Bachelorarbeit Elektrotechnik: Multilevel Drehstromumrichter

Von Gleichstrom zu Wechselstrom

Multilevel-Stromumrichter werden vor allem im Bereich von Hochspannungsanlagen eingesetzt. Die Elektrotechnik-Absolventen Tim Huber und Andri Looser haben einen solchen Umrichter für weniger grosse Leistungen entwickelt. Er soll für Drehstrommotoren in der Industrieautomation eingesetzt werden.

Der Multilevel-Technologie hatten sich die beiden Elektrotechnik-Absolventen Tim Huber und Andri Looser bereits in einer Projektarbeit gewidmet. Dabei entwickelten sie zwei einphasige Multilevel-Umrichter mit einem diskreten und einem integrierten Brückenzweig und nahmen sie auch in Betrieb. «Multilevel heisst in unserem Fall, dass es nicht nur Plus und Minus gibt wie bei herkömmlichen Zweilevel-Umrichtern, sondern eben auch Null», erklärt Tim Huber. «Multilevel-Umrichter werden aufgrund ihrer Komplexität und aus Kostengründen bis jetzt hauptsächlich im Bereichgrosser Leistungen für Hochspannungsanlagen eingesetzt.» Aufbauend auf den in der Projektarbeit gewonnen Erkenntnissen haben die Absolventen in ihrer Bachelorarbeit nun einen dreiphasigen Um-richter entwickelt mit dem Ziel, ihn an einem Motor bei 400 Volt Ausgangsspannung und einer Stromstärke von 10 Ampere einzusetzen.

Tim Huber (links) und Andri Looser haben einen MultilevelDrehstromumrichter entwickelt.

Elektromagnetische Verträglichkeit im Fokus

«Viele Erkenntnisse aus unserer vorangehenden Arbeit flossen direkt in den folgenden Entwicklungsprozess ein», so Andri Looser. Während die Absolventen in der Projektarbeit zum Vergleich alle Schaltungen auch einzeln aufgebaut hatten, arbeiteten sie nun gezielt mit einem Integrated Power Modul (IPM). «Das IPM ermöglicht ein viel besseres Schaltverhalten und wir haben weniger mit Überspannungen oder Leistungsverlusten zu rechnen.» Bei der Entwicklung des Layouts mit zwölf Leistungsschaltern haben die Absolventen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) besondere Aufmerksamkeit geschenkt. «Da nun zwölf Treiberstufen auf engstem Raum benötigt werden, haben wir eine Leiterplatte mit vier Kupferschichten eingesetzt, damit die Schaltung ein besseres EMV Verhalten hat», so Tim Huber. «In kritischen Bereichen haben wir Kriechströme durch Schlitze in der Leiterplatte verhindert und die Abstände zwischen den Spannungsklassen dem Industriestandard angepasst.»

„

«Multilevel heisst in unserem Fall, dass es nicht nur Plus und Minus gibt wie bei herkömmlichen Zweilevel-Umrichtern, sondern eben auch Null.»

Tim Huber

Schaltmuster um ein Vielfaches schwieriger

Dieses Modul haben die Absolventen für die Brücke des Multilevel-Umrichters verwendet.

Durch die grosse Anzahl von Schaltzuständen ist die Ansteuerung aufwändig. Parallel zur Entwicklung der Hardware haben Tim Huber und Andri Looser ein geeignetes Modulationsverfahren – also einKonzept des Schaltmusters – evaluiert und simuliert. Dieses mussten sie für die Anwendung auf dem verwendeten Mikroprozessor anpassen. Es zeigte sich, dass sich die Umsetzung sehr kompliziertgestaltet: «Wir haben hier zwölf statt sechs Schalter», erklärt Andri Looser. «Da diese alle voneinander abhängig sind, wird die Anwendung damit nicht doppelt, sondern um ein Vielfaches schwieriger.» Zusätzlich zum Modulationsverfahren haben die Absolventen in der Software ein Userinterface mit einem LCD-Display und einer seriellen Schnittstelle implementiert.

Ziel erreicht – Optimierungen möglich

Die Grafik zeigt die verkettete Multilevel-Spannung und die Ausgangsströme eines Drehstrommotors.

Bei der folgenden Inbetriebnahme des Umrichters an einem Motor haben die Absolventen alle Funktionen erfolgreich getestet. Der Industriepartner B&R Industrie-Automation, der die Bachelorarbeit in Auftrag gegeben hat, möchte die Multilevel-Technologie längerfristig in seinen Antriebsanwendungen für SPS-Systeme einsetzen. «Das Ziel dieser Bachelorarbeit war ein funktionierender Multilevel-Umrichter – das haben wir erreicht», so Tim Huber, der aber gleichzeitig selbstkritisch anfügt: «Obwohl die Hardware zufriedenstellend funktioniert, muss sie in Zukunft noch intensiv untersucht und optimiert werden.» Es ist also gut möglich, dass künftige Elektrotechnik-Studierende die Arbeit fortsetzen werden.

Weitere Informationen

Bachelorstudium Elektrotechnik

Institut für Mechatronische Systeme (IMS)