Der Matrixumrichter. eine netzfreundliche Stromrichtertopologie reift zur Produkttauglichkeit. Dr.-Ing. Olaf Simon

Transkript

1 Der Matrixumrichter eine netzfreundliche Stromrichtertopologie reift zur Produkttauglichkeit Dr.-ng. laf Simon MP4 Dr. laf Simon /.7.

2 Gliederung Beschreibung des Matrixumrichters Die (technischen) Wettbewerber Die alternativen Matrixumrichtertopologien Der Matrixumrichter als elektronische Komponente eines mechatronischen Antriebs Die wichtigsten Entwicklungen der letzten Zeit Ein kompaktes Modul Der kompakte Überspannungsschutz Die mathematische Formulierung der Raumzeigermodulation Die robuste Kommutierung Ein paar zusätzliche Schmankerl Die Schaltverlustoptimierung Der Stellbereich für die Eingangsblindleistung Realisierung, Messungen MP4 Dr. laf Simon /.7.

3 Beschreibung des Matrixumrichters Aufbau des Matrixumrichters Eingang S S S Aufbau AC-AC Kopplung Selbstgeführt hne Energiespeicher u i S S i u S S S S Eigenschaften Sinusförmige Ausgangsspannungen und Eingangsströme Rückspeisefähig, dauerhaft bremsfähig Ausgang (Last) Problemstellungen Kontrolle von 8 GBT s Überspannung MP4 Dr. laf Simon /.7.

4 Beschreibung des Matrixumrichters 4 Die technischen Wettbewerber Diodenspeisung Geringer Aufwand Kompakter Aufbau Geringe Durchlaßverluste Einfache Ansteuerung (boot strap) Ungünstiger Netzstrom Keine Rückspeisung Matrix Kein Bremswiderstand Kompakt incl. Bremsen hne Elko ähnliche Ausgangsspannung Netzfilter Matrixumrichter Netzfilter Μ Motor U- Umrichter U- Umrichter Μ Motor Netz Dioden brücke U- Umrichter Μ Motor Matrix Rückspeisung und Sinusstrom kleines Netzfilter Keine Hochsetzstellerfunktion AFE Rückspeisung und Sinusstrom großes Netzfilter Hochsetzstellerfunktion MP4 Dr. laf Simon /.7.

5 Beschreibung des Matrixumrichters 5 Die alternativen Matrixtopologien FE (fundamental frequency front end) Zweistufiger Matrixumrichter Μ Μ Netzfilter FE U- Umrichter Motor Netzfilter Motor Explizit vorhandener Zwischenkreis Geringe Schalterzahl Blocktaktung am Eingang notwendig Kein sinusförmiger Netzstrom Explizit vorhandener Zwischenkreis Weitgehend volle Funktionalität Mögliche Verringerung der Schalterzahl MP4 Dr. laf Simon /.7.

6 Beschreibung des Matrixumrichters 6 Vom elektromechanischen zum mechatronischen Antrieb Asynchronmaschine am starren Netz Stromrichterspeisung Dezentraler drehzahlvariabler Antrieb Mechatronischer Antrieb MP4 Dr. laf Simon /.7.

7 Die wichtigsten Entwicklungen der letzten Zeit Das Modul 7 Das Layout des Matrixmoduls X Y Z GP GP GP GP GP GP GP GP GP GN GN GN GN GN GN GN GN GN Problemstellung 6+9 Potentiale 8 Ansteuerungen U V W Lösung Common Collector Verschaltung der bidirektionalen Schalter Raümliche Trennung der bidirektionalen Teilschalter MP4 Dr. laf Simon /.7.

8 Die wichtigsten Entwicklungen der letzten Zeit Das Modul 8 Das Matrixmodul EconoMAC eupec 5 A GBT Chips 7.5 kw (-fache Überlast) Sechs Potentialinseln - Gates zum Emitter sortiert - solationsabstände Konventionelle Modultechnik GBT-nseln Kollektorverbindungen im Zentrum gleichteilige DCBs MP4 Dr. laf Simon /.7.

9 Die wichtigsten Entwicklungen der letzten Zeit Der Überspannungsschutz 9 Der Überspannungsschutz U i U i U i 5 U stn R G 6V U stn R G 6V Strom / A 5 _TP _L D trann U tran T N D trann U tran T N 5 _var V V U stp i tran D tranp R G 6V U V U tran D tranp T P R U G ge U stp U o i V i var i L L L Var U Var R L U tran 6V i V U V T P U o 5 5 Zeit / µs deale Schalter sperren und bieten keinen Freilauf Schutz durch Transildioden Endlastung durch Varistoren 7 Transildioden!!! Keine Kollektoranschlüsse!!! MP4 Dr. laf Simon /.7.

10 Die wichtigsten Entwicklungen der letzten Zeit Der Überspannungsschutz Der konzentrierte Überspannungsschutz U U U GP GP GP GP GP Spannung / V U var UV,UV GN GN GN GN GN GN GN GN GN GP GP GP GP U U U Strom / A Zeit / µs V -5 L, Var Zeit / µs MP4 Dr. laf Simon /.7.

11 Die wichtigsten Entwicklungen der letzten Zeit Die Mathematik der Raumzeigermodulation Die Schaltzustände des Matrixumrichters Eingang (Netz) v Schaltzustand: i S S S i v Ausgang (Motor) S S S S S S Klassifizierung der 7 Schaltzustände: Nullschaltzustände:,, Zweiphasige Schaltzustände: :,,,,, a:,,,,, a :,,,,, Dreiphasige Schaltzustände: links:,, rechts:,, MP4 Dr. laf Simon /.7.

12 Die wichtigsten Entwicklungen der letzten Zeit Die Mathematik der Raumzeigermodulation Raumzeigermodulation beim U-Umrichter S+ S+ S+ V D v V V D r V V V V V 4 V 5 V 6 v V V V D V m v S- S- S- V V 4 6 Re 5 V 5.5 V MP4 Dr. laf Simon /.7.

13 Die wichtigsten Entwicklungen der letzten Zeit Die Mathematik der Raumzeigermodulation Raumzeigermodulation beim -Umrichter S S S i S SU SU SU D () M 4 () m M 5 i S D () M 6 i * S M D r M ˆ t M M M M 4 M 5 M Re.5 () 4 5 () * M. t M () M ˆM MP4 Dr. laf Simon /.7.

14 4 MP4 Dr. laf Simon /.7. D i V D v * M V i v ˆ ˆ ˆ. ˆ.5 ˆ M M M M M M M t t t t t r ˆ ˆ ˆ.5 ˆ.5 ˆ V V V V V V V t t t t t r D S M i * V D V v Raumzeigermodulation beim Matrixumrichter (Prinzip) Die wichtigsten Entwicklungen der letzten Zeit Die Mathematik der Raumzeigermodulation

15 Die wichtigsten Entwicklungen der letzten Zeit Die Mathematik der Raumzeigermodulation 5 Raumzeigermodulation beim Matrixumrichter (Berechnung) r r V T M V V M M V M... V6 M ˆt ˆt V V V ˆt ˆt M M M ˆt ˆt V M V V ˆt ˆt... M M... V M6 V6 M6 Matrix der Einschaltverhältnisse t M T,5, Matrix der Schaltzustände t V,5,,5,5,5, Zusätzlicher Schaltzustand für die Ausgangsspannung Null MP4 Dr. laf Simon /.7.

16 Die wichtigsten Entwicklungen der letzten Zeit Die Mathematik der Raumzeigermodulation 6 Raumzeigermodulation (Anwendung) Die virtuellen Zwischenkreisgrößen der RVM (rectifying and inverting vector modulation) Virtuelle Zwischenkreisspannung v V { M v } Re 44 V D Anwendung Spannungsquelle am Eingang: v vˆ e jω t. Ziel: konstandes virtuelles Vd M e jω t+ jϕ Dabei Wahl eines Eingangsstromphasenwinkels V ˆ D v cos( ϕ ) Virtueller Zwischenkreisstrom i { V i } * M * Re 44 D. Ziel: gewünschte Ausgangsspannung v V vˆ e vˆ jω t+ jϕ e D jω t+ jϕ V Aus V und M erhält man wie besprochen die Einschaltverhältnisse und Schaltzustände MP4 Dr. laf Simon /.7.

17 Die wichtigsten Entwicklungen der letzten Zeit Die Mathematik der Raumzeigermodulation 7 Umsetzung der Raumzeigermodulation Netzfilter Schaltermatrix Μ Netz Potentialtrennung u Σ AD Gateunits Σ AD i Motor Filter Kommutierungssteuerung Filter u u Aussteuergrade Modulator RVM Steuersatz FPGA u u Motorregelung i µc MP4 Dr. laf Simon /.7.

18 Die wichtigsten Entwicklungen der letzten Zeit Die robuste Kommutierung 8 Die Kommutierungsfolgen U>: A U B U 4 4 U<: A U B U 4 4 C A A>B??? A<B t t t t U 4 U 4 B U 4 U 4 A U B 4 A U B 4 genauere Messung Vermeidung der kritischen Kommutierung MP4 Dr. laf Simon /.7.

19 Die wichtigsten Entwicklungen der letzten Zeit Die robuste Kommutierung 9 st robuste Kommutierung möglich? e c b d a Würfelfolge Die Schaltzustände Die RVM ist robust! Borjevic Simon Das Spannungssystem v N v N v N d e a c b 6 Kommutierungen e d b a c 4 Kommutierungen e d c b a 4 Kommutierungen sector of M natural phase sequence MP4 Dr. laf Simon /.7.

20 Die wichtigsten Entwicklungen der letzten Zeit Die robuste Kommutierung Funktion der robusten Kommutierung U U + out out U U out U - U out U Matrixumrichter U-Umrichter Zwei benachbarte Spannungen bilden quasi das positive Zwischenkreisspannungspotential Kommutierungen zwischen diesen Spannungen finden nicht statt Signalperiodizität ist durch die Modulationsfrequenz ( khz) gegeben Die Ausgangsstromwelligkeit ist jedoch durch die doppelte Modulationsfrequenz dominiert ( khz)!! MP4 Dr. laf Simon /.7.

21 Ein paar zusätzliche Schmankerl Die Schaltverlustoptimierung Schaltverlustoptimierung U Ziel: geringste Kommuteriungszahl? U out Verluste hängen von der Kommutierungsspannung ab! U out U Simon ptimierungs- Versuch -- Lösungsansatz e d c b a 4 Kommutierungen a b e d c 5 Kommutierungen a b e d c a b e d c a b e d c MP4 Dr. laf Simon /.7.

22 Ein paar zusätzliche Schmankerl Die Schaltverlustoptimierung Schaltverlustoptimierung U Problemlösung -- Schaltzustände für e>b U out out a e b d c a b e d c a b e d c 4 Kommutierungen a b (e-b) (b+d) c U U Es tritt ein dreiphasiger Schaltzustand auf Die Ausgangsstromwelligkeit entspricht etwa dem eines U-Umrichters Die 4 Kommutierungen entsprechen (!) Kommutierungen eines U-Umrichters Die schaltverlustoptimierte Folge ist nicht robust MP4 Dr. laf Simon /.7.

23 Ein paar zusätzliche Schmankerl Die Schaltverlustoptimierung Verlustmessungen LPP 7 kw, 4 A, 5A GBT Chip 45 v v v 4 output voltage / V MP4 Dr. laf Simon /.7. Bereich SEPP SEPP,,, VoN,4 t / ms 95.% 95.8% % 96.% SEPP LPP Bereich von SEPP / Volt FlatTop, khz FlatTop, 6.67kHz Conduction Losses Verlustleistung / W

24 Ein paar zusätzliche Schmankerl Der Stellbereich des Matrixumrichters 4 Der Stellbereich der RVM v V Re { M } v i i / % i M { } * V i * Re Blindstrom am Ausgang: V i virt. Zwischenkreisstrom ist Null kein Eingangsblindstrom möglich Eingangsblindstrom kann nur bei Wirkbelastung erzeugt werden Kompensation des kapazitiven v Netzfilterstroms nicht immer möglich v i / % / % i v v MP4 Dr. laf Simon /.7.

25 Ein paar zusätzliche Schmankerl Der Stellbereich des Matrixumrichters 5 Der vollständige Stellbereich Unified space vector modulation * { M v } + t M v t M v v t V Re + R i i / % Die dreiphasigen Schaltzustände können den Blindstromstellbereich erweitern Der kapazitive Netzfilterstrom kann in allen Betriebsbereichen mit genügend Ausgangsstrom kompensiert werden v v i / % / % i v v MP4 Dr. laf Simon /.7.

26 6 Die Realisierung des Matrixumrichters Prototyp der Siemens AG MP4 Dr. laf Simon /.7.

27 7 Ui / V Uo / V Messungen Spannung, Uo Spannung, Ui Strom, o Zeit / ms Strom, i_ Zeit / ms o_ / A i_ / A,,8,6,4,, -, -,4 -,6 -,8 -, q / 5A f / 5Hz P / 7.5kW,,5,,5,,5,,5 4, t / s Sinusförmiger Motorstrom Sinusförmiger Netzstrom Reine Wirkleistung Rückspeiseleistung entspricht motorischer Leistung MP4 Dr. laf Simon /.7.