Für moderne, mobile Antriebskonzepte, speziell Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge, sind Elektromaschinen mit hoher Leistungs- und Kraftdichte notwendig. Die permanenterregte Synchronmaschine in hochpoliger Ausführung zeigt hier besondere Vorteile. Die Arbeit zeigt für diese Maschine ein neuartiges Multilevel-Umrichterkonzept, dass speziell für Maschinen mit hoher Polpaarzahl und niedrigem Leistungsfaktor geeignet ist. Die Topologie beinhaltet in jedem Brückenzweig einen zusätzlichen, geschalteten Kondensator, dessen Spannung in Abhängigkeit von Drehzahl und Drehmoment eingeregelt werden kann und zur Zwischenkreisspannung hinzu addiert werden kann. Dabei wird die Motorinduktivität als integrierter Hochsetzsteller genutzt, um die zusätzliche Spannungskomponente im geschaltetem Kondensator zu erzeugen. Die Vorteile des Umrichters bestehen in der erhöhten Ausgangsspannung, die größer als der Zwischenkreisspannung ist, der Verkleinerung der Filter und der geringeren Schaltfrequenz der einzelnen Halbleiter durch die Multilevelausgangsspannung. Durch die erhöhte Ausgangsspannung kann zum Beispiel der Zwischenkreishochsetzstellers entfallen. Die interne, zusätzliche Spannungskomponente ist frei einregelbar. Zusätzlich speist die leerlaufende Maschine nicht mehr bei abgeschaltetem Umrichter auf den Zwischenkreis zurück, da im internen Kondensator eine Gegenspannung vorhanden ist. Auf Grund der speziellen Funktionalität wird die Topologie Multilevel Integrated Step-Up1 (MIS) Wechselrichter genannt. Aus der Summe der Vorteile ergibt sich für mobile Anwendungen ein leichteres und effizienteres System, welches die spezifischen Anforderungen erfüllt, die mit Standardkomponenten nur unzureichend erfüllt sind.
Increased power and torque density represents a major requirement for mobile electric drives, especially future electric vehicles or hybrid electric vehicles. Permanent magnet synchronous machines with high pole pair numbers are well adopted to these needs. In order to take full advantage of their characteristics, a new multilevel inverter topology for this type of electric machine is investigated. The new inverter topology is especially suited to drive machines with low power factor and high pole pair number. The topology contains a switched capacitor in each phase leg. The capacitor's voltage is controlled independently of the DC link according to speed or torque requirements. The motor inductance is utilized for a step up conversion to generate the additional voltage component and an output voltage higher than the DC link voltage. The advantages of the inverter are a higher output voltage, reduced filter size by the multilevel output voltage and lower switching frequency. Furthermore, there is no DC/DC chopper necessery, because the internal capacitor compensates DC link variations. Additionally a free wheeling drive will not feed energy into the DC link, because the internal capacitor voltage compensates the back emf voltage of the machine. Because of it's special features, the topology is called Multilevel Integrated Step-Up (MIS) inverter. For mobile electric drives, the topology's benefits create a lighter and more efficient system, that meets the requirements, that are not sufficient fulfilled with state of the art components.
Multilevel Integrated Step-Up (MIS) Wechselrichter: Steuerung und Regelung eines Mehrpunktwechselrichters für Synchronmaschinen
2012
175 Seiten, Bilder, Tabellen, 87 Quellen
Hochschulschrift
Deutsch
Umrichter , Wechselrichter , Ausgangsspannung , Zwischenkreis , Synchronmaschine , Elektromaschine , Schaltfrequenz , Steuerung und Regelung , Hybridfahrzeug , Antriebskonzept , Topologie , Drehzahl , Leistungsfaktor , Maximalleistung , mobile Anwendung , Kondensator (elektrisch) , Spannung (elektrisch) , Kraftverstärkung , Elektrofahrzeug , Elektroantrieb , Stand der Technik , Leistungsverbrauch
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