Rückspeisestromrichter mit geregeltem Zwischenkreisstrom, Dissertation an der Technischen Universität Braunschweig

Durch steigende Anforderungen bezüglich der Wirkungsgrade von Antriebskomponenten gewinnt die Nutzung von Bremsenergie in den letzten Jahren mehr und mehr an Bedeutung. In dieser Arbeit wird ein Rückspeisestromrichter für Standardspannungszwischenkreisfrequenzumrichter vorgestellt. Hierbei wird der Leistungsbereich bis etwa 5 kW Rückspeiseleistung fokussiert, da ein großer Teil der industriellen
Antriebe in diesem Leistungsbereich liegt, aber derzeit hierfür kein kostengünstiges Rückspeisekonzept existiert.

Der erste Abschnitt zeigt mittels energetischer Betrachtungen und Messungen an einem Regalbediengerät das Energieeinsparpotential auf, das die Nutzung von Bremsenergie bietet. Anschließend werden die Anforderungen an einen Rückspeisestromrichter formuliert, die sich durch den Betrieb an einem Standardfrequenzumrichter ergeben. Eine Analyse unterschiedlichster Schaltungstopologien aus dem Bereich der Antriebstechnik und der Photovoltaik zeigt, dass das Konzept eines indirekten Stromzwischenkreiswechselrichters am geeignetsten ist. Diese Schaltungstopologie besteht aus einem hochfrequent getaktetem Tiefsetzsteller zur Entkopplung von Zwischenkreis- und Netzspannung, einem dreiphasigen Wechselrichter, der als Stromverteiler wirkt, und einem kapazitiven Netzfilter. Der Rückspeisestromrichter lässt sich bei dieser Topologie durch die Verwendung von hochfrequent getakteten SiC-Bauelementen und einer auf Spitzenleistung ausgelegten Speicherdrossel mit einer sehr hohen Leistungsdichte und gleichzeitig geringen Kosten aufbauen. Durch die Stromeinprägung des Tiefsetzstellers werden besondere Anforderungen an den Aufbau des Wechselrichters gestellt. In dieser Arbeit werden Konzepte mit IGBTs, Thyristoren und RB-IGBTs miteinander verglichen. Hierbei stellt sich heraus, dass ein asymmetrischer Aufbau des Wechselrichters mit Thyristoren und RB-IGBTs besonders geeignet ist. Für einen robusten Betrieb sind die Stromregelung und die Synchronisation auf die Netzspannung von besonderer Wichtigkeit, daher wird das Verhalten beider Regelkreise bei nicht ideal sinusförmiger Netzspannung untersucht.

Im letzten Teil dieser Arbeit erfolgt die Konzeptvalidierung. Hierfür wird die Funktion des untersuchten Rückspeisestromrichters in einem Hubwerk betrachtet. Messungen zeigen, dass sich durch die Nutzung von Bremsenergie etwa 15 - 20% der Energie einsparen lassen.