Die SEMIKRON-Awards 2021 Zehn Jahre ausgezeichnete Leistungselektronik

Redakteur: Gerd Kucera

Getrieben durch gesellschaftliche Megatrends und schärfere Vorgaben zur Steigerung der Energieeffizienz steht Leistungselektronik mit IGBT, MOSFET und anderen Power Devices im Rampenlicht. Alljährlich zeichnet die SEMIKRON-Stiftung besondere wissenschaftliche Erkenntnisse mit dem Innovationspreis aus. Nun steht die Award-Verleihung 2021 an.

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Thomas Harder, Geschäftsführer ECPE: „In Zusammenarbeit mit dem ECPE-Netzwerk hat die SEMIKRON-Stiftung nun zum zehnten mal die renommierten Innovationspreise vergeben.“
Thomas Harder, Geschäftsführer ECPE: „In Zusammenarbeit mit dem ECPE-Netzwerk hat die SEMIKRON-Stiftung nun zum zehnten mal die renommierten Innovationspreise vergeben.“
(Bild: ECPE e.V.)

Die SEMIKRON-Stiftung fördert wissenschaftliche Projekte und verleiht in Zusammenarbeit mit dem ECPE European Center for Power Electronics e.V. den SEMIKRON-Innovationspreis und den SEMIKRON-Nachwuchspreis.

Der SEMIKRON-Innovationspreis wird für herausragende Leistungen in Projekten, Produkten, Dienstleistungen und hinsichtlich neuartigen Konzepten auf dem Gebiet der Leistungselektronik in Europa vergeben. Die Stiftung würdigt somit Ideen und Erfindungen, die einen potentiell hohen gesellschaftlichen Nutzen haben, etwa eine höhere Energieeffizienz, verbesserte Ressourcenschonung, Berücksichtigung der Nachhaltigkeit und den Umweltschutz.

Die nun anstehenden Preise sollen im Rahmen des ECPE Annual Events am 30.06.2021 in Erding bei München verliehen werden. Die Auswahl der Preisträger erfolgte in Kooperation mit dem ECPE European Center for Power Electronics. Der Hauptpreis ist mit 10.000 € dotiert. Daneben wird ein mit 3.000 € dotierter Nachwuchspreis verliehen, mit dem junge Forscher unter 30 Jahre auf dem Gebiet der Leistungselektronik ausgezeichnet werden sollen. Für den Nachwuchspreis gelten ansonsten die gleichen Kriterien wie für den renommierten Innovationspreis. Die Auswahl der Preisträger verantwortet eine unabhängige fünfköpfige Jury, die sich aus namhaften Vertretern aus Forschung und Industrie zusammensetzt.

In diesem Jahr hat die Jury beschlossen, den SEMIKRON Innovation Award an Dr. Tobias Geyer von ABB Medium-Voltage Drives, Schweiz, zu vergeben, um seine Pionierarbeit auf dem Gebiet der Modell-Prädiktiven Regelung (Model Predictive Control) zu würdigen und seine Innovation bezüglich 'Model Predictive Pulse Pattern Control (MP3C)' auszuzeichnen.

Eine ausgezeichnete Regelungstechnik

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 Prozent.

Ein ausgezeichnetes Umrichter-Konzept

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.

Umrichter: Platzbedarf und Produktionskosten reduzieren

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 Design-Kompromisse und Betriebseigenschaften untersucht und eine neuartige Steuerung abgeleitet und implementiert. Er hat die vorgeschlagene Regelung in einem herunterskalierten Umrichter-Prototypen mit sehr geringer Zellenkapazität implementiert, um das Konzept zu belegen und die Vorteile des Quasi-Zweistufen-PWM-Betriebs experimentell zu validieren.

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