Projektbeschreibung

Überblick Matrixumrichter

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

Die Energiewandlung mit herkömmlichen Frequenzumrichtern erfolgt üblicherweise in zwei Stufen: Gleichrichtung und Wechselrichtung. Zwischen die Stufen ist ein 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. Es wird lediglich ein Eingangsfilter benötigt, dessen Kapazität jedoch deutlich kleiner ausfällt, als der reaktive Energiespeicher eines konventionellen Frequenzumrichters mit vergleichbarer Leistung.

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

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. Desweiteren sind Matrixumrichter grundsätzlich rückspeisefähig.

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.