Untersuchungen zu Resonant Commutated Pole Kommutierungszellen in Spannungs- und Stromzwischenkreis-Umrichtern

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Beschreibung

In den letzten Jahren hat der Pulswechselrichter mit Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) eine herausragende Stellung in der Antriebstechnik und in der Energieversorgung eingenommen. Durch resonante Schaltentlastung, so genanntes weiches Schalten, kann die in den IGBTs anfallende Schaltverlustleistung reduziert werden. Dadurch entsteht die Möglichkeit, den Kühlaufwand zu verringern, die Schaltfrequenz zu erhöhen oder den Wirkungsgrad zu steigern. Angestrebt wird meist ein Eins-zu-Eins-Ersatz des hartschaltenden Wechselrichters. Als besonders aussichtsreicher Kandidat, dieses Ziel zu erreichen, hat sich der Auxiliary Resonant Commutated Pole Inverter (ARCPI) herauskristallisiert, jedoch sind auch bei dieser Topologie Nachteile wie z. B. Symmetrieprobleme am kapazitiven Teiler des Zwischenkreises zu verzeichnen.

Die Arbeit beginnt mit einem Exkurs in die Technologie moderner Leistungshalbleiter unter Berücksichtigung des neuen Basismaterials Siliziumkarbid. Danach folgt ein Überblick über die wichtigsten Resonanzstromrichter und ein Vorschlag zur strukturierten Klassifizierung derselben.

Insgesamt werden vier Resonant Commutated Pole Kommutierungszellen zunächst analytisch und dann experimentell untersucht. Den Ausgangspunkt bildet der klassische ARCPI am Spannungszwischenkreis. Es werden die Ergebnisse zusammengefasst, die mit einem optimierten 1-MVA-Versuchsumrichter für den Motorgenerator eines Schwungmassenspeichers erzielt wurden. Der Stromzwischenkreis-ARCPI kommt mit nur zwei Hilfsschaltern für einen dreiphasigen Wechselrichter aus und ist aufgrund der Möglichkeit, den kapazitiven Teiler auf einfache Weise über den Sternpunkt der Last zu stabilisieren, besonders attraktiv. Daher wird ein dreiphasiger Versuchswechselrichter aufgebaut und vermessen.

Mit Hilfe der Netzwerktheorie wird aus der ARCP-Kommutierungszelle eine neue, so genannte Resonant Commutated Twin Pole (RCTP) Zelle abgeleitet. Ihre Funktionsweise wird in einem einphasigen Aufbau am Stromzwischenkreis überprüft. Die aussichtsreichere RCTP-Zelle am Spannungszwischenkreis wird in einem dreiphasigen Wechselrichter untersucht, dessen Phasen in unterschiedlicher Technologie realisiert wurden. Die Verluste bei hartem und weichem Schalten mit und ohne Siliziumkarbid-Dioden werden direkt miteinander verglichen. Eine Beurteilung des neuen Konzepts und ein Ausblick auf mögliche Realisierungen schließen die Arbeit ab.