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Diese Arbeit beschäftigt sich der Modulation und Regelung von Mehrpunktstromrichtern zum Antrieb elektrischer Maschinen unter Nutzung optimierter Pulsmuster. Ziel der Arbeit ist es, das Potential und die Grenzen der Modulation mit optimierten Pulsmustern unter der Randbedingung der heute vorhandenen Softwareframeworks und Rechentechnik aufzuzeigen. Darüber hinaus soll dem Leser ein gesamtheitlicher Überblick über die optimierten Pulsmuster vermittelt werden. Ausgehend vom Stand der Technik der verbreiteten Arten der Modulation werden die optimierten Pulsmuster eingeführt. Für die notwendige Berechnung der Pulsmuster als Lösung einer Optimierungsaufgabe wird ein allgemeines Konzept der mathematischen Beschreibung vorgestellt. Darauf basierend werden zehn heute verfügbare numerische Löser auf ihre Konvergenz bezüglich der Lösung des gestellten Problems untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, optimierte Pulsmuster mit Frequenzverhältnissen mf ≤ 21 online zu berechnen und dass geeignete Löser auch bei mf ≫ 50 sicher konvergieren. Eine Analyse der gefundenen Lösungen zeigt, dass der von trägerbasierten Modulationen bekannte lineare Zusammenhang zwischen mittlerer Schaltfrequenz und Schaltverlusten bei den optimierten Pulsmustern nicht gegeben ist. Darauf aufbauend wird ein neuer Algorithmus zur Wahl verlustminimierter Pulsmuster erarbeitet. Es zeigt sich, dass dessen Einsatz auch bei mf ≫ 21 gegenüber der Raumzeigermodulation zu einer signifikanten Reduktion der Schaltverluste (ca. 20%) führt. Mit den Grundlagen der Berechnung und der Analyse der Eigenschaften der optimierten Pulsmuster, wird basierend auf dem Stand der Technik ein neuartiger lastunabhängiger Modulator entwickelt. Dieser kompensiert die Unstetigkeiten der Pulsmusterwechsel durch Regelung des Integrals des harmonischen Inhalts der Pulsmuster. Aufbauend auf diesem neuartigen Modulator wird eine parameterrobuste Maschinenregelung entworfen. Diese weist eine Dead-Beat-Dynamik der Regelung des elektrischen Momentes einer angeschlossenen Maschine auf und ermöglicht im stationären Zustand, im Gegensatz zu den bestehenden Konzepten, die Ausgabe eines unveränderten Pulsmusters. Damit wird die angestrebte minimierte Stromwelligkeit erreicht. Im letzten Teil der Arbeit wird der Einfluss einer Modulation mit optimierten Pulsmustern auf den Symmetrierungsvorgang eines selbstgeführten Dreipunkt-UStromrichter (3L-NPC-VSC) untersucht. Dabei wird eine neue Methode der Reduktion der dynamischen Zwischenkreiswelligkeit, sowie eine neuartige, in allen Arbeitspunkten stabile, Methode der statischen Zwischenkreissymmetrierung präsentiert. Alle erarbeiteten Algorithmen wurden mit Hilfe von Simulationen und Experimenten verifiziert.:1 Einleitung 1 1.1 Inhalt und Motivation der vorliegenden Arbeit 2 1.2 Experimenteller Versuchsstand 4 1.3 Verwendete Grundlagen und Kennwerte 6 1.3.1 Fourieranalyse 6 1.3.2 Laplace-Transformation 7 1.3.3 Gütekriterien 8 2 Modulation 9 2.1 Klassifikation der Generierung der Pulsmuster 9 2.2 Modulationsverfahren 11 2.2.1 Trägerbasierte Pulsweitenmodulation 11 2.2.2 Raumzeigermodulation 22 2.2.3 Optimierte Pulsmuster 25 3 Optimierte Pulsmuster 29 3.1 Optimierungskriterien 30 3.1.1 Gewichtetes Gesamt-Oberschwingungsverhältnis 30 3.1.2 Gesamt-Oberschwingungsverhältnis 30 3.1.3 Minimale Drehmomentwelligkeit 31 3.1.4 Individuelle Wichtung der Harmonischen 32 3.1.5 Verlustminimierung in der Last 33 3.1.6 Schaltverlustminimierung der Halbleiter des Umrichters 34 3.2 Formulierung der Optimierungsaufgabe der optimierten Pulsmuster 35 3.2.1 Berechnung der Fourierkoeffizienten 36 3.2.2 Notwendige Nebenbedingungen der Optimierung 38 3.3 Vergleich von Algorithmen der nichtlinearen Optimierung 38 3.3.1 Vergleich verschiedener Lösungsmethoden 39 3.3.2 Definition des für den Vergleich genutzten Problems 43 3.3.3 Dauer der Berechnung der lokalen Minima 44 3.3.4 Vergleich der lokalen Minima der verschiedenen Löser 45 3.3.5 Berechnung verlustminimaler optimierter Pulsmuster 46 3.3.6 Untersuchungen zur Auswahl der lokalen Minima 47 3.3.7 Vergleich der optimierten Pulsmuster mit SVM und CB-Modulation 56 4 Stand der Technik der Regelung von Drehstrommaschinen 60 4.1 Grundlagen der Modellierung der Asynchronmaschine 60 4.2 Klassische Ansätze der Regelung elektrischer Maschinen 62 4.2.1 Feldorientierte Regelung 62 4.2.2 Direkte Selbstregelung 69 4.2.3 Direkte Momentenregelung 72 4.2.4 Vergleich der vorgestellten klassischen Regelungsarten 75 4.3 Regelung mit optimierten Pulsmustern auf Basis der Feldorientierung 76 4.3.1 Dynamischer Modulationsfehler durch unstetige Pulsmuster 76 4.3.2 Direkte Pulsmustermodifikation 80 4.3.3 Behandlung des dynamischen Modulationsfehlers 84 4.4 Geschlossener Regelkreis 86 4.5 Regelung mit optimierten Pulsmustern auf Basis der DSC 92 4.5.1 Eigenschaften der vorgestellten Pulserzeugungsarten 94 4.5.2 Dynamischen Eigenschaften der vorgestellten Regelungsstrukturen 95 5 Verallgemeinerte Konzepte zur Nutzung optimierter Pulsmuster 98 5.1 Implementierung eines allgemeingültigen OPP-Modulators 98 5.2 Behandlung des harmonischen Anteils der Pulsmuster 104 5.3 Modulation und Modifikation der Pulsmuster bei hohem mf 105 5.4 Dead-Beat-Control auf Basis der Pulsmustermodifikation 108 5.5 Maschinen-Beobachter 109 5.5.1 Beobachter der Asynchronmaschine 111 5.5.2 Beobachter der permanenterregten Synchronmaschine 114 5.6 Geschlossener Statorflussregelkreis 115 5.6.1 Untersuchung der Sensitivität des Modells 119 5.7 Entwurf der übergeordneten Regelkreise 123 5.7.1 Entwurf des Rotorflussreglers 125 5.7.2 Entwurf des Drehzahlreglers 126 5.7.3 Begrenzung des Statorstromes 127 5.7.4 Simulative und experimentelle Ergebnisse 127 6 Zwischenkreissymmetrierung des 3L-NPC-VSC bei OPP-Modulation 135 6.1 Der Neutralpunktstrom 135 6.2 Minimierung der Neutralpunktstromwelligkeit 138 6.3 Aktive Symmetrierung 140 6.4 Integration der Regelung der Zwischenkreissymmetrie 154 7 Zusammenfassung 158 Literatur 161 Abkürzungsverzeichnis 177 Symbolverzeichnis 178 This thesis deals with the modulation and control of multilevel converters as electrical drives using an optimized pulse pattern (OPP) modulation scheme. The aim of the work is to determine the potential and the limits of the modulation using OPPs, considering state-of-the-art software frameworks und computing technology. Furthermore the reader shell get a holistic overview of all aspects regarding the use of OPPs. Starting with the state-of-the-art of the most popular modulation schemes and their characteristics the optimized pulse patterns are introduced. A general mathematical formulation, which describes the OPP calculation as minimization problem, is shown. With this formulation, ten implementations of nonlinear constraint minimization algorithms are analyzed with regard to the convergence behavior. It is shown, that OPP can be calculated online for frequency ratios mf ≫ 21. Further, some algorithms converge reliable also for mf ≫ 50. Afterwards, the solutions of the minimization of the weighted total harmonic distortion (WTHD) problem are analyzed. It is shown, that the linear relationship between the averaged switching frequency and the switching loss, which is known from carrier based modulation schemes, does not apply for OPPs. A new method to find loss optimized pulse patterns is proposed. With this method the modulation using OPPs can reduce the converter switching losses in comparison to space vector modulation significantly (20%) also for mf ≫ 21. Based on the analysis of the found OPP solutions a novel modulator, which is independent of the parameters of the load, is proposed. This modulator compensates the discontinuities due to the pulse pattern changes by controlling the integral of the harmonic content of the modulator output. Based on this modulator a new parameter robust machine control was developed. This concept shows a dead-beat-dynamic of the control of the electrical torque and uses in contrast to state-of-the-art concepts the unmodified OPP in steady state, which leads to a minimal load current ripple. The last part of the thesis deals with the influence of using an OPP modulation on the DC-link balancing of a Three-Level Neutral-Point-Clamped Voltage-Source-Converter (3L-NPC-VSC). A new method to reduce the dynamic neutral-pointpotential-ripple as well as a new stable static balancing method are proposed. All proposed algorithms and methods are verified by simulation and experiment.:1 Einleitung 1 1.1 Inhalt und Motivation der vorliegenden Arbeit 2 1.2 Experimenteller Versuchsstand 4 1.3 Verwendete Grundlagen und Kennwerte 6 1.3.1 Fourieranalyse 6 1.3.2 Laplace-Transformation 7 1.3.3 Gütekriterien 8 2 Modulation 9 2.1 Klassifikation der Generierung der Pulsmuster 9 2.2 Modulationsverfahren 11 2.2.1 Trägerbasierte Pulsweitenmodulation 11 2.2.2 Raumzeigermodulation 22 2.2.3 Optimierte Pulsmuster 25 3 Optimierte Pulsmuster 29 3.1 Optimierungskriterien 30 3.1.1 Gewichtetes Gesamt-Oberschwingungsverhältnis 30 3.1.2 Gesamt-Oberschwingungsverhältnis 30 3.1.3 Minimale Drehmomentwelligkeit 31 3.1.4 Individuelle Wichtung der Harmonischen 32 3.1.5 Verlustminimierung in der Last 33 3.1.6 Schaltverlustminimierung der Halbleiter des Umrichters 34 3.2 Formulierung der Optimierungsaufgabe der optimierten Pulsmuster 35 3.2.1 Berechnung der Fourierkoeffizienten 36 3.2.2 Notwendige Nebenbedingungen der Optimierung 38 3.3 Vergleich von Algorithmen der nichtlinearen Optimierung 38 3.3.1 Vergleich verschiedener Lösungsmethoden 39 3.3.2 Definition des für den Vergleich genutzten Problems 43 3.3.3 Dauer der Berechnung der lokalen Minima 44 3.3.4 Vergleich der lokalen Minima der verschiedenen Löser 45 3.3.5 Berechnung verlustminimaler optimierter Pulsmuster 46 3.3.6 Untersuchungen zur Auswahl der lokalen Minima 47 3.3.7 Vergleich der optimierten Pulsmuster mit SVM und CB-Modulation 56 4 Stand der Technik der Regelung von Drehstrommaschinen 60 4.1 Grundlagen der Modellierung der Asynchronmaschine 60 4.2 Klassische Ansätze der Regelung elektrischer Maschinen 62 4.2.1 Feldorientierte Regelung 62 4.2.2 Direkte Selbstregelung 69 4.2.3 Direkte Momentenregelung 72 4.2.4 Vergleich der vorgestellten klassischen Regelungsarten 75 4.3 Regelung mit optimierten Pulsmustern auf Basis der Feldorientierung 76 4.3.1 Dynamischer Modulationsfehler durch unstetige Pulsmuster 76 4.3.2 Direkte Pulsmustermodifikation 80 4.3.3 Behandlung des dynamischen Modulationsfehlers 84 4.4 Geschlossener Regelkreis 86 4.5 Regelung mit optimierten Pulsmustern auf Basis der DSC 92 4.5.1 Eigenschaften der vorgestellten Pulserzeugungsarten 94 4.5.2 Dynamischen Eigenschaften der vorgestellten Regelungsstrukturen 95 5 Verallgemeinerte Konzepte zur Nutzung optimierter Pulsmuster 98 5.1 Implementierung eines allgemeingültigen OPP-Modulators 98 5.2 Behandlung des harmonischen Anteils der Pulsmuster 104 5.3 Modulation und Modifikation der Pulsmuster bei hohem mf 105 5.4 Dead-Beat-Control auf Basis der Pulsmustermodifikation 108 5.5 Maschinen-Beobachter 109 5.5.1 Beobachter der Asynchronmaschine 111 5.5.2 Beobachter der permanenterregten Synchronmaschine 114 5.6 Geschlossener Statorflussregelkreis 115 5.6.1 Untersuchung der Sensitivität des Modells 119 5.7 Entwurf der übergeordneten Regelkreise 123 5.7.1 Entwurf des Rotorflussreglers 125 5.7.2 Entwurf des Drehzahlreglers 126 5.7.3 Begrenzung des Statorstromes 127 5.7.4 Simulative und experimentelle Ergebnisse 127 6 Zwischenkreissymmetrierung des 3L-NPC-VSC bei OPP-Modulation 135 6.1 Der Neutralpunktstrom 135 6.2 Minimierung der Neutralpunktstromwelligkeit 138 6.3 Aktive Symmetrierung 140 6.4 Integration der Regelung der Zwischenkreissymmetrie 154 7 Zusammenfassung 158 Literatur 161 Abkürzungsverzeichnis 177 Symbolverzeichnis 178

Die Bedeutung von Leistungshalbleitern mit großem Bandabstand (Wide Band Gap, WBG) nahm in den letzten drei Jahrzehnten kontinuierlich zu. Diese Bauelemente haben das Potenzial, Silizium (Si) - Bauelemente in bestimmten Anwendungen sowie Leistungs- und Frequenzbereichen zu ersetzen. Siliziumkarbid (SiC)-Leistungshalbleiter sind die gegenwärtig am Weitesten entwickelten WBG-Leistungshalbleiter. Dank besonderer Materialeigenschaften zeichnen sich SiC-Leistungshalbleiter im Vergleich zu Si-Bauelementen durch einen geringeren spezifischen Widerstand, eine höhere Schaltgeschwindigkeit, geringere schaltverluste sowie eine höhere maximale Sperrschichttemperatur aus. Die deutlich erhöhten Herstellungskosten limitieren den Einsatz von SiC-Leistungshalbleitern auf Anwendungen, in denen die Vorteile dieser Bauelemente die höheren Kosten überkompensieren und Systemvorteile ermöglichen. Heute werden SiC-Leistungshalbleiter z.B. in Solarwechselrichtern oder in Elektrofahrzeugen verwendet. Für Stromrichter industrieller elektrischer Antriebe ist die Kosten-Nutzen-Bilanz des Einsatzes von SiC-Leistungshalbleitern gegenwärtig nicht bekannt. Diese Fragestellung motiviert diese Arbeit. Die Auslegung sowie die daraus resultierenden Vor- und Nachteile eines Stromrichters mit SiC-Leistungshalbleitern für elektrische Industrieantriebe ist der Untersuchungsgegenstand dieser Arbeit. Zu diesem Zweck wurde unter Einhaltung industrieller Auslegungskriterien ein 240 kVA SiC-basierter Stromrichterdemonstrator als aktiver Gleichrichter am dreiphasigen 690 V Niederspannungsnetz untersucht. Auf der Basis einer Stromrichterauslegung für SiC- und Si-Leistungshalbleiter wurde ein theoretischer Vergleich von Kosten, Effizienz, Größe und Gewicht durchgeführt. Die Arbeit stellt zunächst den Stand der Technik für SiC-Leistungshalbleiter dar. Anschließend wird ein geeignetes SiC-MOSFET Module für den industriellen Stromrichter ausgewählt und bezüglich des Schaltverhaltens sowie der Parallelschaltung charakterisiert. Der Auslegung des Stromrichterleistungsteils liegen industrielle Anforderungen zu Grunde. Ein realisierter Demonstrator für einen netzseitigen Stromrichter (Active Front End) ist durch eine symmetrische Parallelschaltung von zwei SiC-Modulen, geeignete Ansteuerschaltungen (Gate Drive Units), eine niedrige Streuinduktivität im Kommutierungskreis sowie ein LCL-Filter mit Standard-Kernmaterialien gekennzeichnet. Der Stromrichtervergleich zeigt, dass der betrachtete Stromrichter mit SiC-Leistungshalbleitern im gesamten Betriebsbereich geringere Verluste verursacht als ein vergleichbarer Stromrichter mit Si-Leistungshalbleitern. Der SiC - basierte Stromichter ermöglicht auch eine deutliche Gewichtsreduktion bei ca. 89% der Systemkosten. Somit stellen SiC-Leistungshalbleiter eine attraktive technische Lösung für die untersuchte Anwendung eines aktiven Gleichrichters für industrielle elektrische Antriebe dar. Wide bandgap (WBG) power semiconductors have drawn steadily increasing interest in power electronics in the last three decades. These devices have shown the potential of replacing silicon as the default semiconductor solution for several applications in determined power and frequency ranges. Among them the most mature WBG semiconductor material is silicon carbide (SiC), which presents several characteristics at the crystal level that translate in the potential of presenting lower resistivity, be able to switch faster with lower switching loss, and present both higher characteristics to tolerate and dissipate heat when com pared with silicon. However, the same characteristics that make it great also present a different set of drawbacks to be considered, which aligned with its increased cost make it challenging to assess if its advantages are justified for a particular application. Applications that highly value efficiency and/or power density are the most benefited, and converter solutions featuring the technology have already breached into these application markets. However in other applica tions, the line from which silicon carbide starts making sense in the cost/benefits/drawbacks balance is not clear. This is typically the case of industrial applications, which were the main focus and motivation of this work. Hence, in this work the main goal has been to determine the basic characteristics, advantages and limitations that SiC technology designs for industrial low voltage high power grid connected converters present. To that end, a 690 V, 240 kVA SiC-based grid-tied converter demonstrator following industrial design criteria has been developed. Then, based on this design procedure a theoretical comparison between a 690 V, 190 kVA SiC-based converter against a silicon-based converter designed for the same power output has been performed to compare them regarding cost, efficiency, size and weight. This work also comprises a thorough revision of the state of art of SiC devices, which led to the selection of the switching device. Additionally, a characterization of both single and parallel-connected operation of the semiconductor modules was performed, to determine the module characteristics and its suitability to build the SiC converter demonstrator. Results show that the converter demonstrator operates as designed, proving that is possible with the corresponding precautions to achieve: a low inductive power loop, balanced parallel connection of SiC modules, adequate driving circuits for the parallel-connected modules and an adequate filtering solution in compliance with grid-codes based on standard core materials for the selected switching frequency. Finally, the theoretical comparison between the two designed power converters shows that, attained to the conditions of the comparison, the SiC converter solution presents efficiency gains over the whole operating range, while presenting substantial weight savings at 89% of the costs of the Si-IGBT design, presenting itself as the cost-effective solution for the presented application requirements under the given design constraints.