Die SEMIKRON-Stiftung und ECPE zeichnen Dr. Tobias Geyer mit dem Innovationspreis 2021 aus

Optimierte Pulsmuster (OPPs) minimieren die Stromverzerrungen pro Schaltzyklus im stationären Betrieb, aber das Erreichen einer hohen dynamischen Regelung wird im Allgemeinen als unmöglich angesehen. MP³C löst dieses Problem, indem ein modellprädiktives Steuerungsproblem formuliert und gelöst wird. Der Statorflussvektor wird entlang seiner optimalen Zustandskurve gesteuert, indem die Schaltzeitpunkte der Schaltübergänge der OPPs modifiziert werden. MP³C kombiniert die Vorteile von Hysterese Regelungsmethoden, wie z. B. die direkte Drehmomentregelung, mit der optimalen stationären Leistung von OPPs, indem es den Wiederspruch zwischen beiden auflöst. MP³C wurde erfolgreich in einem ABB-Mittelspannungsantrieb demonstriert und erprobt. Die Regelungsinnovation steigert die Leistung des Antriebs bei hohen Grundfrequenzen um bis zu 50 %.

Der diesjährige SEMIKRON Young Engineer Award geht an Dr. Jakub Kucka (jetzt EPFL École Polytechnique Fédérale de Lausanne) für seine Arbeit zum Thema ‚Quasi-Two-Level PWM Operation for Modular Multilevel Converters‘, die er am Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik der Leibniz Universität Hannover durchgeführt hat.

Die neuartige Quasi-Zwei-Level-PWM-Betriebsart revolutioniert die Art und Weise, wie modulare Multilevel-Konverter in Mittelspannungsantrieben betrieben werden. Dank des Quasi-Zwei-Level-PWM-Betriebs kann die Kapazität der installierten Module in den modularen Multilevel-Zellen um mehr als eine Größenordnung reduziert werden. Dies ist ein großer Vorteil, wenn man bedenkt, dass die großen Kondensatoren der konventionell betriebenen modularen Multilevel-Umrichter in der Regel den Hauptnachteil dieser Topologie darstellen. Der Quasi-Zwei-Level-PWM-Betrieb hat somit das Potenzial, die Größe der Zellen, den Platzbedarf des Umrichters und die Produktionskosten deutlich zu reduzieren. Die meisten Vorteile der modularen Multilevel-Umrichter, wie Modularität, Spannungsskalierbarkeit, mögliche Redundanz und auf die Zellen beschränkte Kommutierungsschleifen, bleiben erhalten. Ohne die Notwendigkeit, teure Hochspannungs-Halbleiterschalter oder Ausgangsfilter zu verwenden, eröffnet die Innovation einen Weg für kostensensitive Anwendungen z.B. in Mittelspannungsantrieben.

In seiner Arbeit hat Jakub Kucka die Hauptprinzipien der Funktionsweise entwickelt, die Designkompromisse und Betriebseigenschaften untersucht und eine neuartige Steuerung abgeleitet und implementiert. Er hat die vorgeschlagene Regelung in einem herunterskalierten Umrichterprototyp mit sehr geringer Zellenkapazität implementiert, um das Konzept zu belegen und die Vorteile des Quasi-Zweistufen-PWM-Betriebs experimentell zu validieren.