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Die in dieser Arbeit vorgestellte Kompensationslösung ist unter besonderer Beachtung der Eigenschaften von Mittelfrequenzschweißmaschinen entwickelt worden. Aus den Vorgaben war eine frequenzselektiv arbeitende Lösung zu entwickeln. Nach einer Untersuchung von bekannten Oberschwingungsanalysemethoden hinsichtlich ihres dynamischen Verhaltens sind die Oberschwingungsanalysemethoden auf einen typischen Netzstrom einer Punktschweißmaschine angewendet worden. Für die rekursive diskrete Fourieranalyse wurde ein Verfahren entwickelt, um das grenzstabile Verhalten in ein stabiles Verhalten zu überführen. Das Verfahren führt zu keinem Amplitudenfehler, und es sind nur wenige zusätzliche Rechenschritte notwendig, denn es wird auf Zwischenergebnisse der Rechnung zurückgegriffen. Durch die Erweiterung der RDFT um 4 Additionen bzw. Subtraktionen konnte die RDFT in eine RDFT-rKs überführt werden. Die Harmonischen liegen direkt als Gleichgrößen für das Mit- und Gegensystem der symmetrischen Komponenten, bezogen auf entsprechend rotierende Koordinatensysteme, getrennt vor. Auch kann die RDFT-rKs auf die gleiche Weise wie die RDFT in ein stabiles Verhalten gezwungen werden. Für B6C Gleichrichterlasten ist eine Beobachterstruktur für die Anwendung der RDFT-rKs entwickelt worden. Diese ermöglicht für bestimmte Lasten eine Bestimmung der Oberschwingungen in ein Sechstel Netzperiode. Der Oberschwingungsstrom ist 3,33 ms nach einem Sprung bestimmt. Mit dem Beobachter kann die Dynamik um den Faktor sechs erhöht werden. Die Oberschwingungsanalyseverfahren wurden hinsichtlich ihrer Implementierbarkeit in Festkomma-DSP untersucht. Die Grenzen und Einflüsse der Festkommaverarbeitung sind mit in die Auswahl der realisierten Verfahren eingeflossen. Ein Vergleich hinsichtlich des Rechenzeitbedarfs und benötigten Speichers ist für das dqi und die RDFT-rKs dargestellt. Für eine Oberschwingungskompensation sind zwei Hauptkomponenten ausschlaggebend. Zum einen ist eine schnelle Oberschwingungsdetektion erforderlich, um einen Kompensationsstrom vorzugeben, als zweites wird eine Stromquelle benötigt, die den Strom mit einer hinreichenden Dynamik bereitstellen kann. Für den industriellen Einsatz muss die Stromquelle auch einen Kompensationsstrom bereitstellen können, der in einem 4 bis 5 MVA Netz benötigt wird. Um mit verfügbaren Leistungshalbleitern dynamische Stromquellen für Industrienetze zu realisieren ist eine Multiphasentechnik zur Ansteuerung von parallelen Halbleitern untersucht worden. Verschiedene Trägersignale für die Pulsweitenmodulation wurden verglichen.

Diese Arbeit befasst sich mit der Wirkung der internen Kreisströme auf die Effizienz des modularen Multilevelumrichters (MMC). Aus internationalen Veröffentlichungen sind simulative und experimentelle Ergebnisse bekannt, die sich für verschiedene Dimensionierungen unterscheiden. Das Ziel der Arbeit ist das Formulieren eines verallgemeinerten Verfahrens, welches die Bestimmung des verlustoptimalen Kreisstromes für einen pulsweitenmodulierten MMC in jedem Arbeitspunkt und mit beliebigem Design erlaubt. Weiterhin wird die Frage behandelt, von welchen Stromrichtereigenschaften das Optimierungspotential abhängt. Der Ansatz für die Effizienzoptimierung ist, eine Gesamtverlustfunktion des Stromrichters zu definieren und die stromrichterinternen Ströme so einzuspeisen, dass diese Funktion minimiert wird. Die Verlustfunktion wird zu einer verallgemeinerten Form gebracht, sodass die Eigenschaften der IGBT- und MOSFET-Schalter berücksichtigt werden können. Das beschriebene Verlustmodell auf Basis des Mittelwertansatzes ist für pulsweitenmodulierte Schaltungen einsetzbar. Nach der Bildung eines Verlustmodells und einer Analyse der Gesamtverlustfunktion werden verschiedene Minimierungsverfahren erprobt und ein Optimierungsalgorithmus zum Einsatz ausgesucht. Der direkte, simplexbasierte Nelder-Mead-Algorithmus hat in allen Betriebspunkten eine gute Genauigkeit, Konvergenzgeschwindigkeit und Stabilität gezeigt. Aus diesem Ergebnis zusammen mit den diskutierten Funktionseigenschaften folgt, dass direkte Suchalgorithmen für die Lösung der gestellten Aufgabe im Allgemeinen besser geeignet sind, als gradientenbasierte Verfahren. Die analytische Optimierung für einen verallgemeinerten Fall hat sich als zu zeitintensiv und zustandsspezifisch bewiesen und wurde nicht weiterverfolgt. Bei den simulationstechnischen Untersuchungen wurden die Implementierbarkeit des Optimierungsansatzes und die erwarteten Verlustersparnisse bestätigt. Die Effizienzoptimierung wurde an Stromrichtern mit verschiedenen Modulationsverfahren und Verlusteigenschaften erprobt. Für die meisten untersuchten Fälle gilt: je höher die Verluste vor der Optimierung, desto höher die Verlustersparnis danach. Konverter mit SiC-MOSFETs passen allerdings in diese Faustregel nicht aufgrund der nahezu identischen Verlusteigenschaften bei positivem und negativem Schalterstrom.

Diese Arbeit konzentriert sich auf die Auswirkungen von Schaltungskonzepten, Topologien und Parametern auf die Magnetbauelemente, wobei deren Verlustleistungsentwicklung und Baugröße im Fokus steht. Die prinzipielle Herangehensweise basiert zum einen auf dem ganz konkreten Dimensionieren und Optimieren von Magnetbauteilen mit Hilfe eines Software-Tools unter praxisnahen Bedingungen, ohne dabei jede Anordnung experimentell zu verifizieren. Zum anderen basiert sie auf eher theoretischen Betrachtungen, unterstützt durch numerisch ermittelte Daten. Ein reales Stromversorgungssystem dient als Referenz. Dieses wurde intensiv messtechnisch untersucht. Es handelt sich um ein Batterieladegerät mit einer Nennleistung von ca. 1kW. Mit diesem System wurde auch der Nachweis der Korrektheit der Berechnungen der Kern- und Wicklungsverlustleistungen der Magnetbauelemente anhand der Temperaturerhöhungen geführt. Die prinzipiellen Leistungsdaten dieses Batterieladegeräts bleiben die Basis für die weiterführenden Untersuchungen und Dimensionierungen und wurden nur für den jeweiligen Untersuchungsgegenstand variiert, z.B. der Spannungsbereich oder die Schaltfrequenz. Das allgemeine Vorgehen bei der Optimierung von Magnetbauelementen sowie die Optimierungskriterien Verlustleistung und Baugröße und deren Zusammenhang werden beschrieben. Zur Wahrung der Praxisrelevanz und der Vergleichbarkeit der Ergebnisse werden verbindliche Dimensionierungsregeln formuliert. Der erste Hauptkomplex widmet sich der Untersuchung der Auswirkung von Spannungsbereichen oder Spannungsreserven. Es wird eine Fallunterscheidung durchgeführt, bei der basierend auf verschiedenen Schaltungskonzepten unterschiedliche Aussteuergrade und Belastungsprofile der Magnetbauteile auftreten. Konkretere Analysen werden durchgeführt für einen zunehmend größeren stationären Spannungsbereich, wie dies in einem Universal-Ladegerät auftreten könnte sowie für eine berücksichtigte Spannungsreserve für den Kurzzeitbetrieb (Netzausfallüberbrückung). Die Untersuchungen werden für zwei Wandler-Topologien durchgeführt. Dies sind der Eintakt-Flusswandler und der sogenannte "Phase Shift"-Wandler. Es werden jeweils der Haupttransformator und die Speicherdrossel betrachtet. Vereinfacht formuliert zeigt sich eine moderate Erhöhung der Baugröße und Verlustleistung des Transformators mit steigendem Spannungsbereich oder steigender Spannungsreserve beim Eintakt-Flusswandler, aber eine drastische Erhöhung beim Transformator des "Phase Shift"-Wandlers. Die Auswirkung eines erhöhten stationären Spannungsbereichs auf die Speicherdrosseln ist für beide Topologien sehr ungünstig. Der zweite Hauptkomplex thematisiert die Untersuchung der Auswirkung der Schaltfrequenz auf die Magnetbauelemente. Hier wird noch konsequenter zwischen den Optimierungskriterien Verlustleistung und Baugröße differenziert. Bei den praxisnahen Dimensionierungen wird nur die Topologie "Eintakt-Flusswandler" berücksichtigt, untersucht werden deren Haupttransformator und Speicherdrossel, wobei letztere sowohl ferritbasiert als auch als pulverkernbasiert (Ringkern) ausgeführt werden soll. Es werden nur aktuell am Markt verfügbare Magnetmaterialien angenommen und zwar für jede Dimensionierungsaufgabe und Frequenzstufe das jeweils optimale. Es wird ein Verfahren zur frequenzbestimmten Auswahl der Magnetwerkstoffe vorgestellt. Vereinfacht lassen sich die Ergebnisse derart beschreiben, dass bezogen auf Transformatoren sowohl bei Optimierung auf Verlustleistung als auch bei Optimierung auf Volumen kaum weiteres Optimierungspotential bei Frequenzen oberhalb 100kHz besteht. Bei kleineren Frequenzen ist ein gutes Potential vorhanden, der "Gewinn" ist bei Optimierung auf Verlustleistung stärker ausgeprägt als bei Optimierung auf Volumen. Bei Speicherdrosseln ist auch bei größeren Frequenzen noch eine effektive Verlustleistungs- und Volumenreduktion möglich. Hierbei besteht eine Abhängigkeit von der Stromwelligkeit. Allgemein lässt sich feststellen, dass das Potential zur Optimierung mittels Frequenzerhöhung mit steigendem AC-Anteil (bezüglich Strom und magnetischem Fluss) abnimmt.