Publikationen

Hartwig, Raphael; Hensler, Alexander; Ellinger, Thomas
Transient behavior of an 800 kHz 9-level single-phase flying capacitor GaN multilevel inverter. - In: PCIM Europe Digital Days 2021, (2021), S. 464-471

The volume of industrial three-phase grid connected inverters often suffers from large EMI filters which harm the overall power density. In recent publications the flying capacitor inverter is seen as a possible approach to reduce this filter effort and increase the efficiency. This paper presents a prototype of a nine level GaN single-phase flying capacitor inverter with a switching frequency of 800 kHz and a peak efficiency of 99.2 %. The steady state of such a flying capacitor inverter is already tested with some prototypes. In contrast the transient behavior of the flying capacitor natural voltage balancing is mainly theoretically investigated with no EMI filter and some simplifications to derive a linear system. Especially the impact of typical industrial operation conditions for flying capacitor inverters with very high switching frequencies is not tested right now. This paper should fill this gap and present measurements of the flying capacitor voltages at a DC voltage step. Additionally the effect of rapid changes in the modulation signal and the impact on the flying capacitor voltages is presented and compared to a simulation. These results should lead to a three phase industrial 24 kW grid connected prototype with a volume of approximately four liters.

https://ieeexplore.ieee.org/document/9472284

Smirnov, Pavel;
Analyse und Synthese von Konzepten für hybride leistungselektronische Erdschlusskompensatoren für Mittelspannungsnetze. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2020. - 1 Online-Ressource (IX, 112 Blätter)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020

In den vergangenen Jahren ist das Energieübertragungssystem mit der Zunahme der Produktion angewachsen. Jedes Jahr werden daher neue Übertragungsnetze in Betrieb genommen und die bereits bestehenden Übertragungsnetzwerke werden erweitert. In der Vergangenheit wurde der Strom in großen Kraftwerken zentral erzeugt und vom Hochspannungsnetz übertragen. Jetzt werden jedoch zunehmend auch große Mengen der elektrischen Energie vom NS- und MS-Netz übertragen. Die Anlagen zur Nutzung der erneuerbaren Energien sind grundsätzlich auf der Mittelspannungseben angeschlossen. Die modernen Netze müssen somit nicht nur mit einer schwankenden Stromerzeugung sondern auch mit verschiedenen Fehlern umgehen können. Mit wachsender Netzausdehnung steigt auch die Wahrscheinlichkeit für einen Fehlereintritt. Folglich müssen neue Verfahren entwickelt werden, um die Zuverlässigkeit und Stabilität der Netze auch im Fehlermodus zu verbessern. Derzeit werden oft kompensierte MS-Netze zum Schutz vor einphasigen Erdfehlern verwendet, wobei der Neutralleiter entweder über eine Drossel oder einen Widerstand mit der Erde verbunden ist. Damit kann der Fehlerstrom begrenzt und die Netze im Fehlerfall weiter betrieben werden. Gleichwohl haben auch die modernen passiven Kompensationsanlagen Probleme mit der Abstimmgenauigkeit, den Abmessungen sowie aufgrund der Komplexität des Antriebssystems. Moderne leistungselektronische Kompensationsanlagen werden zunehmend in MS-Netzen eingesetzt, um die Blindleistung zu kompensieren und nichtlineare Lastströme zu filtern. Sie können außerdem verwendet werden, um den Fehlerstrom zu kompensieren und eine optimale Ausnutzung der Übertragungskapazitäten der Leitungen zu ermöglichen. Da diese innovativen leistungselektronischen Kompensationsanlagen bei relativ hohen Frequenzen arbeiten, können außerdem wertvolle Materialien wie Kupfer und Stahl, die für die 50-Hz-Drosseln notwendig sind, eingespart werden. Diese Arbeit widmet sich der Entwicklung eines Hochleistungs-MS-Wechselrichters sowie dessen zur Kompensation notwendigen Steuerungssystems. Der Kompensator dient dabei zur Eliminierung des einpoligen Erdfehlerstromes (Grund- und Oberschwingungskomponenten) und kann daher im Übertragungssystem als Äquivalent der Petersonspule oder des Widerstands betrachtet werden. Der auf der Hilbert-Transformation basierende Steueralgorithmus wird ebenfalls erörtert.

https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2020000510

Schmitt, Maximilian;
Aktive Dämpfung von Gleichtaktstörungen in elektrischen Antriebssystemen. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2020. - 1 Online-Ressource (xiv, 156 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entstehung und Wirkung von Gleichtaktstörungen in elektrischen Antriebssystemen. Parasitäre Gleichtaktimpedanzen bilden zusammen mit Gegentaktimpedanzen des Antriebssystems parasitäre Resonanzschwingkreise aus, welche von den Schalthandlungen der eingesetzten Umrichter im Antriebssystem zum Schwingen angeregt werden. Einer der beiden Schwerpunkte befasst sich mit der Entwicklung einer analytischen Berechnungsmethode, um die vorhandenen parasitären Gleichtaktpfade sowie deren Resonanzfrequenzen zu ermitteln. Der zweite Schwerpunkt behandelt die Möglichkeit der aktiven Dämpfung von Gleichtaktstörungen. Hierzu analysiert ein Algorithmus jede einzelne Schaltflanke im Umrichter auf deren Wirkung im Gleichtaktsystem. Anschließend kann diese zeitlich derart verschoben werden, dass die Schaltflanke eine bestmögliche Dämpfung im Gleichtaktsystem erzielt. Einleitend werden die notwendigen Grundlagen zur Umrichtertechnik sowie der Ausbildung und Anregung von Resonanzschwingkreisen am Beispiel eines RLC-Reihenschwingkreises erklärt, der stellvertretend für das stark reduzierte Gleichtaktmodell eines modernen Antriebssystems steht. Die Literaturrecherche gibt einen detaillierten Einblick über aktuelle Methoden der Reduktion von Gleichtaktstörungen wieder. Viele wissenschaftliche Veröffentlichungen behandeln modifizierte Ansteuerverfahren für die eingesetzten Umrichter, welche gezielt die Gleichtaktspannungen eines jeden Spannungsraumzeigers ausnutzen. Die Theorie und Funktionsweise des neuen Steuerverfahrens HCad, wird mathematisch hergeleitet und anhand eines idealen Simulationsmodells untersucht. Die Auswertung der Simulationsergebnisse ermöglicht es bereits, die dämpfende Wirkung unter idealen Bedingungen zu quantifizieren. Die Umsetzung eines praxisnahen Laborprüfstands dient der Verifikation und dem Vergleich realer Messungen mit den in der Simulation gewonnen Erkenntnissen. Die durchgeführten Messreihen bestätigen die Möglichkeit, Gleichtaktstörungen mithilfe einer zeitlichen Flankenverschiebung im Umrichter zu bekämpfen. Des Weiteren ist gezeigt, dass die Anwendung der aktiven Gleichtaktdämpfung neben der eigentlichen Aufgabe eines Steuerverfahrens in vollem Umfang und über den kompletten Modulationsbereich eines Umrichters möglich ist.

https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00042672

Freiburger, Philipp;
Erstellung, Kopplung und Anwendung dynamischer thermischer Kompaktmodelle leistungselektronischer Systeme. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2019. - 1 Online-Ressource (XV, 130 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2019

In dieser Arbeit werden verschiedene Methoden der thermischen Kompaktmodellerstellung erläutert, wobei die Vorteile von Kompaktmodellen basierend auf thermischen Impedanzen (Zth) ausgearbeitet werden. Es wird gezeigt, dass mit Kompaktmodellen der Temperaturverlauf komplexer thermischer Systeme mit variablen Randbedingungen annähernd exakt nachgebildet werden kann. Mit dem Ziel, ein Kompaktmodell eines Akkupacks basierend auf thermischen Impedanzen zu erstellen, wird zunächst ein detailliertes Modell ausgearbeitet. Dazu werden die thermophysikalischen Parameter einer Lithium-Ionen-Zelle aus Literaturwerten und Messungen ermittelt, mit einem empirischen Verlustmodell validiert und in das Gesamtmodell implementiert. Letzteres besteht aus einem CFD-Modell, das die Messumgebung bei freier Konvektion nachbildet. Um das Kompaktmodell zu erstellen, wird das CFD-Modell um einen Betriebspunkt linearisiert. Das Kompaktmodell wird in ein echtzeitfähiges thermoelektrisches Modell transformiert und mittels eines Lastprofils unter variierenden Umgebungsrandbedingungen mit Messdaten verglichen und validiert. Es zeigt sich eine drastische Reduktion der Rechenzeit sowie eine hohe Genauigkeit des Kompaktmodells. Sind technische Systeme modular aufgebaut und erfordern einen hohen Detaillierungsgrad in der thermischen Modellierung, bietet es sich an, das Ursprungssystem zu substrukturieren und die Substrukturen zu reduzieren. Die gängigen Methoden zur Reduktion und zur Rückkopplung in ein reduziertes Gesamtsystem werden hinsichtlich ihrer Stärken und Schwächen bewertet. Mittels einer in dieser Arbeit entwickelten, neuen, auf Faltung und Entfaltung basierenden Methodik, dem CoC-Verfahren, werden die Vorteile der Substrukturierung und der Kompaktmodellbildung vereint. Es zeigt sich eine hohe Genauigkeit, da durch die zeitdiskrete Faltung keine Abweichung durch ein ansonsten notwendiges Fitting an äquivalente Netzwerke entsteht. Das CoC-Verfahren wird an einem Invertermodul angewandt, das dazu in die Substrukturen B6-Brücke, Folienkondensator und Stromschienen aufgeteilt wird. Ein Kompaktmodell wird unter den Erkenntnissen der allgemeinen Randbedingungen aus dem ersten Hauptteil der Arbeit erstellt und validiert.

https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2019000626

Smirnov, Pavel; Petzoldt, Jürgen; Möbes, Sebastian
Control of a three-phase series resonant converter based solid state transformer. - In: 2019 21st European Conference on Power Electronics and Applications (EPE '19 ECCE Europe), (2019), S. P.1-P.8

https://doi.org/10.23919/EPE.2019.8915432