Alexander Sauer

Alexander Sauer, M.Sc.

+49-6151-16-20592
+49-6151-16-20582

Fraunhoferstr. 4
64283 Darmstadt

Raum: S3|21 204

Forschungsthema

Optimierung der Leistungsdichte von Luftfahrzeuginvertern durch Kombinierung von Topologie und PWM-Mustern

Die Clean Sky Initiative ist ein europäisches Forschungsprogramm der Luftfahrt. Ziel dieser Forschung ist die Entwicklung „bahnbrechender Technologien“ um die ökologische Leistungsfähigkeit von Flugzeugen und des Luftverkehrs hinsichtlich reduzierter Lärmbelästigung und erhöhter Treibstoffeffizienz zu erreichen.

Da zunehmend auch drehzahlvariable, elektrische Antriebe Funktionen in Luftfahrzeugen übernehmen und somit die installierte elektrische Leistung stetig zunimmt spielt die Leistungsdichte der verwendeten Leistungselektronik eine große Rolle, da auch deren Gewicht sich direkt auf den Energieverbrauch auswirkt. Ein niedriges Leistungsgewicht trägt somit zur Einsparung fossiler Brennstoffe bei bzw. erhöht die Reichweite oder die transportierbare Nutzlast.

Ein Grund für das hohe Gewicht der Leistungselektronik ist das passive Filter zur Unterdrückung der elektromagnetischen Störungen. Als Hauptgrund für elektromagnetische Störungen kann die Gleichtak-tspannung genannt werden. Diese führt unter anderem zu Leckströmen und Strömen in der Lagerung von elektrischen Maschinen. Durch z.B. Erhöhung der Schaltfrequenz kann das Filter kleiner ausgelegt werden. Die erhöhte Schaltfrequenz führt jedoch direkt zur Erhöhung der Schaltverluste und verlangt daher einen größeren Kühlkörper.

Ziel dieses Projekts ist es daher die Leistungsdichte unter Betrachtung verschiedener Faktoren um 10 Prozent zu erhöhen. Das notwendige Gleichtaktfilter am Ausgang des Umrichters kann durch verschiedene Faktoren reduziert werden. Einerseits, wie bereits erwähnt, durch die Erhöhung der Schaltfrequenz. Um die Schaltverluste trotzdem auf einem vernünftigen Niveau zu halten, bietet es sich an den Einsatz moderner Leistungshalbleitern aus Siliziumcarbid ( SiC ) zu untersuchen. Aufgrund der erhöhten Durchbruchfeldstärke im Vergleich zu klassischen Leistungshalbleitern aus Silizium lassen sich auch MOSFETs, die bekanntlich geringere Schaltverluste im Vergleich zu IGBTs aufweisen, mit erhöhter Spannungsfestigkeit konstruieren.

Weiterhin kann unter Verwendung des klassischen Zwei-Level-Wechselrichters mit unterschiedlichen Modulationsverfahren eine Reduktion der Gleichtaktspannung am Motorsternpunkt erzielt werden. Bei dem heute meist standardmäßigen Verfahren der Raumzeigermodulation treten am Sternpunkt, aufgrund des taktenden Verhaltens des Wechselrichters, Spannungen bis zur halben Zwischenkreisspannung auf. Durch Kombination anderer Raumzeiger im Vergleich zur klassischen Raumzeigermodulation lässt sich die Sternpunktspannung auf ein Sechstel der Zwischenkreisspannung reduzieren. Diese Verfahren haben unter Umständen jedoch den Nachteil, dass die Ausgangsspannung nur in einem beschränkten Bereich linear gestellt werden kann. Aufgrund des Abweichens vom idealen Sinusverlauf treten dann wieder vermehrt Verluste im verwendeten Motor auf.

In der Photovoltaik werden zur Reduktion der Gleichtaktspannung die sogenannten H5-und HERIC-Topologien eingesetzt, die den Zwischenkreis beim Schalten des für die Gleichtaktspannung maßgebli-chen Nullvektors vom Netz trennen. In diesen Zeitpunkten sinkt die Gleichtaktspannung dann zu Null. Ähnliches lässt sich auch bei Multi-Level-Umrichtern beobachten. Der Nullzeiger führt hier dazu, dass die Sternpunktspannung zu Null wird. Die restlichen Spannungszeiger führen im Vergleich zu einem Zwei-Level-Umrichter zu geringeren Sprüngen der Gleichtaktspannung.

Diese unterschiedlichen Ansätze werden in dieser Arbeit untersucht um das Ziel der Erhöhung der Leistungsdichte zu erreichen. Hierbei bleibt zu berücksichtigen, dass ein robuster Umrichter für die Luftfahrt entwickelt werden soll.

Betreute Studentische Arbeiten

  • Masterarbeit:
    Comparison of different modulation schemes for three-phase inverters regarding the common mode voltage
  • Masterarbeit:
    Development of an observer-based method for PWM-synchronous detection of an IGBT’s junction temperature.
  • Masterarbeit:
    Investigation of distributed 540VDC networks for future aircraft architectures
  • Masterarbeit:
    Einfluss von Stromoberschwingungen mit Taktfrequenz auf die Geräuschemission permanenterregter Synchronmaschinen für Kraftfahrzeuge
  • Projektseminar:
    Entwickung und Messung eines 3-Level NPC Umrichters mit Fokus auf die Gleichtaktspannung
  • Bachelorarbeit:
    Analyse von Streugrößen in 2-Level Wechselrichtern
  • Masterarbeit:
    Aufbau eines 3-Level T-NPC Umrichters und Implementierung von CME Verfahren mit Berücksichtigung der Totzeit
  • Projektseminar:
    Konzeptionierung und Aufbau eines Versuchsstandes für das Energietechnische Praktikum I

offene studentische Arbeiten

  • Bachelor- / Masterarbeit:

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