1. Einleitung. Energieknappheit und Umweltverschmutzung sind seit Jahrhunderten bestehende Herausforderungen für die Menschheit. Die beiden globalen Energiekrisen seit den 1970er Jahren und die Schwere der aktuellen Umweltprobleme haben weltweit die Aufmerksamkeit auf Energiespartechnologien gelenkt. China steht weltweit an zweiter Stelle in der Energieerzeugung und im Energieverbrauch, doch reicht dies bei Weitem nicht aus, um den Bedarf der Industrie und der Bevölkerung zu decken. Trotz akuter Energieknappheit führt die erhebliche Lücke bei der Energieeinsparung zu einem übermäßigen Energieverbrauch pro Produktionseinheit und damit zu enormen jährlichen Energieverschwendungen. Ein beträchtlicher Teil der Lüfter- und Pumpenlasten verschwendet aufgrund von Drehzahlkonstantantrieben erhebliche Mengen an Strom. Diese Antriebssysteme sind für etwa die Hälfte des gesamten industriellen Stromverbrauchs verantwortlich; der Einsatz von drehzahlgeregelten Energiespartechnologien könnte mindestens 20 % dieser Energie einsparen. Chinas „15. Fünfjahresplan“ setzte sich Energiesparziele zur kontinuierlichen Verbesserung der Energieeffizienz und -effektivität und konzentrierte sich dabei auf die Förderung breit anwendbarer Energiespartechnologien. Eine wichtige Maßnahme ist die schrittweise Optimierung des wirtschaftlichen Betriebs von Elektromotoren, Ventilatoren, Pumpen und zugehörigen Anlagen und Systemen sowie die Entwicklung von Drehzahlregelungs- und Energiespartechnologien in der Leistungselektronik. Nur so können wir langfristig eine rasche, gesunde und nachhaltige Entwicklung der Volkswirtschaft mit einer geringeren Elastizität des Energieverbrauchs und höheren Energieeinsparungen gewährleisten. Darüber hinaus werden große Mengen Kohle und Öl ohne Weiterverarbeitung verbrannt, was zu einer geringen thermischen Nutzung und erheblicher Umweltverschmutzung führt. Derzeit tragen übermäßige Fahrzeugemissionen zum globalen Treibhauseffekt bei und sind eine der Hauptursachen der Luftverschmutzung in Peking. Ein entscheidender Weg zur Lösung der städtischen Umweltverschmutzung und der Verkehrsstaus ist der Ausbau des öffentlichen Hochgeschwindigkeitsverkehrs (U-Bahn, Stadtbahn) und der Einsatz von Elektrofahrzeugen. Hochgeschwindigkeitszüge sind die bevorzugte Option für einen schnellen Fernverkehr. Ihre Kerntechnologien sind moderne Leistungselektronik und Wechselstromantriebstechnik – eine neue Technologie, die sich seit den 1980er Jahren parallel zur Mikroelektronik rasant entwickelt hat. Darüber hinaus dürften Drehzahlregelungssysteme für Wechselstrommotoren mit großer und mittlerer Leistung in Industrie- und zivilen Bereichen wie der Stahlwalztechnik, der Papierherstellung, der Zementproduktion, dem Förderanlagenbau und dem Schiffsantrieb weit verbreitet sein. Der Einsatz von Wechselstrom-Drehzahlregelungssystemen führt nicht nur zu Energieeinsparungen, sondern optimiert auch die Gesamtleistung des Systems, verbessert die Prozessbedingungen und steigert die Produktionseffizienz und Produktqualität signifikant. Basierend auf aktuellen Daten und der Verfügbarkeit von Drehzahlregelungsprodukten mit hoher Leistung auf dem Markt erreichen die weltweiten Jahresumsätze mit Hardware, Software und Peripheriegeräten für Wechselstrom-Drehzahlregelungssysteme 4,85 Milliarden US-Dollar. Europa, der Nahe Osten und Afrika tragen 39 % dazu bei, Japan 27 %, Nordamerika 21 %, Asien 12 % und Lateinamerika 1 %. Bezüglich der Systemleistungsverteilung dominieren weiterhin Drehzahlregelungssysteme mit niedriger Leistung den Markt: Systeme mit 1–4 kW machen 21 % des Gesamtumsatzes aus, Systeme mit 5–40 kW 26 %. Mit der rasanten Verbesserung der Spannungsfestigkeit, Strombelastbarkeit und Schaltleistung neuer Verbundbauelemente wie IGBTs und IGCTs steht die Drehzahlregelungstechnologie für Umrichtermotoren mit hoher Leistung vor einer schnellen Entwicklung und bedeutenden Fortschritten, was die Marktaussichten sehr vielversprechend macht. Im Ausland sind wir in der Forschung und Anwendung von Hochleistungs-Wechselstromantrieben für große Kapazitäten weit voraus. Hochspannungsumrichter im MVA-Bereich sind bereits weit verbreitet und werden in Systemen wie Elektrolokomotiven, Schiffsantrieben, Walzwerken, Papierfabriken und der Wasserversorgung eingesetzt. Die Frequenzumrichtertechnologie für Wechselstrommotoren und die dazugehörigen Produkte haben sich in einigen Industrieländern zu führenden Branchen entwickelt. Chinas Forschung und Entwicklung von Drehzahlregelungssystemen für große und mittlere Kapazitäten begann vergleichsweise spät, und viele wichtige Anwendungen werden von ausländischen Produkten dominiert. Daher wird die Entwicklung zuverlässiger, kostengünstiger und leistungsstarker Frequenzumrichter für Wechselstrommotoren mit hoher und mittlerer Kapazität sowie deren schnellstmögliche Serienproduktion bedeutende strategische und praktische Auswirkungen auf die Förderung der nationalen Wirtschaftsentwicklung, die Transformation des Wirtschaftswachstumsmodells, die Senkung des Energieverbrauchs pro Produktionseinheit und die Aufhebung des westlichen Monopols in diesem Bereich haben. 2. Aktueller Stand der Drehzahlregelungstechnologie für Wechselstrommotoren mit hoher Kapazität: Seit den 1980er Jahren hat sich die moderne Leistungselektronik rasant in Richtung hoher Frequenz, hoher Effizienz (geringe Schaltverluste), hohem Leistungsfaktor, hoher Leistungsdichte (kombinierte Integration) sowie hoher Spannung und hoher Leistung entwickelt. Selbstabschaltende Bauelemente wie GTO, BJT und MOSFET haben große Fortschritte gemacht, insbesondere die bemerkenswerte Entwicklung bipolarer Verbundbauelemente wie IGBT. Dies hat es ermöglicht, dass Leistungselektronikbauelemente in Richtung hoher Kapazität, hoher Frequenz, einfacher Ansteuerung, geringer Verluste und intelligenter Modularisierung weiterentwickelt werden konnten. Mit der rasanten Entwicklung von Leistungselektronikbauelementen wird auch die Entwicklung von Hochleistungswechselrichtern und der Wechselstrom-Drehzahlregelungstechnologie immer leistungsfähiger. (1) Traditionelle Hochleistungs-Wechselrichterschaltungen Die in traditionellen Hochleistungs-Drehzahlregelungssystemen für Wechselstrommotoren verwendeten Umrichter sind hauptsächlich: gewöhnliche dreiphasige AC/DC/AC-Wechselrichter, Abwärts-Frequenzumrichter, AC/AC-Frequenzumrichter und transformatorgekoppelte Mehrpuls-Wechselrichter. Die Forschung an den oben genannten Hochleistungs-Umrichterschaltungen ist relativ weit fortgeschritten. Bei der Realisierung von Hochleistungs-Wechselstromantrieben wurden jedoch keine Leistungsdurchbrüche erzielt. Die Geräte sind komplex, mit hohen Herstellungskosten, geringer Zuverlässigkeit der Regelungsmethoden und erheblicher Belastung des Stromnetzes verbunden. Der Leistungsfaktor ist niedrig, die Blindleistungsverluste sind hoch, und es müssen Oberwellenunterdrückungseinrichtungen hinzugefügt werden, was die Gerätekosten um ein Vielfaches erhöht. Daher haben in den letzten zehn Jahren einige neue Hochspannungs-Hochleistungs-Wechselrichter, insbesondere spannungsbasierte Multilevel-Umrichtertopologien, die Aufmerksamkeit vieler Wissenschaftler auf sich gezogen. (2) Neuer Multilevel-Umrichter (MPC) Im Jahr 1980 entwickelten A. Nabae et al. Die Nagaoka University of Technology stellte auf der Jahrestagung der IAS erstmals den MPC-Wechselrichter (auch bekannt als Neutral Point Clamped, NPC) vor. Dessen Entwicklung eröffnete neue Wege für die Herstellung von Hochspannungs- und Hochleistungs-Spannungsquellenwechselrichtern. Darauf aufbauend wurden über viele Jahre verschiedene Topologien von Multilevel-Wandlern entwickelt, die sich im Wesentlichen in zwei Typen unterteilen lassen: Zum einen die geklemmten Wandlertopologien mit einer einzigen Gleichstromversorgung, darunter Dioden-, Kondensator- und darauf basierende Allzwecktopologien sowie gestapelte Mehrzellentopologien; zum anderen die Kaskadenwechselrichter mit einer separaten Gleichstromquelle. Abbildung 1 zeigt die Klassifizierung der bestehenden Multilevel-Wandler. [align=center] Abbildung 1. Klassifizierung bestehender Multilevel-Umrichter [/align] Abhängig von der Art und der Reihenschaltung der Gleichspannungsquelle lassen sich die beiden oben genannten Topologien durch zwei Schaltungsmodelle darstellen: ein Modell mit direkter Reihenschaltung einer einzelnen Gleichspannungsquelle und ein Reihenmodell mit mehreren elektrisch unabhängigen Gleichspannungsquellen (siehe Abbildungen 2 und 3). In Abbildung 2 entspricht die Multilevel-Umrichterschaltung einem Mehrfachschalter (gestrichelte Linie), der in der Realität aus einem Netzwerk von Leistungsschaltern besteht. Unterschiedliche Schaltzustände repräsentieren Verbindungen zu verschiedenen Knoten. In Abbildung 3 lassen sich verschiedene Schaltzustände der Gleichspannungsquelle nach der Umrichterschaltung kombinieren, um am Ausgang unterschiedliche Pegelwerte zu erzeugen. [align=center] Abbildung 2. Multilevel-Schaltungsmodell einer einzelnen Gleichspannungsquelle Abbildung 3. Multilevel-Schaltungsmodell einer diskreten Gleichspannungsquelle [/align] Im Vergleich zu herkömmlichen Zwei-Level-Wechselrichtern bietet die Multilevel-Umrichtertopologie folgende Vorteile: 1) Sie eignet sich besser für Anwendungen mit hoher Kapazität und hoher Spannung. 2) Es kann gestufte Ausgangsspannungen mit M Stufen erzeugen, und theoretisch kann durch Erhöhung der Stufenzahl eine reine Sinuswelle mit sehr geringem Oberwellengehalt erzeugt werden. 3) Elektromagnetische Störungen (EMI) werden stark reduziert, da die Spannungsänderungsgeschwindigkeit (dv/dt) eines einzelnen Schaltvorgangs des Schaltelements üblicherweise nur I/(M-1) des Wertes herkömmlicher Zweistufenwechselrichter beträgt. 4) Hoher Wirkungsgrad. Durch die Eliminierung der gleichen Oberwellen nutzt der Zweistufenwechselrichter die PWM-Steuerung mit hoher Schaltfrequenz und hohen Verlusten, während der Mehrstufenwechselrichter mit einer niedrigeren Schaltfrequenz arbeitet und dadurch eine geringe Schaltfrequenz, geringe Verluste und einen höheren Wirkungsgrad aufweist. Neben den oben genannten Gemeinsamkeiten haben die Topologien jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile, die im Folgenden verglichen werden: (1) Diodengeklemmter Mehrstufenwechselrichter: Die diodengeklemmte Mehrstufenstruktur ist eine der ältesten und am weitesten verbreiteten Strukturen. Charakteristisch für diese Struktur ist, dass mehrere Dioden verwendet werden, um die entsprechenden Schaltelemente zu klemmen und die entsprechende M-stufige Phasenspannung auszugeben. Die Dioden-geklemmte Topologie bietet dieselben Vorteile wie der Multilevel-Wechselrichter, weist jedoch auch Nachteile auf: ① Die Klemmdioden sind ungleichmäßigen Spannungen ausgesetzt. ② Die von den Geräten benötigten Nennströme unterscheiden sich. Eine Auslegung nach dem maximalen Nennstrom führt zu einer Verschwendung von (M-1)(M-2)/2 der Schaltelementkapazität und damit zu einer geringen Ausnutzung des Wirkungsgrades. ③ Da die Zu- und Abflussströme innerhalb eines Zyklus ungleich sein können, entsteht beim Übertragen von Wirkleistung ein Ungleichgewicht der DC-seitigen Kondensatorspannungen verschiedener Stufen. Ohne ein Konstantspannungsgerät während der Wirkleistungsübertragung wird die M-Stufe allmählich zu einer Drei-Stufen- (M ungerade) oder Zwei-Stufen-Schaltung (M gerade). Üblicherweise werden die Kondensatoren durch PWM-Spannungsregler oder Batterien ersetzt, was jedoch die Systemkomplexität und -kosten erhöht. Um diese Probleme zu beheben, wurden verschiedene verbesserte Strukturen für die traditionelle Dioden-geklemmte Multilevel-Struktur entwickelt. Eine verbesserte Topologie, die Klemmkondensatoren parallel zu zwei benachbarten Klemmdioden einsetzt, löst nicht nur das Problem der Diodenreihenschaltung, sondern begrenzt auch Überspannungen beim Abschalten der Schaltelemente. Das Laden und Entladen des zusätzlichen Kondensators reduziert die Spannungsunsymmetrie der DC-seitigen Kondensatoren und ermöglicht einen gerichteten Stromfluss. Eine weitere verbesserte Struktur verwendet zwei identische, antiparallel geschaltete Wandler, wobei der linke als Gleichrichter und der rechte als Wechselrichter fungiert. Durch die Verbindung der entsprechenden Knoten der DC-seitigen Kondensatoren wird ein besserer Spannungsausgleich der Kondensatoren erreicht. (2) Kondensatorgeklemmter Multilevel-Wechselrichter Der kondensatorgeklemmte Multilevel-Wechselrichter wurde erstmals 1992 von T.A. Meynard und H. Foch auf der PESC-Konferenz vorgestellt. Sein ursprünglicher Zweck war die Reduzierung der übermäßigen Anzahl von Klemmdioden in NPC-Multilevel-Wechselrichtern, d. h. die Verwendung von Floating-Kondensatoren anstelle von Klemmdioden bei gleichbleibender DC-seitiger Kapazität. Sein Funktionsprinzip ähnelt dem eines diodengeklemmten Schaltkreises. Im Vergleich zu diodengeklemmten Multilevel-Wechselrichtern reduziert diese Topologie die Anzahl der Dioden erheblich, erfordert jedoch deutlich mehr Kondensatoren. In Hochspannungssystemen mit hoher Kapazität sind Kondensatoren sperrig, platzraubend, kostspielig und schwierig zu integrieren. Der Einsatz von Kondensatoren erweitert die Möglichkeiten der Spannungssynthese und bietet mehr Flexibilität bei der Wahl der Schaltzustände. Durch die geeignete Kombination verschiedener Schaltzustände auf derselben Ebene kann die Kondensatorspannung ausgeglichen werden, wodurch sich die Topologie für die Wirkleistungsregelung und die Drehzahlregelung mit variabler Frequenz eignet. Allerdings wird die Regelungsmethode komplexer und die Schaltfrequenz steigt, was zu höheren Schaltverlusten und einem geringeren Wirkungsgrad führt. Um den Ausgleich der Kondensatorspannung zu gewährleisten, schlug Meynard eine Back-to-Back-Wandlerstruktur vor, die das Laden und Entladen des Kondensators ausgleicht. Dabei wird ein bestimmtes Verhältnis der Schaltmodi verwendet, um die Gleichrichterbrücke und die Wechselrichterbrücke gleichzeitig zu steuern, sodass die dem Kondensator zugeführte Leistung der abgeführten Leistung entspricht. Durch die Erfassung der Kondensatorspannung kann bei einem Ungleichgewicht die Steuerung der Gleichrichterbrücke entsprechend angepasst werden. Der Nachteil besteht darin, dass eine große Anzahl von Floating-Kondensatoren benötigt wird und Probleme mit der Spannungsbalance auftreten. Das französische Unternehmen ALSTOM hat hierfür ein entsprechendes Produkt entwickelt. (3) Spannungsselbstbalancierende Multilevel-Wechselrichtertopologie: Im Jahr 2000 schlug Dr. Peng Fangzheng von der University of Michigan eine spannungsselbstbalancierende Multilevel-Topologie vor. Diese benötigt keine zusätzlichen Schaltungen zur Unterdrückung von Spannungsabweichungen der DC-seitigen Kondensatoren. Theoretisch realisiert sie eine reale Multilevel-Struktur mit praktischem Anwendungswert. Die traditionellen Dioden- und Kondensator-Klemmschaltungstopologien lassen sich darauf aufbauend vereinfachen und weiterentwickeln. Eine der technischen Herausforderungen bei Hochspannungs- und Hochleistungs-Multilevel-Schaltungen ist die Regelung der Mittelpunktspannung. Bei Topologien mit drei oder mehr Spannungsebenen führt eine unzureichende Mittelpunktspannungsregelung dazu, dass sie für Hochleistungs-Leistungswandlungsanwendungen ungeeignet sind. Bei diesen Topologien ist ab drei Spannungsebenen entweder ein isoliertes DC-Netzteil erforderlich oder eine komplexe Schaltungsstruktur notwendig, um die Mittelpunktspannungsbalance aufrechtzuerhalten. Diese neue Topologie zeichnet sich durch Spannungsausgleich aus und regelt die Mittelpunktspannung effektiv für verschiedene Wechselrichter-Steuerungsstrategien und Lastzustände. [align=center] Abbildung 4: Eine zweistufige Einheit. Abbildung 5: Eine einphasige Topologie mit selbstausgleichender Mehrstufenstruktur. [/align] Abbildung 5 zeigt die einphasige Topologie dieser neuen, spannungsausgleichenden Mehrstufenstruktur, die aus der in Abbildung 4 dargestellten Basiseinheit besteht. Da die Basiseinheit ein zweistufiger einphasiger Schaltkreis ist, wird die daraus gebildete Mehrstufenstruktur als P2-Mehrstufenwechselrichter bezeichnet. Die Merkmale dieser spannungsselbstausgleichenden F2-Mehrstufentopologie sind: 1) Die Leistungsverluste dieses Systems sind umgekehrt proportional zur Kapazität und Schaltfrequenz. Durch Erhöhung der Schaltfrequenz und Hinzufügen spezifischer Schaltzustände lassen sich die Verluste deutlich reduzieren und der Systemwirkungsgrad verbessern. 2) Im Vergleich zu typischen Dioden- und Kondensator-geklemmten Topologien lässt sich die Mittelpunktspannung jeder Stufe in diesem System gut regeln. 3) Für ein M-stufiges P2-Wechselrichtersystem beträgt die erforderliche Anzahl an Schaltelementen/Dioden M*(M-1); die erforderliche Anzahl an Kondensatoren beträgt M*(M-1)/2. 4) Die Berechnung ist einfach, und die Belastung der Bauelemente kann minimiert werden. Durch Vereinfachung und Modifizierung des Systems in Abbildung 5 lassen sich neben einigen anderen verbesserten Topologien auch herkömmliche dioden- und kondensatorgeklemmte Mehrpegelsysteme realisieren. Das Entfernen aller Klemmschalter in Abbildung 5 ergibt ein dioden- und kondensatorgeklemmtes Mehrpegelsystem (siehe Abbildung 6); das Entfernen der Klemmschalter und Dioden ergibt ein kondensatorgeklemmtes Mehrpegelsystem (siehe Abbildung 7); das Entfernen der Klemmschalter und Kondensatoren ergibt eine diodengeklemmte Topologie (siehe Abbildung 8). Durch Umkehrung der Diodenanschlüsse erhalten wir ein verbessertes Diodenklemmsystem in Back-to-Back-Schaltung, wie in Abbildung 9 dargestellt. [align=center] Abbildung 6 Dioden-Kondensator-Klemmsystem Abbildung 7 Kondensator-Klemmsystem mit mehreren Pegeln Abbildung 8 Diodenklemmsystem Abbildung 9 Verbessertes Diodenklemmsystem in Back-to-Back-Schaltung [/align] Die Anwendung dieser Tongzhou-Topologie mit mehreren Pegeln umfasst auch DC/DC-Wandler mit geschalteten Kondensatoren und Spannungsvervielfacher. In Kombination mit anderen Schaltungen lässt sich zudem eine bidirektionale DC/DC-Wandlung realisieren. Dreistufige Einheiten können auch zweistufige Einheiten ersetzen, um Frequenzumrichter mit mehreren Pegeln zu realisieren. (4) Gestapelte Mehreinheitenstruktur (SMC) Siehe Abbildung 10, die ebenfalls hohe Spannungen und mehrstufige Ausgänge ermöglicht. Diese Struktur bietet Vorteile gegenüber herkömmlichen Kondensator-Klemmstrukturen, da sie mit weniger und kleineren Kondensatoren auskommt und somit die Gerätegröße reduziert, insbesondere bei Anwendungen mit hohen Ausgangsspannungen von mehr als drei Pegeln. [align=center] Abbildung 10 Schematische Darstellung der gestapelten Mehrkomponentenstruktur [/align] Die SMC-Topologie ist eine Hybridstruktur, die auf der grundlegenden Kommutierungseinheit aus Brückenkondensatoren und Schaltern basiert. Abbildung 11 zeigt die Struktur eines zweilagigen, gestapelten Zweikomponenten-Umrichters. Diese Struktur entspricht dem Stapeln zweier kondensatorgeklemmter Einheiten. Die Abbildung zeigt komplementäre Schalter, die nicht gleichzeitig eingeschaltet werden können. Auch die anderen Schalter verfügen über ähnliche komplementäre Schalterpaare. Durch die Verwendung einer ähnlichen kondensatorgeklemmten Schaltmethode für die obere und untere Schicht lässt sich ein mehrstufiger Ausgang realisieren. [align=center] Abbildung 11 Zweilagige, gestapelte Zweikomponenten-SMC-Mehrstufenumrichterstruktur [/align] Diese Struktur weist jedoch auch Nachteile auf: Um die Spannungsfestigkeitsanforderungen beim Einschalten der unteren und oberen Schicht zu erfüllen, sind die Leistungsschalter an der Außenseite der Topologie als zwei direkt in Reihe geschaltete Röhren ausgeführt, was zu Problemen beim synchronen Ein- und Ausschalten führt. Da die Schaltung in den beiden oben genannten Zuständen nicht immer funktioniert, wird die Spannungsfestigkeit der Leistungshalbleiter nicht voll ausgeschöpft. Wenn die Spannung weiter erhöht werden muss und die Anzahl der gestapelten Lagen zwei übersteigt, steigt die Anzahl der Schalter und damit auch die Kapazität deutlich an. Zudem ist die Steuerung dieser Topologie relativ komplex, und ihre Vorteile sind nicht offensichtlich. (5) Serien-Mehrpegelwechselrichter mit separater Gleichstromversorgung: Um bei einem Serien-Mehrpegelwechselrichter mit separater Gleichstromversorgung weitere Stufen zu erzielen, muss lediglich die Anzahl der in Reihe geschalteten Wechselrichterbrücken in jeder Phase um denselben Wert erhöht werden. Die Merkmale sind: 1) Die Gleichstromseite verwendet Gleichstromversorgungen mit gleicher Spannung, die jedoch voneinander isoliert sind. Dadurch werden Probleme mit dem Spannungsausgleich vermieden, Dioden oder Kondensatoren zur Spannungsbegrenzung entfallen, und die Drehzahlregelung wird vereinfacht. 2) Da jede H-Brücke einphasig gesteuert wird, fließt zu jedem Zeitpunkt Wechselstrom durch den Gleichstromkondensator, wodurch ein Kondensator mit größerer Kapazität erforderlich ist. 3) Die Steuerung ist relativ einfach. Aufgrund der ähnlichen Stufenstruktur kann jede Stufe separat per Pulsweitenmodulation (PWM) angesteuert und die Wellenform anschließend wiederhergestellt werden. 4) Bei gleicher Anzahl an Spannungspegeln benötigt die Reihenschaltung die wenigsten Bauteile. [align=center] Abbildung 12 Topologie eines H-Brücken-Serien-Fünfpegelumrichters mit separater Gleichstromversorgung [/align] 5) Dioden- und Kondensator-geklemmte Umrichter sind üblicherweise auf 7 bzw. 9 Spannungspegel beschränkt. Die Reihenschaltung hingegen, die nicht durch Dioden und Kondensatoren eingeschränkt ist, ermöglicht eine größere Anzahl an Spannungspegeln, eignet sich für höhere Spannungen und weist einen geringeren Oberwellengehalt auf. 6) Da jede Stufe der Wechselrichterbrücke die gleiche Struktur aufweist, erleichtert dies die modulare Konstruktion und Fertigung, vereinfacht die Montage und erhöht die Systemzuverlässigkeit. Fällt eine Stufe der Wechselrichterbrücke aus, wird sie überbrückt, und die verbleibenden Module können unterbrechungsfrei mit Strom versorgt werden, wodurch Produktionsausfälle minimiert werden. Da diese Struktur die Verwendung von Niederspannungs-Leistungsschaltern zur Realisierung einer mehrstufigen Spannungsreihenschaltung, zur Erzielung hoher Spannungen und großer Kapazitäten relativ einfach ermöglicht, ist sie äußerst praktisch. Allerdings erfordert sie viele isolierte Gleichstromversorgungen und ist daher in ihrer Anwendung begrenzt. Zahlreiche namhafte internationale Elektrotechnikunternehmen, darunter Robicon, Toshiba, ANSLADO und Mitsubishi, bieten ähnliche Produkte an, die in verschiedenen Branchen, beispielsweise zur Drehzahlregelung von Hochleistungsmotoren und zur Blindleistungskompensation, eingesetzt werden können. Auch inländische Produkte sind auf dem Markt und finden Anwendung in Drehzahlregelungssystemen für Lüfter, Wasserpumpen usw. (6) Dreiphasen-Wechselrichter-Reihenschaltung: 1999 schlugen E. Cengelci et al. eine neue Art von transformatorgekoppelter Hochspannungs-Frequenzumrichter-Reihenschaltung vor. Die Grundidee besteht darin, die Ausgänge dreier konventioneller Wechselrichter (bestehend aus IGBTs oder IGCTs) mithilfe eines Transformators zu überlagern, um eine höhere Ausgangsspannung zu erzielen. Die drei konventionellen Wechselrichter verwenden dasselbe Ansteuerungsverfahren, was die Schaltungsstruktur und die Ansteuerung erheblich vereinfacht. Die Topologie ist in Abbildung 13 dargestellt. [align=center] Abbildung 13: Topologiediagramm eines dreiphasigen Reihenwechselrichters [/align] Die Vorteile dieser dreiphasigen Reihenwechselrichterstruktur sind: 1) Drei konventionelle Wechselrichter bilden den Kern des Hochspannungs-Frequenzumrichters, wobei jeder Wechselrichter das gleiche PWM-Verfahren nutzen kann. 2) Die drei konventionellen Wechselrichter arbeiten symmetrisch und teilen sich die gesamte Ausgangsleistung. 3) Der Gesamtausgang des Frequenzumrichters entspricht einem 7-stufigen PWM-Signal mit geringen Oberschwingungen und niedrigem dv/dt. 4) Die Kapazität des Ausgangstransformators beträgt nur ein Drittel der Gesamtkapazität. 5) 18-Puls-Eingang, keine Oberschwingungen netzseitig und hoher Leistungsfaktor. [align=center] Abbildung 14: PWM-Wellenform der Motornetzspannung. Abbildung 15: Wicklungsdiagramm des Ausgangstransformators. [/align] Da Spannung, Strom und Leistung der drei Wechselrichter in der dreiphasigen Reihenschaltung vollständig symmetrisch sind, können sie zwar mit demselben Steuergesetz angesteuert werden, dies entspricht jedoch einem zweistufigen Hochspannungs-Frequenzumrichter, und die Spannungsänderungsgeschwindigkeit (dv/dt) ist zu groß. Daher können die PWM-Signale der drei Wechselrichter um ein Drittel einer Periode versetzt werden. Bei SPWM bedeutet dies, dass jeder der drei Wechselrichter eine Dreieckswelle mit einer Phasenverschiebung von 120° verwendet, was einem Hochfrequenztransformator mit sieben Netzspannungsstufen entspricht. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Dioden- und Kondensator-geklemmte Systeme aufgrund der Spannungsausgleichsproblematik besser für die Blindleistungsregelung geeignet sind, jedoch bei der Wirkleistungsübertragung, wie z. B. der Motordrehzahlregelung, schwieriger zu steuern sind und zusätzliche Algorithmen erfordern. Selbstausgleichende P2-Mehrpegelsysteme benötigen weniger Transformatoren, zeichnen sich durch eine kompakte Bauweise, einen hohen Leistungsfaktor, keine elektromagnetischen Störungen und geringe Verluste aus und finden daher breite Anwendung im Bereich der Mehrpegelwechselrichter. Sofern die Kosten des Eingangstransformators dies zulassen, ermöglicht eine Reihenschaltung hohe Spannungen und hohe Kapazitäten mit Geräten niedrigerer Nennspannung. Da die Anzahl der Spannungsstufen hoch sein kann, sind die Oberschwingungen netz- und ausgangsseitig sehr gering. Durch die Verwendung von Vierquadrantengleichrichtung in Kombination mit moderner Motorsteuerungstheorie wird eine leistungsstarke Vierquadranten-Drehzahlregelung für Wechselstrommotoren mit hoher Kapazität möglich, deren Anwendung im Bereich der Wechselstromantriebe vielversprechend ist. Dreiphasenwechselrichter in Reihe gewährleisten eine gleichmäßige Leistungsnutzung und einen variablen Drehmomentbetrieb und reduzieren die Oberschwingungsbelastung des Stromnetzes. Sie eignen sich gut für Mittelspannungs-Drehzahlregelungssysteme (2300–4160 V) für Wechselstrommotoren. (3) PWM-Steuerungstechnik: Mit der ständigen Weiterentwicklung der Schaltungstopologie von Hochleistungswechselrichtern hat sich auch die entsprechende PWM-Steuerungstechnik rasant weiterentwickelt. Wissenschaftler aus verschiedenen Ländern haben nicht nur die traditionelle Pulsweitenmodulation (PWM) weiterentwickelt, sondern auch neue Regelungsstrategien vorgeschlagen. 1) Traditionelle PWM-Regelungstechnik und ihre Entwicklung: Die traditionelle PWM-Regelungstechnik wird hauptsächlich zur Ansteuerung der Gates von Zweipegelwechselrichtern eingesetzt. Ihr Hauptverfahren besteht darin, den Schnittpunkt durch Vergleich der Träger- und der Modulationswelle zu ermitteln oder das Gate-Triggerimpuls-Steuersignal mithilfe von Mikrocomputerberechnungen zu bestimmen. Die sinusförmige Pulsweitenmodulation (SPWM) verwendet eine Sinuswelle als Modulationswelle. Typische Implementierungsverfahren sind die natürliche Abtastung (Natural Sampling PWM), die regelmäßige Abtastung (Regular Sampling PWM) und die Flächenmodulation (Equal Area PWM). In einem Dreipegelschaltkreis kann durch den Vergleich zweier Sinuswellen mit einer Dreieckswelle eine bidirektionale dipolare Modulations-PWM erzielt werden, die die Oberschwingungen der Phasenspannung deutlich reduziert. Alle diese Verfahren sind auch in Mehrpegelschaltkreisen anwendbar. Die Implementierungsmethoden variieren je nach Struktur. 2) Optimierte PWM-Technologie: In den letzten Jahren hat sich die optimierte PWM-Technologie rasant weiterentwickelt. Es sucht die PWM-Steuerwellenform basierend auf Zielfunktionen wie minimalem Oberwellengehalt, minimalem Klirrfaktor (THD) und minimalem Drehmomentwelligkeit. Optimierte PWM bietet besondere Vorteile gegenüber herkömmlichen PWM-Verfahren, wie z. B. hohe Spannungsausnutzung, weniger Schaltzyklen und die Möglichkeit, spezifische Optimierungsziele zu erreichen. Optimierte PWM kann mit mehrstufigen Wechselrichtern eingesetzt werden, und die Eigenschaften von NPC-Wechselrichtern können genutzt werden, um das Ansteuergesetz jedes Schaltelements zu optimieren und so die Gesamtleistung zu verbessern und die Motorverluste zu reduzieren. 3) Mehrstufige Wechselrichter und Raumzeiger-PWM: Das Raumzeiger-PWM-Verfahren verwendet den idealen magnetischen Fluss eines Wechselstrommotors bei Betrieb mit einer dreiphasigen symmetrischen Sinusspannung als Referenz. Es verwendet den tatsächlichen magnetischen Fluss, der durch verschiedene Schaltmodi des Wechselrichters erzeugt wird, um den Referenzkreisfluss zu approximieren. Das Vergleichsergebnis bestimmt die Schaltsequenz des Wechselrichters zur Erzeugung der erforderlichen PWM-Wellenform. Die Oberwellenunterdrückung des Spannungsvektor-PWM-Verfahrens ist vergleichbar mit der von mehrstufiger SPWM. Bei drei- und fünfstufigen Wechselrichtern lassen sich die Schaltmodi einfach berechnen und digital implementieren. Mit zunehmender Stufenzahl steigt jedoch der Rechenaufwand für die Schaltmodi drastisch an, und auch der Speicherbedarf erhöht sich signifikant. Dank der hohen Redundanz bei der Auswahl des Schaltmodus kann durch die Wahl eines geeigneten Vektors die Gleichtaktspannung eliminiert werden. Bei diodengeklemmten Mehrstufenwechselrichtern kann dadurch die Unsymmetrie der DC-seitigen Kondensatorspannung beseitigt oder reduziert werden. Mit dem Aufkommen von Mehrstufenwechselrichtern wurde die SVPWM-Technik mit Raumspannungsdefizit weiterentwickelt. Beispielsweise kann bei einem dreistufigen, mit Mittelpunktklemmung versehenen Wechselrichter durch die Wahl einer geeigneten Raumvektorkombination und Spannungsvektor-Leitungszeit ein magnetischer Fluss erzeugt werden, der einem Kreis sehr nahe kommt. Abhängig von der Vektorwahl existieren verschiedene SVPWM-Regelungsverfahren, die jeweils unterschiedliche Modulationsvektorwinkel und Regelgüten liefern. Im Vergleich zur zweistufigen Raumvektorregelung bietet sie einen größeren Vektorwahlbereich, eine bessere Annäherung an einen sinusförmigen magnetischen Fluss und eine bessere Motorregelung. Gleichzeitig erhöht die überlegene Topologie die Systemkapazität, verbessert die Zuverlässigkeit und reduziert Verluste. Dreistufige Wechselrichter weisen auf der Gleichstromseite eine hohe Spannung auf, was ein potenzielles Hochspannungsrisiko für angeschlossene Geräte darstellt und die Zuverlässigkeit einschränkt. Darüber hinaus ist der Spannungsausgleich der Kondensatoren auf der Gleichstromseite eine anspruchsvolle Aufgabe der Regelung. Dieser Wechselrichtertyp zeigt auch netzseitige Oberschwingungen, die sich jedoch mithilfe spezieller Verfahren wie der Dual-PWM-Technologie effektiv reduzieren lassen. In bestimmten Anwendungen (z. B. USV) können mehrstufige Wechselrichter auch die Stromhystereseregelung mittels PWM nutzen. 3. Fazit und Ausblick Dank der Fortschritte in der Entwicklung von Leistungshalbleitern und deren Topologie eröffnet die Drehzahlregelung von Hochleistungs-Wechselstrommotoren neue Perspektiven und bietet immense Entwicklungschancen. Herkömmliche Hochleistungswechselrichter stoßen aufgrund ihrer Größe, geringen Leistung und der signifikanten Oberschwingungserzeugung im Stromnetz zunehmend an ihre Grenzen. Neue mehrstufige Wechselrichter gewinnen aufgrund ihrer Vorteile wie guter Dynamik, geringerer Oberschwingungserzeugung im Stromnetz und im Motor sowie ihrer Fähigkeit zum Betrieb mit hohen Spannungen immer mehr an Bedeutung. Der Einsatz der PWM-Technologie in Multilevel-Wechselrichtern hat zu zahlreichen Verbesserungen geführt und spielt eine entscheidende Rolle bei der Anwendung von Hochleistungs- und Hochkapazitätswechselrichtern. Derzeit konzentriert sich die Anwendung von Motordrehzahlregelungstechnologie in China primär auf Niederspannungs- und Kleinleistungs-Drehzahlregler, während Hochspannungs- und Hocheffizienz-Frequenzumrichter hauptsächlich importiert werden. Angesichts des dringenden Bedarfs an Energieeinsparung und Prozessoptimierung sowie des enormen Marktpotenzials steckt die Produktion von inländischen Hochspannungs- und Hochleistungs-Frequenzumrichtern noch in den Kinderschuhen. Schwierigkeiten und Hoffnungen bestehen jedoch nebeneinander, Herausforderungen und Chancen sind eng miteinander verknüpft. International zählen alle Unternehmen der Elektrotechnik zu den weltweit renommierten Herstellern und Entwicklern neuer Hochleistungs-Frequenzumrichter. Da sie bei der Entwicklung der Leistungselektronik einen schrittweisen Ansatz verfolgt und eine vollständige industrielle Wertschöpfungskette von Leistungshalbleiterbauelementen bis zur Fertigung von Endprodukten aufgebaut haben, verhindern Marktträgheit und ihre großen Organisationsstrukturen einen sofortigen Wechsel zu völlig neuen Produkten. China, as an emerging developing country, although it has invested in older technologies, the investment is relatively small, and the burden is not heavy. It can immediately shift to the development and utilization of the latest technologies, learning from others' experiences and skipping the paths they have already traversed. Based on the achievements of research in the latest fields, rapid industrialization can significantly shorten the gap with advanced countries, and in some aspects, even surpass them. Currently, the time is ripe for the application of high-capacity converter motor speed control technology. As long as domestic institutional reforms, production management, and business decision-making are on track, its development prospects are limitless. (Article excerpted from "Energy Saving Innovation 2006—Proceedings of the First National Electrical Energy Saving Competition")