteuerung berücksichtigte dabei nur die ausgangsseitige Wirkleistung am Umrichter, nicht aber die Last und ihre Spezifika. Im Fortsetzungsantrag wurde sich zum Ziel gesetzt, die Oberschwingungen des Netzstromes unter Berücksichtigung der angeschlossenen Last zu reduzieren und dabei auf den Dämpfungswiderstand des Filters zu verzichten. Dieser Widerstand dämpft zwar die Resonanzerscheinungen im LC-Filter, reduziert jedoch auch die Dämpfung im Schaltfrequenzbereich. Die erfolgversprechendste Methode betrachtet die maschinenseitige Streuinduktivität als Energiespeicher. Basierend auf der Momentanleistungstheorie kann somit gezielt Energie zwischen dieser Streuinduktivität und dem Filterkondensator ausgetauscht werden, was zur Stabilisierung des eingangsseitigen LC-Filters führt. Basierend auf dieser Idee konnten angepasste Regelverfahren mit aktiver Stabilisierung des Eingangsfilters sowohl für die direkte Drehmomentregelung als auch die PWM-basierte feldorientierte Regelung eines Antriebs mit Matrixumrichter hergeleitet, erfolgreich unter realen Netzbedingungen getestet und publiziert werden. Dabei zeigte sich, dass die neu definierte direkte Spannungs- und Drehmomentregelung aufgrund der Nichtanwendung von Nullraumzeigern zwar einen stabilen Betrieb des Antriebs erlaubt, jedoch zu einer Erhöhung des Oberschwingungsgehalts im Netzstrom führt. Hier besteht weiterer Forschungsbedarf, um auch Nullraumzeiger in diese Regelungsstrategie mit einzubinden. Die Implementierung mit feldorientierter Regelung hingegen zeigt vielversprechende Ergebnisse. Es konnte nachgewiesen werden, dass auch bei Eliminierung des passiven Dämpfungswiderstandes ein geregelter Betrieb des Antriebs mit gleichbleibendem und sogar partiell geringerem Oberschwingungsgehalt möglich ist. Dabei wurde deutlich, dass die Kommutierung und die durch sie entstehende Spannungsabweichung einen großen Einfluss vor allem bei kleinen Netzströmen aufweisen. Die Anwendung eines 1-Schritt-Kommutierungsverfahrens würde den Oberschwingungsgehalt weiter reduzieren. Zuletzt konnte erfolgreich nachgewiesen werden, dass die Anwendung der aktiven Stabilisierung zu keiner relevanten Verlusterhöhung im Umrichter oder der Asynchronmaschine führt.
Publications
- „Input charge modulation of matrix converters used in direct torque control of induction machines“. 14th International Power Electronics and Motion Control Conference (EPE/PEMC), 2010
S. Krauß und W. Hofmann
- „Investigation of a 2/3-step voltage-based commutation method for matrix converters“. 27th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2012
S. Krauß, N. Schwingal und W. Hofmann
- „Direct control method for matrix converter with stabilisation of the input current“. 17th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’15 ECCE-Europe), 2015
N. Remus und M. Leubner
(See online at https://doi.org/10.1109/EPE.2015.7309163) - „Active stabilization of direct matrix converter input side filter through grid current control“. 31st Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2016
M. Leubner, N. Remus, M. Stübig und W. Hofmann
(See online at https://doi.org/10.1109/APEC.2016.7468168) - „Efficiency Comparison of Active and Passive Grid Filter Damping Methods using Direct Matrix Converter“. 18th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’16 ECCE-Europe), 2016
N. Remus, M. Leubner und W. Hofmann
(See online at https://doi.org/10.1109/EPE.2016.7695595)
