Aktive Rippelunterdrückung netzgekuppelter Pulsumrichter

Im Rahmen des Projekts wird ein neues Verfahren zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) von netzgekuppelten IGBT-Umrichtern (welche zur Netzanbindung von Alternativenergiequellen zunehmend Verbreitung finden) untersucht. Üblicherweise arbeiten solche Umrichter mit Schaltfrequenzen im Bereich typ. 2...20kHz, der entstehende schaltfrequente Stromrippel wird mit aufwendigen passiven Filtern am Netzanschlußpunkt unterdrückt. Diese Filter verursachen beträchtliche Kosten (bzw. Volumen/Gewicht) sowie nicht unerhebliche Zusatzverluste. Das dem Projekt zugrundeliegende neue Konzept ist nun, die passiven LC-Filter durch ein aktives System zu ersetzen, mit welchem der Rippelstrom des IGBT-Umrichters (in Idealfall vollständig) kompensiert wird, wofür allerdings eine steuerbare Stromquelle mit erheblicher Bandbreite (typ. 20...100kHz) erforderlich ist. Da dies mit den gebräuchlichen Schaltverstärker-Strukturen im relevanten Leistungsbereich nicht zweckmäßig erreicht werden kann, wird ein neuartiger Kompensator in Multizellen-Struktur (basierend auf einer Serienschaltung von Vollbrücken) propagiert. Wegen der geringen Betriebsspannung der einzelnen Zellen können damit verlustarme moderne Trench-MOSFETs verwendet werden. Durch den phasenversetzten Betrieb der Zellen ergibt sich eine sehr hohe effektive Schaltfrequenz welche die erforderliche Dynamik sicherstellt. Neben einer einfachen Analogregelung ist geplant, auch eine volldigitale Steuerung des Kompensators (inklusive des erforderlichen Rippelsignalfilters) zu implementieren. Ebenso soll ein neuartiger, auf dem Rogowski-Prinzip basierender Rippelsensor für den IGBT Umrichter untersucht werden.

Im Rahmen des Projektes wurden Verfahren zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) von netzgekuppelten Umrichtern (welche zur Netzanbindung von Alternativenergiequellen wie z.B. Solargeneratoren zunehmend Verwendung finden) untersucht. Üblicherweise arbeiten solche Umrichter mit Schaltfrequenzen im Bereich von typ. 2..20kHz, der daraus resultierende schaltfrequente Stromrippel muss mit aufwendigen passiven Filtern im Bereich des Netzanschlusspunktes unterdrückt werden. Diese Filter verursachen beträchtliche Kosten (bzw. Volumen / Gewicht) sowie nicht unerhebliche Zusatzverluste. Das dem Projekt zugrundeliegende neue Konzept ist nun, diese passiven LC-Filter durch ein aktives System zu ersetzen, mit welchem der Rippelstrom der Umrichter (im Idealfall vollständig) kompensiert werden kann. Dies erfordert den Einsatz einer steuerbaren Energiequelle mit ausreichender Signalbandbreite (typ. 20..100kHz). Da dies von konventionellen Leistungsendstufen nur unzulänglich erfüllt werden kann und mit hohen, durch die Schaltfrequenz bedingten Verlusten begleitet ist, wurde der Einsatz einer Multizellen Filterstruktur untersucht. Dabei zeigte sich, dass der gewünschte Effekt mit der optimalen Kaskadierung einer Dual-Filter Anordnung erzielt werden konnte. Zum Einsatz kommt ein Kompensator mit reduzierter Schaltfrequenz zur Kompensation des niederfrequenten Stromrippels und eine weitere Kompensationsstufe, welche den deutlich geringeren hochfrequenten Rippel der ersten Filterstufe reduziert. Somit entsteht ein quasi dreistufiges System (Umrichter, Niederfrequenzkompensator und Hochfrequenzkompensator) das eine effektive direkte Netzankopplung gestattet. Die erforderliche Regelung des Gesamtsystems gestaltet sich als überschaubar, da jede Stufe für sich auf ihr klar definiertes Optimum hin gesteuert wird. Somit kann in einfacher Weise eine analoge Realisierung wie auch die Integration in ein volldigitales Regelkonzept erfolgen.