Maschinenemulator mit mehreren variablen Spannungsebenen für präzise Wechselrichtertests
Kurzfassung
Die Erfindung beschreibt eine neuartige Schaltungstopologie, die das Verhalten einer Drehfeldmaschine emuliert. Die präzise Nachbildung des elektrischen Verhaltens von Drehfeldmaschinen erlaubt das Testen von Wechselrichtern ohne die Notwendigkeit eines realen Motors.
Vorteile
- Theoretisch exakte Nachbildung der Gegenspannung möglich.
- Keine zusätzliche Stromschwankungsbreite durch den Emulator.
- Besserer Wirkungsgrad als Linearverstärker.
- Hohe Bandbreite durch schlagartiges Umschalten.
- Funktionstest von Antriebs-Wechselrichtern.
- Power-Hardware-in-the-Loop - Testumgebung.
- Emulation von Drehfeldmaschinen für Entwicklung und Tests.
Anwendungsbereiche
Die Erfindung ist interessant für Hersteller von Maschinenemulatoren (z.B. Prüfstände für Wechselrichter in Forschung und Entwicklung; Prüfung von Wechselrichtern bei Wechselrichter- und Elektromotorenherstellern). Der Bedarf solcher Systeme könnte im Zuge der zunehmenden Elektromobilität und dem Einsatz elektronisch gesteuerter Elektromotoren in verschiedenen Bereichen steigen.
Hintergrund
Beim Funktionstest von Antriebs-Wechselrichtern werden üblicherweise aufwändige Maschinenprüfstände verwendet. Eine kostengünstigere Alternative sind Maschinen-Emulatoren, die das elektrische Verhalten der an den Antriebs-Wechselrichter angeschlossenen Drehfeldmaschine nachbilden. Bisherige Lösungen haben jedoch Nachteile.
Problemstellung
Herkömmliche Methoden zum Testen von Maschinen-Wechselrichtern haben vielfältige Nachteile, die hier stichpunktartig aufgeführt werden sollen:
- Maschinenprüfstände sind zeit- und kostenaufwändig.
- Bisherige Emulatoren können die gewünschte Gegenspannung nicht exakt nachbilden.
- Taktende Leistungselektronik bringt zusätzliche Störungen ein.
- Erhöhung der Schaltfrequenz führt zu höheren Verlusten.
- Tiefpassfilter begrenzen die Bandbreite.
- Linearverstärker sind extrem ineffizient.
Lösung
Die Erfindung aus dem Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebstechnik (Universität Stuttgart) ermöglicht eine exakte Nachbildung des elektrischen Verhaltens von Drehfeldmaschinen durch einen neuartigen Mehrpunkt-Wechselrichter mit variablen Spannungsebenen. Sie beschreibt einen Maschinenemulator, der aus zwei Hauptkomponenten besteht:
- Mehrere einphasige Wechselrichter mit Tiefpassfiltern zur Bereitstellung variabler Spannungsebenen.
- Bidirektionale Schalter zum schnellen Umschalten zwischen diesen Spannungsebenen.
Diese Konfiguration ermöglicht es, die gewünschte Gegenspannung einer Drehfeldmaschine theoretisch exakt nachzubilden, ohne zusätzliche Stromschwankungen einzubringen. Der Emulator vereint damit die Vorteile bestehender Lösungen, während er deren Nachteile vermeidet. Er eignet sich besonders für präzise Tests von Antriebs-Wechselrichtern, ohne die Notwendigkeit aufwendiger Maschinenprüfstände.