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This paper presents a new power electronic control system comprised of the 32-bit TriCon microcontroller-board and a Xilinx XC2V500 FPGA. The system is intended for use in application with fast signal transition and many analog measures to be controlled. Configuration of FPGA modules implemented in VHDL can be realised by means of a parallel interface between microcontroller and FPGA.The proposed system allows for fast control, signal manipulation and error management. It is shown that modules implemented in the FPGA can extend the peripherals of the microcontroller and offload from time-critical processes. - Hence a system with higher performance and more flexibility is obtained.

Die Systemintegration ist ein treibender Faktor in der Weiterentwicklung leistungselektronischer Systeme. Neben einer Erhöhung der Leistungsdichte und der Zuverlässigkeit ist der Schutz von Leistungshalbleitern ein wichtiges Kriterium bei der technischen Umsetzung von Schaltungstopologien. Dabei ist die Sperrschichttemperatur ein wesentlicher Betriebsparameter neben dem Einhalten von Spannungsgrenzen und dynamischen Grenzwerten. Stand der Technik bei der industriellen Umsetzung thermischer Schutzkonzepte in Umrichtern ist die Ausnutzung der Temperaturabhängigkeit von Bauelementeparametern oder die Messung der mittleren Kühlkörpertemperaturen jedoch noch nicht eine direkte verzögerungslose Messung der zeitlichen Sperrschichttemperaturverläufe in Standardmodulen. Von dem Ansatz einer Modellumsetzung in Mikrorechnern ausgehend, wird in der vorgelegten Arbeit das Thema der Online-Ermittlung der zeitlich veränderlichen Sperrschichttemperatur von Leistungshalbleiterbauelementen im Umrichterbetrieb vorgestellt. Die elektrische und thermische Modellbildung wurde für Single- und Multichip-Anordnungen technisch umgesetzt sowie die Genauigkeit bei unterschiedlichen Lastformen und Zyklen untersucht. Der Schutz der Leistungshalbleiter durch den im Mikrocontroller online simulierten Parameter Sperrschichttemperatur wurde zur Regelung und Steuerung in Umrichtern umgesetzt. Von dem Ansatz der Verbesserung der elektrischen Ausnutzung ausgehend war das zweite Ziel dieser Arbeit die theoretische und experimentelle Untersuchung von Methoden und Varianten des Schutzes von Leistungshalbleiterschaltern gegen periodische und nichtperiodische Überspannungen. Im Mittelpunkt stand die Erforschung der Möglichkeiten und Grenzen des Verfahrens Active Voltage Clamping" für Schalter mit Hochspannungs-IGBT. In der Arbeit wurden Lösungsvarianten und grundlegende Verfahren für IGBT-Schalter bis zu einer Nennsperrspannung von 3,5kV erarbeitet, analysiert und in Einzelschaltern sowie in verschiedenen Stromrichtertopologien appliziert. In experimentellen Untersuchungen wurden Aspekte der Realisierbarkeit, des Derating und der Snubberanforderungen des Active Clamping zur Reihen- und Parallelkaskadierung von IGBTs erarbeitet.

Der Drehstromlichtbogenofen besitzt eine nichtlineare Strom- Spannungs-Charakteristik. Folglich wirkt er als Störquelle in dem Netz, das ihn versorgt. Er emittiert Oberschwingungen und Zwischenharmonische und erzeugt Spannungsunsymmetrien, -einbrüche und -schwankungen. Eines seiner wesentlichsten Nachteile ist jedoch der durch die Spannungsschwankungen erzeugte Flicker, der infolge von Leuchtdichteschwankungen bei Glühlampen auftritt. - Das Ergebnis der vorliegenden Arbeit zeigt, wie unter Nutzung von modernen Kompensatoren die Störungen, die durch den Drehstromlichtbogenofen entstehen, minimiert werden können. - Auf der Basis der Literatur erfolgt zunächst ein Überblick über diesen Themenkomplex. Unter Nutzung von systemtheoretischen Methoden werden anschließend die oben genannten Störungen analysiert. Der Schwerpunkt wird dabei auf die Kenngrößen Oberschwingungen und Unsymmetrien sowie den Flicker gelegt. - Zur Kompensation der durch den Ofen verursachten Störungen wird in der vorliegenden Arbeit ein hybrides Filterkonzept vorgeschlagen. Der aktive Teil des Kompensators besteht aus einem thyristorgesteuerten Blindstromsteller (TCR-Anlage) sowie einem parallelen aktiven Filter. Die TCR-Anlage übernimmt die Kompensation der Grundschwingungsblindleistung des Ofens. Sie ist außerdem für die Flickerminderung zuständig. Zur Kompensation der Verzerrungsblindleistung des Gesamtsystems kommt ein aktives Filter zur Anwendung. Durch Verwendung einer optimierten Netzwerktopologie für das Hybridfilter wurde es möglich, die Bauleistung des dafür erforderlichen Spannungswechselrichters stark zu vermindern. - Einen weiteren Schwerpunkt der Untersuchungen bildeten die Regelungsstrukturen der aktiven Kompensatoren. Diese zukunftsorientierten Regelkonzepte basieren auf der oben angesprochen Analyse. Sie sind frequenzselektiv und arbeiten in ruhenden Koordinaten. Ein Hauptbestandteil der Strukturen sind die transformierten PI-Regler. Ihre Übertragungsfunktionen werden mit Hilfe der Tiefpass-Bandpass-Transformation bestimmt. Sie ermöglichen es, dass auch bei sinusförmigen Größen eine stationäre Genauigkeit der Regelkreise erreicht werden kann. Die stationäre Genauigkeit stellt sich dabei jeweils bei den Abstimmfrequenzen der Regler ein. - Wie durch Simulationsergebnisse bewiesen wird, ist mit der entwickelten Kompensationsanlage eine starke Dämpfung des Flickers möglich. Auch die durch das Gesamtsystem (Schmelzofen und Kompensator) emittierten Netzstromoberschwingungen konnten auf ein zulässiges Maß reduziert werden.