Rückspeisefähiger Antriebsstromrichter mit Impedanz-Zwischenkreis (RIZ)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Stand des Wissens zur Antragsstellung war die Topologie des Umrichters mit Impedanz-Zwischenkreis (im Folgenden auch Z-Source-Umrichter genannt). Möglich war damit der motorische Betrieb einer Drehfeldmaschine an einer DC-Quelle. Als ganz wesentliche Einschränkung stellten sich dabei Spannungsüberhöhungen als Folge des Auftretens ungewollter Schaltzustände, v.a. für niedrige Aussteuergrade und kleine Leistungsfaktoren, heraus. Zum angestrebten Betrieb am Drehstromnetz wurde daher die Entstehung der ungewollten Schaltzustände untersucht und durch schaltungstechnische Maßnahmen Abhilfe geschaffen. Gleichzeitig wurde die Gleichspannungseinspeisung durch einen dreiphasigen Netzwechselrichter ersetzt und ein geeignetes Ansteuerverfahren entwickelt. Im Rahmen des Projekts wurden folgende Fortschritte erreicht und publiziert: 1. Betrieb des Z-Source-Umrichters am Drehstromnetz ohne Einfügen einer separaten Gleichrichterstufe 2. Möglichkeit des generatorischen Bremsbetriebs 3. Analytische Untersuchung der dynamischen Vorgänge im Zwischenkreis 4. Minimierung der passiven Zwischenkreiselemente, kein Einsatz von Elektrolytkondensatoren 5. Entwicklung einer Vorsteuerung und Regelung zum Betrieb am Drehstromnetz Alle Erkenntnisse wurden durch Messungen am Laboraufbau bestätigt. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass der Z-Source-Umrichter v.a. bei Speisung durch eine DC-Quelle aus regelungstechnischer Sicht leicht zu beherrschen ist. Gleichzeitig kommt die aufwandsarme einstufige Hochsetz-/Tiefsetzstellerstruktur als wesentlicher Vorteil am meisten zum Tragen. Die Rekombination der Zwischenkreiselemente führt zu einer Reihe von Varianten der Z-Source-Topologie, welche jeweils unter den Begriffen Quasi-Z-Source und Trans-Z-Source zusammengefasst werden. Sie haben gegenüber der im Rahmen des Projekts untersuchten Topologie eine Reihe von Vorteilen wie geringere Anzahl und Belastung der passiven Bauelemente und Verstärkung des Boost-Effekts. Die Funktionsweise ist identisch zu der des hier untersuchten Z-Source-Umrichters. Die Z-Source-Topologie ist daher geeignet für alle Anwendungen, bei denen von einer DC- Quelle auf eine AC-Last hochgesetzt werden soll. Beispielsweise ist dies der Fall im Bereich Photovoltaik zum MPP-Tracking oder als Teil eines Fahrzeugantriebs zur Erweiterung des Drehzahlbereichs. Im Fall von AC-Einspeisung ist der wesentliche Vorteil die Vermeidung von Elektrolytkondensatoren als Energiepuffer. Im Gegensatz zu Umrichtern mit schlankem Zwischenkreis kann hier nun die Last mit Nennspannung versorgt werden, da Spannungseinbußen durch die Boost-Funktion kompensiert werden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Dimensioning of the Z-source inverter for general purpose drives with three-phase standard motors. In: Proc. IEEE Power Electronics Specialists Conference PESC, Seiten 1808–1813, 2008
Sack, Lothar, Bernhard Piepenbreier und Moritz von Zimmermann
- Z-source inverter for general purpose drives in motoring and regenerating operation. In: Proc. International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion SPEEDAM, Seiten 766–771, 2008
Sack, Lothar, Bernhard Piepenbreier und Moritz von Zimmermann
- Z-Source- Antriebsumrichter - Eigenschaften und Potenzial für Industrieantriebe. In: VDE Kongress Elektrisch-mechanische Antriebssysteme, Seiten 99–104, 2008
Sack, Lothar, Bernhard Piepenbreier und Moritz von Zimmermann
- Z-source drive inverter using modified SVPWM for low Output Voltage and regenerating Operation. In: Proc. 13th European Conference on Power Electronics and Applications EPE, Seiten 1–10, 2009
Zimmermann, Moritz von, Martin Lechler und Bernhard Piepenbreier
- Bidirectional AC-AC Z-source inverter with active rectifier and feedforward control. In: Proc. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Seiten 3180 –3186, 2010
Zimmermann, Moritz von, Sebastian Labusch und Bernhard Piepenbreier
- Regenerating Operation of the Z-Source Inverter. In: Proc. Power Electronics Intelligent Motion PCIM, Seiten 498–503, 2010
Zimmermann, Moritz von, Lothar Sack und Bernhard Piepenbreier
- Steady-State Analysis of an AC-AC Z-Source Inverter including discontinuous Power Flow. In: Proc. International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion SPEEDAM, Seiten 815–820, 2010
Zimmermann, Moritz von und Bernhard Piepenbreier
