Elektrotechnisches Institut (ETI)

Projekt 471//Matrixumrichter

Text FTX 475//Projektbeschreibung Matrixumrichter

Was ist ein Matrixumrichter?

Der Matrixumrichter ist ein selbstgeführter Direktumrichter. Eine Anwendung des Matrixumrichters ist beispielsweise der Betrieb einer Drehfeldmaschine am dreiphasigen Energienetz.

Die Energiewandlung mit Frequenzumrichtern erfolgt üblicherweise in zwei Stufen: Gleichrichtung und Wechselrichtung. Zwischen die Stufen ist ein reaktiver Energiespeicher geschaltet, um die Gleichrichtstufe von der Wechselrichtstufe zu entkoppeln. Dies ist in den meisten Fällen ein großer Kondensator.

Der Matrixumrichter zeichnet sich dadurch aus, dass er ohne diesen Zwischenkreiskondensator auskommt. Wird eine induktiv beschaltete Seite mit "Ausgang" bezeichnet, so muss die andere Seite, der "Eingang", kapazitiv beschaltet sein. Zusammen mit einer Drossel bildet sich ein Eingangsfilter, das jedoch deutlich kleiner ausfällt, als ein reaktiver Energiespeicher, der bei einem konventionellen Frequenzumrichter vergleichbarer Leistung notwendig ist.

Die folgende Abbildung zeigt den grundsätzlichen Aufbau des Leistungsteils eines Matrixumrichters mit Eingangsfilter.

Matrixumrichter

Das Fehlen eines reaktiven Energiespeichers hat für verschiedene Anwendungen Vorteile. Der Platzbedarf und das Gewicht der zusätzlichen Halbleiter sind geringer als beim reaktiven Energiespeicher eines Zwischenkreisumrichters. Matrixumrichter sind grundsätzlich rückspeisefähig. Darüber hinaus kann der cos phi am Eingang in weiten Bereichen gesteuert werden.

Matrixumrichter-Forschung am Elektrotechnischen Institut

Lange Zeit galten Matrixumrichter als unwirtschaftlich, weil der Aufwand für die Steuerung zu groß sei. Das hat sich in der letzten Zeit geändert. Zum Einen verbessern sich zunehmend sowohl die Kosten als auch die Eigenschaften abschaltbarer Stromventile, zum Anderen wurden Wege gefunden, den Aufwand für die Steuerung deutlich zu reduzieren.

An einigen Neuerungen war das Elektrotechnische Institut maßgeblich beteiligt:

  • Überspannungen bei Pulssperre können mit Varistoren und über das Gate der Transistoren begrenzt werden. Der bisher übliche Parallelkreis entfällt.
  • Auf eine hochsensible Strom und / oder Spannungsmessung zur Auswahl der Schaltreihenfolge bei der Kommutierung kann bei geeignetem Pulsmuster verzichtet werden.
  • Der Steueralgorithmus kann stark vereinfacht werden, so dass alle Berechnungen vom Soll-Raumzeiger bis zu den Gate-Signalen in einem kleinen FPGA durchgeführt werden können.
  • Neue Steueralgorithmen erweitern deutlich den Steuerbereich für die Eingangsblindleistung.

Das Elektrotechnische Institut betreibt zur Zeit zwei Matrixumrichter-Laborprototypen mit 30 kVA und 7,5 kVA. Neue Erkenntnisse können auf diese Weise sofort experimentell bestätigt werden.