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Alle Gewinner gemeinsam mit den Sponsoren auf der Preisverleihung in Nürnberg..
Die Preisträger bei der Verleihung der Awards.
Jörg Malzon-Jessen von Infineon (links) und Professor Dr. Leo Lorenz vom ECPE (rechts) zeichneten Johannes Kolb (Mitte) mit dem Young-Engineer-Award aus.
Johannes Kolb in seinem Labor in Karlsruhe.

Johannes Kolb in seinem Labor in Karlsruhe.Mesago

Im Rahmen der Eröffnung der PCIM Europe vom 8. bis 10. Mai in Nürnberg fand die Verleihung des Best-Paper- und der drei Young-Engineer-Awards statt. Aus über 230 Beiträgen wählte die Jury die Gewinner, deren Projekte in der Gesamtheit am meisten überzeugten. Ausschlaggebend waren die Kriterien Qualität und Aktualität. Die Laudatio hielt der Fachbeiratsvorsitzende Professor Doktor Leo Lorenz vom European Center for Power Electronics (ECPE).

Dieses Jahr gehörte zu den Preisträgern des Young Engineer Awards Johannes Kolb aus Baden-Württemberg. Der Diplom-Ingenieur ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), dem Zusammenschluss des Forschungszentrums Karlsruhe und der Universität Karlsruhe.

Seine Forschungsschwerpunkte liegen auf elektronischen Antrieben in der Leistungselektronik, insbesondere der Multilevel-Umrichter in Drehstrom-Applikationen.

Das Gewinnerpaper 2011

Das Schaltbild des Modularen Multilevelumrichters.

Das Schaltbild des Modularen Multilevelumrichters.Mesago

2011 reichte Johannes Kolb seine Arbeit mit dem Titel: A novel control scheme for low frequency operation of the Modular Multilevel Converter / Ein neuartiges Regelverfahren für den Betrieb des modularen Multilevel-Umrichters bei niedriger Frequenz ein.

In seinem Beitrag beschreibt er die Regelung des modularen Multilevel-Umrichters (MMC/M2C), bekannt aus Hochspannungsumrichtern in Energienetzen, für die Anwendung als Antriebsumrichter. Zum Speisen von Drehstrommaschinen ist bei niedrigen Frequenzen ein spezieller Betriebsmodus notwendig, um die Energiepulsation in den Kondensatoren deutlich zu reduzieren. Der modulare Aufbau des MMCs bietet zahlreiche Vorteile für das Betreiben von Antrieben bei hoher Spannung mit Leistungen bis in den Megawattbereich. Das Beherrschen des komplexen Systems beim Steuern des MMCs stellt eine große Herausforderung dar. Es müssen sowohl die Regelung der Maschine als auch die Energieregelung und -symmetrierung der Umrichterzweige sowie die Symmetrierung der Spannungen in den einzelnen Zellen eines Zweiges zu einem Gesamtkonzept vereinigt werden.

Anwendung von MMCs für die Speisung mehrerer elektrischer Maschinen.

Anwendung von MMCs für die Speisung mehrerer elektrischer Maschinen.Mesago

Ausgehend von einer entkoppelten Stromregelung und der so genannten Wirkleistungsbilanz in den Zweigen stellt die Veröffentlichung von Johannes Kolb ein entsprechendes Regelverfahren vor. Es ermöglicht den Betrieb bei Frequenz Null beziehungsweise niedrigen Frequenzen, was für das Speisen von Drehstrommaschinen unabdingbar ist. Ergänzt wird die Regelung durch ein geeignetes Modulationsverfahren, welches die Schaltsignale für die einzelnen Zellen erzeugt. Gleichzeitig wird hier die Balancierung der Energien in den Zellkondensatoren realisiert. Die Funktionsweise und die Effektivität des neuen Regelverfahrens verifizieren sich dann durch Simulationen des Gesamtsystems.

Das Gewinnerpaper 2012

Die Zweigplatine besitzt fünf Zellen.

Die Zweigplatine besitzt fünf Zellen.Mesago

2012 reichte Johannes Kolb sein Arbeit mit dem Titel: Operating performance of Modular Multilevel Converters in drive applications / Betriebsverhalten von modularen Multilevel-Umrichtern in Antriebsanwendungen als Beitrag ein. Basierend auf dem Paper der PCIM 2011 stellt dieser Beitrag die technische Umsetzung beim Aufbau eines Prototypsystems vor. Dabei wird Realisierung eines modularen Multilevel-Umrichters für die Speisung von Drehstrommaschinen im Niederspannungsbereich vorgestellt. Vor dem Leistungsbetrieb des Umrichters muss der Betreiber die Zellen des MMC vorladen. Dies kann der Entwickler mit Hilfe von Vorwiderständen ohne zusätzliche, aufwändige potenzial-getrennte Einspeisungen umsetzen.

Der Aufbau des Prototypsystems mit MMC und Drehstrommaschine.

Der Aufbau des Prototypsystems mit MMC und Drehstrommaschine.Mesago

Anhand des Prototypsystems wurden Messungen zum Betriebsverhalten des Umrichters und der Regelung beziehungsweise Symmetrierung durchgeführt. Diese zeigen in allen Betriebspunkten sowohl im stationären Betrieb als auch bei dynamischen Veränderungen der Last ein stabiles und schnelles Regelverhalten. Johannes Kolb zeigte in seinen Forschungen, dass sich das Regelverfahren – unabhängig von der Zellenzahl – flexibel für sämtliche Drehstrommaschinen jeder Leistung anpassen lässt.