Publikationen

In dieser Arbeit wird eine aktive Filteranlage untersucht, die aus einem parallelen und einem seriellen aktiven Filter besteht. Schwerpunkt der Arbeit ist das serielle aktive Filter. Für das serielle aktive Filter wurde eine Schaltung mit drei einphasigen Wechselrichtern gewählt, um so auf einen Transformator zu verzichten. Mit der Filteranlage wird ein neuartiges Filterkonzept für sechspulsige Diodengleichrichter umgesetzt. Durch das Filterkonzept verbessert sich sowohl die AC- als auch DC-Energiequalität. Zur Verbesserung der AC-Energiequalität werden die Stromoberschwingungen, die durch den Gleichrichter im Drehstromnetz entstehen, in zwei Stufen kompensiert. Die erste Kompensationsstufe führt das serielle aktive Filter aus und die zweite Kompensationsstufe erfolgt mit dem parallelen aktiven Filter. Außerdem werden mit der Filteranlage die Strom- und die Spannungswelligkeit auf der Gleichspannungsseite des Gleichrichters deutlich verringert und somit die DC-Energiequalität verbessert. Zusätzlich ist es mit der Filteranlage möglich, die Gleichspannung des Diodengleichrichters zu vergrößern oder zu verkleinern. Für die Regelung der Filteranlage werden frequenzselektive Regler eingesetzt. Diese Regler ermöglichen eine Regelung im ortsfesten Koordinatensystem. Die Kaskadenregelung des seriellen aktiven Filters regelt den dreiphasigen Wechselstrom und die Gleichspannung des Gleichrichters. Anhand von Simulationsergebnissen werden das stationäre und das dynamische Verhalten der Filteranlage gezeigt sowie eine detailliertere Untersuchung der Kaskadenregelung durchgeführt. Ein wesentlicher Freiheitsgrad bei der Auslegung des seriellen aktiven Filters ist die Nullspannung. Durch das Einspeisen einer entsprechenden Nullspannung können die Kondensatoren oder die erforderlichen Zwischenkreisspannungen des seriellen Filters reduziert werden. Außerdem ist es möglich, mit einer Nullspannung die drei Zwischenkreisspannungen des seriellen Filters zu symmetrieren. Um den Halbleiteraufwand der Filteranlage zu bewerten, wird ein Vergleich mit einem Active-Front-End-Stromrichter durchgeführt. Diese Stromrichter besitzen hinsichtlich der AC- und DC-Energiequalität gleiche Eigenschaften wie die Schaltung bestehend aus Gleichrichter und Filteranlage. Der Vergleich zeigt, dass sich bezüglich der Strom- und Spannungsbeanspruchung unterschiedliche Werte ergeben, was bei der Auswahl der Halbleiter der Filteranlage vorteilhaft genutzt werden kann.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Betrieb von einphasig gespeisten EC-Lüftermotoren mit schlankem Zwischenkreis. Beim einphasigen Industrienetz besteht das Problem, dass im Lüftermotor aufgrund der bis auf null Volt pulsierenden Zwischenkreisspannung ein Luftspaltdrehmoment mit hohem Anteil an Oberschwingungen auftritt. Um dies zu vermeiden, müssen in der Praxis diskrete Speicherelemente wie Elektrolytkondensatoren und Eisenkerndrosseln als Energiespeicher in den Zwischenkreis des Umrichters eingebaut werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuartiges Verfahren vorgestellt, welches ein nahezu konstantes Luftspaltdrehmoment bei einphasig gespeisten EC-Lüftermotoren mit schlankem Zwischenkreis gewährleistet. Mit dem Verfahren, der so genannten dynamischen Feldschwächung, können die bislang erforderlichen Energiespeicher wie Spulen und Elektrolytkondensatoren ersetzt werden. Zur Herleitung des Verfahrens der dynamischen Feldschwächung sind auf der Basis eines sättigungsfrei und damit linear arbeitenden Lüftermotors die notwendigen mathematischen Grundgleichungen entwickelt worden. Der Ansatz eines sättigungsfrei arbeitenden Lüftermotors erlaubt die einfache Umsetzung einer Konstruktionsvorschrift für einen speziell auf das Verfahren abgestimmten Motor auf Basis der regelungstechnisch relevanten Motorparameter. Mithilfe eines nichtlinearen Kalman-Filters zur automatischen Bestimmung der regelungstechnischen Motorparameter wird dann der gebaute sättigungsfrei arbeitende Lüftermotor auf einem Prüfstand vermessen. Dabei hat sich gezeigt, dass das Verfahren der dynamischen Feldschwächung eine gute Übereinstimmung zwischen den analytischen und den simulierten Ergebnissen liefert. Das Verfahren der dynamischen Feldschwächung kommt bei einer Motorleistung von etwa 200 Watt und einem Wirkungsgrad von ca. 80 % mit einer sehr kleinen Zwischenkreiskapazität von 14 [my]F aus. Im Vergleich dazu benötigt ein Serienlüftermotor eine Zwischenkreiskapazität von 204 [my]F.