Verbesserung der Betriebssicherheit des Matrixumrichters durch einen schaltbaren Freilaufkreis
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die wichtigsten Kernpunkte dieses Forschungsprojektes sind: a) die Bestimmung der Verluste und des Wirkungsgrades des Leistungsteils des Matrixumrichters mit schaltbarem Freilaufkreis in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz und b) der simulatorische Verlustleistungsvergleich der Kommutierung mit Freilaufkreis mit dem etablierten Vierschrittkommutiemngsverfahren. Die Hauptkomponenten des Matrixumrichters sind die 3x3-Matrix und der neu entwickelte schaltbare Freilaufkreis. Als Bauteile werden in der Matrix und im Freilaufkreis RB-IGBTs vom Typ IXYS IXRH 40N120 eingesetzt. Der schaltbare Freilaufkreis ist außerdem noch mit insgesamt sechs Leistungsdioden und zwei Widerständen bestückt. Um die Verlustleistung des Matrixumrichters mit schaltbarem Freilaufkreis messtechnisch präzise zu ermitteln, nutzten wir ein hochgenaues Leistungsmessgerät. Nach einer genauen Sondierung des Marktes flir Frequenzumrichtergeeignete Leistungsanalysatoren, stellte sich dieses Gerät technisch wie auch wirtschaftlich als bestes Angebot heraus. Das Gerät bietet die Möglichkeit, zeitgleich die vom Matrixumrichter aufgenommene und abgegebene Leistung zu messen und daraus die Verlustleistung und den Wirkungsgrad zu bestimmen. Durch eine Variation der Sollraumzeigerperiodendauer bzw. der Schaltfrequenz des Matrixumrichters ergab sich in allen untersuchten Arbeitspunkten eine bei zunehmender Schaltfrequenz auch ansteigende Gesamtverlustleistung. Die Verluste waren zum Zeitpunkt der Antragsstellung für Matrixumrichter in fast allen Literaturstellen nur für eine konstante Schaltfrequenz untersucht worden. Des Weiteren ist die hier eingesetzte Freilaufkreis-Schutzbeschaltung bisher einzigartig und daher noch niemals zuvor für ein Schaltfrequenzspektrum von 2 bis 16 kHz analysiert worden. Um die Simulation des Vierschritt-Kommutierungsverfahrens mit dem am Versuchsaufbau eingesetzten Freilaufkreis-Kommutierungsverfahren vergleichen zu können, wurde eine dem Laboraufbau gleiche Matlab/Simulink-Simulation entwickeh. Darin sind alle wichtigen Komponenten des Laboraufbaus abgebildet. Dazu zählen im Wesentlichen die Halbleiter des Freilaufkreises und der Schaltermatrix mit den zugehörigen Messeinrichtungen für die Spannungsmessung. Neben diesem Leistungsteil wurden die Hauptbestandteile der DSP/FPGA-Steuerung in die Simulationsumgebung übertragen. Durch diese genaue Nachbildung der Freilaufkreiskommutierung in der Simulation konnte sichergestellt werden, dass die Ansteuerlogik und die sich ergebenden Ausgangsspannungen und -ströme von Versuchsstand und Simulationsplattform ausreichend gut übereinstimmen. Bei den Vierschritt-Kommutierungsverfahren erfolgt eine Übemahme des Laststromes innerhalb eines Teilumrichters von einem RB-IGBT-Paar zu einem anderen ohne die Notwendigkeit, dass für den Kommutierungsvorgang weitere Bauteile erforderlich sind. Als simuliertes Vierschritt-Kommutierungsverfahren wählten wir die spannungsgesteuerte Kommutierungsvariante. Die für die Simulation notwendigen stationären und dynamischen Leistungshalbleitereigenschaflen beider Kommutierungsarten ermittelten wir für unterschiedlichste Arbeitspunkte mittels Laborversuchstand. Nach Optimierung der Freilaufkreis-Simulation konnten wir die beiden Kommutierungsstrategien miteinander vergleichen. Hierbei bestätigte sich die zum Zeitpunkt der Antragstellung geäußerte Vermutung, dass die Vierschrittkommutierung insgesamt weniger Verluste erzeugt als die Kommutierung mit Freilaufkreis. Es hal sich gezeigt, dass der Matrixumrichter mit schaltbarem Freilaufkreis bei zunehmenden Ausgangsströmen immer bessere Wirkungsgrade erzielt. Zur Zeit ist der Laborprototyp allerdings lediglich für Lastströme von 10 Ampere ausgelegt. Eine potentielle zukünftige Modifikation wäre daher, den Versuchsstand so zu modifizieren, dass dieser Lastströme bis 30 Ampere und mehr führen kann. So könnte möglicherweise der Nachweis erbracht werden, dass sich der Wirkungsgrad bei steigender Belastung noch weiter erhöht. Der auf Matlab/Simulink basierende Vergleich der Kommutierungsverfahren zwischen geschaltetem Freilaufkreis und Vierschrittkommutierung kommt zu dem Ergebnis, dass die Vierschrittkommutierung geringere Verluste als die Kommutierung mit Freilaufkreis erzeugt. Interessant zu erforschen wäre in diesem Zusammenhang, ob sich dieses simulatorische Ergebnis mit einer real existierenden Vierschrittkommutierung, welche ebenfalls RB-IGBTs einsetzt, deckt. Dazu musste zusätzlich zum Umrichter mit Freilaufkreis ein Laborprototyp eines Matrixumrichters mit Vierschrittkommutierung konstruiert werden. Ein weiterer Ansatz ist die Untersuchung, in wie weit sich die Verlustleistung beim Matrixumrichter mit schaltbarem Freilaufkreis ändert, wenn statt auf RB-IGBTs auf eine Dioden-IGBT-Kombination oder auf neuartige SiC-Bauelemente zurückgegriffen würde. Die dabei entstehenden Erkenntnisse können dann mit den bereits während dieses Forschungsprojektes erbrachten Messreihen des Leistungsanalysators verglichen werden. Als mögliche Anwendung soll der bestehende Matrixumrichter in Zukunft in ein Gesamtantriebssystem eingebettet werden. Geplant ist dazu die Kombination des Matrixumrichters mit einer modernen permanenterregten Synchronmaschine. Hierbei könnte der Forschungsschwerpunkt beispielsweise auf Windkraftapplikationen, der Entwicklung prädiktiver schaltverlustarmer Ansteuerverfahren oder im Bereich sehr hoher Drehzahlen liegen. Zum letzten Punkt gibt es bereits konkretes Interesse seitens der Industrie, den Matrixumrichter im Bereich der regenerativen Energienutzung an hochdrehenden Turbinen mit 30.000 bis 50.000 U/min einzusetzen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Matrix converter with a new control strategy, IEEE-PECON 2008
G. Schröder, M. Pfeifer
- Neue Methode zum Schutz des Matrixumrichters, VDE/VDI-Tagung - Elektrisch-mechanische Antriebssysteme, 2008, Böblingen
G. Schröder, M. Pfeifer
- Protection circuit for the matrix converter, IEEE-IECON 2008
G. Schröder, M. Pfeifer
- Deutsches Patent DE102008016840A1, Schaltbarer Freilaufkreis für den Matrixumrichter, 2009
G. Schröder, M. Pfeifer
- Freies Schalten beim Matrixumrichter mit induktiver Last, A&D Kompendium 2009/2010, publisch-industry Verlag, ISBN 3-934698-64-6
G. Schröder, M. Pfeifer
- New commutation method of a matrix converter, IEEE-ISIE 2009
G. Schröder, M. Pfeifer
- Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Verbesserung der Betriebssicherheit bei der Speisung von elektrischen Antrieben durch den Matrixumrichter, Dissertation, Universität Siegen, 2010
M. Pfeifer
- Matrix converter with overvoltage protection circuit, IEEE-MELECON 2010
G. Schröder, M. Pfeifer
- Power Loss Comparison of Different Matrix Converter Commutation Strategies, IEEE-EPE-PEMC ECCE Europe 2012, Novi Sad, Serbia
G. Schröder, T. Schulte
