Multilevel Inverters Mehrpunkt-Wechselrichter

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Multilevel Inverters Mehrpunkt-Wechselrichter"

Dorothea Geiger
vor 8 Jahren
Abrufe

1 Vorlesung Umwandlung Elektrischer Energie mit Leistungselektronik Multilevel Inverters Mehrpunkt-Wechselrichter Prof. Dr.-Ing. Ralph Kennel Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik

2 MULTILEVEL INVERTERS (Mehrpunkt-Wechselrichter) am Umrichterausgang können mehr als 2 Spannungsniveaus realisiert werden Anwendungen (sinusförmige) Ausgangsspannungen können besser (mit weniger Oberschwingungen) realisiert werden die Spannungsbelastung jedes einzelnen Leistungshalbleiters ist geringer 3 wesentliche Topologien Diode-clamped Multilevel Inverter (DCMI) Flying Capacitor Multilevel Inverter (FCI) Cascaded Multilevel Inverter (CMI)

Dreipunktwechselrichter U Z U Z 2 L 1 Feinere Stufung der Ausgangsspannung Verringerung der Stromwelligkeit oder Reduktion der Pulsfrequenz 0 Halbierung der

3 Dreipunktwechselrichter U Z U Z 2 L 1 Feinere Stufung der Ausgangsspannung Verringerung der Stromwelligkeit oder Reduktion der Pulsfrequenz 0 Halbierung der Spannungsbelastung der Halbleiterschalter Einsatzbereich ca. 10 MW, 3.3 kv (Siemens, Simovert ML2, Walzwerktechnik) IGCT Schalter 3 Quelle : Dr.-Ing. Olaf Simon, SEW Eurodrive

4 Diode Clamped Multilevel Inverter (DCMI) V1 S1 D1 VDC/4 V2 Dc1 S2 D2 VDC/4 Dc4 Dc2 S3 D3 V D C V3 S4 D4 Vo S5 D5 VDC/4 V4 Dc3 Dc5 S6 D6 Dc6 S7 D7 VDC/4 V5 S8 D8

5 Diode Clamped Multilevel Inverter (DCMI) die Anzahl der (in Serie) eingeschalteten Leistungshalbleiter ist in jedem Schaltzustand (n-1) Power device index Output Phase Voltage (V o ) V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 S S S S S S S S

6 Diode Clamped Multilevel Inverter (DCMI) weit verbreiteter Spezialfall: NPC Neutral Point Clamped (3-level) Inverter grundsätzliche Struktur die Zwischenkreisspannungn wird durch mehrere in Serie geschaltete Kapazitäten aufgeteilt ein DCMI mit n unterschiedlichen Ausgangsspannungslevels benötigt (n-1) in Serie geschaltete Kapazitäten im Zwischenkreis grundsätzliches Verhalten die Ausgangsspannung kann jedes durch die Zwischenkreis-Kondensatoren festgelegte Spannungsniveau annehmen die Spannung über jedem Kondensator beträgt V DC /(n-1) die verkettete Ausgangsspannung kann (2n-1) unterschiedliche Spannungslevels annehmen

7 Diode Clamped Multilevel Inverter (DCMI) Bei einigen PWM Verfahren kann es zu Instabilitäten bei der gleichmäßigen Verteilung der Zwischenkreisspannung über die Zwischenkreiskondensatoren kommen (Balancing) der Mittelwert des Stroms in die inneren Knoten des Zwischenkreises ist innerhalb eines PWM Zyklus nicht unbedingt Null bei Raumzeigermodulation und induktiver Last ist dieses Problem von untergeordneter Bedeutung Problemlösung angepasste PWM-Verfahren - Nutzung der Nullzeiger zur Regelung der Kondensatorspannungen (Balancing)

8 Mehrpunktumrichter (Multi Level) Noch feinere Stufung der Ausgangsspannung Verringerung der Stromwelligkeit oder Reduktion der Pulsfrequenz Drittelung der Spannungsbelastung der Halbleiterschalter Einsatzbereich ca. 2 MW, 6 kv (CONVERTEAM / ALSTOM, SYMPHONY) IGBT 4500 V 8 Quelle : Dr.-Ing. Olaf Simon, SEW Eurodrive

Balance der Kondensatoren durch Schaltalternativen 1:1:1 9

9 Steuerung eines Mehrpunktumrichters Schaltvarianten für 2/3 Ausgangsspannung Entladung des fliegenden Kondensators Balance der Kondensatoren durch Schaltalternativen 1:1:1 9 Quelle : Dr.-Ing. Olaf Simon, SEW Eurodrive CONVERTEAM (ALSTOM)

10 Flying Capacitor Multilevel Inverter (FCI) S1 D1 S2 D2 S3 D3 S4 D4 VDC 3VDC/4 VDC/2 VDC/4 Vo S5 D5 S6 D6 S7 D7 S8 D8

11 Flying Capacitor Multilevel Inverter (FCI) mögliche Spannungsraumzeiger

12 Flying Capacitor Multilevel Inverter (FCI) die Anzahl der benötigten Dioden ist deutlich geringer als beim DCMI das Potential der ( fliegenden ) Kapazitäten verschiebt sich gegenüber dem Bezugspotential (Masse) die gleichmäßige Verteilung der Zwischenkreisspannung über die Zwischenkreiskondensatoren (Balancing) ist beim FCI unproblematisch

13 Flying Capacitor Multilevel Inverter (FCI) In Verbindung mit einer ausreichenden Stufenzahl sowie dem passenden PWM-Verfahren kann der Oberschwingungsgehalt der Ausgangsspannung niedrig genug sein, um zusätzliche Filter zu vermeiden die Schaltperioden (duty cycles) und Schaltfrequenzen der einzelnen Leistungshalbleiter sind unterschiedlich man benötigt zusätzliche Vorkehrungen/Strategien zum Laden der Zwischenkreiskondensatoren

14 Cascaded Multilevel Inverter (CMI) S11 S21 VDC Vm1 Vphase (Vo) S31 S41 Module 1 S12 S22 VDC Vm2 S32 S42 Module 2 S1h S2h VDC Vmh 0 S3h S4h Module h

15 Cascaded Multilevel Inverter (CMI) wird auch als kaskadierter Mehrpunktwechselrichter mit getrennten Gleichstromzwischenkreisen oder als seriengeschaltete Wechselrichterbrücke bezeichnet einfacher und modularer Aufbau erfordert die geringste Anzahl von Bauelementen erfordert mehrere gegeneinander isolierte Gleichspannungszwischenkreise

16 Mehrpunktwechselrichter Vergleich der notwendigen Leistungshalbleiter pro Ausgangsphase (Annahme : alle Leistungshalbleiter haben die gleiche Nennspannung, nicht jedoch notwendigerweise den gleichen Nennstrom Umrichtertyp DCMI FCI CMI aktive Halbleiterschalter (n 1) * 2 (n 1) * 2 (n 1) * 2 Leistungsdioden (n 1) * 2 (n 1) * 2 (n 1) * 2 Clamping -Dioden (n 1) * (n 2) 0 0 Zwischenkreiskondensatoren (n 1) (n 1) (n 1) / 2 Balancing -Kondensatoren 0 (n 1) * (n 2) / 2 0

Ähnliche Dokumente

Leistungselektronik Grundlagen und Standardanwendungen. Praktikumsunterlagen

Leistungselektronik Grundlagen und Standardanwendungen. Praktikumsunterlagen Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Arcisstraße 21 D 80333 München Email: eal@ei.tum.de Internet: http://www.eal.ei.tum.de Prof. Dr.-Ing. Ralph