Dissertation The Minh Phan

Elektronische Ventile (IGBT, IGCT, usw.) eines Drei-Punkt-Wechselrichters (3L-NPC-VSI) für Mittelspannungsanwendungen werden üblicherweise auf separaten Kühlkörpern montiert, als Folge entsteht eine schwache thermische Kopplung zwischen den Ventilen. Wie aus der Literatur bekannt ist, kann im normalen Betrieb des Wechselrichters die Wärmeverteilung zwischen den Schalter mit Hilfe verschiedener Verfahren verbessert werden. Trotzdem ist die Entstehung von lokalen Hotspots unter bestimmten Fehlersituationen wie: Störung im Kühlsystem, schlechte Platzierung der Ventile, Fehler in der Elektronik, usw. unvermeidbar. Die lokal thermische Überlastung erhöht das Ausfallrisiko der betroffenen Ventile und reduziert die Lebensdauer des gesamten Systems.

In der vorliegender Arbeit wird ein neuartiger Fehlertoleranter Regelungsansatz entwickelt, um das Problem anzugehen. Im Falle der lokal thermischen Überlastung wird die Pulsweitenmodulation bzw. werden die Schaltmuster so adaptiert, dass die thermisch belasteten Ventile verschont werden und ein Teil der Wärme auf andere nicht überlastete Schalter verlagert wird. Dabei werden redundante Zustände des 3L-NPC-VSI ausgenutzt, welche dieselbe Ausgangsspannung haben aber unterschiedlichen Einfluss auf die Verlustverteilung des Wechselrichters nehmen. Dank der aktiven Verlustverteilung zwischen den Ventilen bewegt sich der Temperaturwert der überlasteten Ventile im erlaubten Bereich und das System kann im Betrieb bleiben. Darüber hinaus wird die Lebensdauer des Wechselrichters in diesem Falle für den Fehlerzustand maximiert.

Der vorgeschlagene Ansatz wird in zwei verschiedenen Varianten untersucht. Die erste betrachtet den 3L-NPC-VSI als Stellglied einer feldorientiert geregelten Asynchronmaschine und modifiziert die Pulsweitenmodulation entsprechend. Im zweiten Fall wird die Direkte Drehmomentregelung (DTC) betrachtet und die Schalttabelle modifiziert. Die vorgeschlagene fehlertolerante Prozedur minimiert auch ihre Auswirkungen auf die Spannung im Mittelpunkt des Zwischenkreises ohne dass zusätzliche Hardware notwendig ist. Das Verfahren wird mittels Simulation und zahlreicher Messungen an einem Laborprüfstand validiert.