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Dissertation Siebel

Dr.-Ing. Henrik Siebel

"Netzseitiger Wechselrichter mit quasiresonanter Topologie und hoher Leistungsdichte" (2001)

Die vorliegende Arbeit stellt ein neues Konzept für eine netzfreundliche Einspeisung von einem Drehspannungsnetz in einen Gleichspannungszwischenkreis vor. Die vorgestellte Topologie zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß ein guter Wirkungsgrad bei gleichzeitig hoher Schaltfrequenz erreicht wird. Dadurch können alle Filterkomponenten, einschließlich der Netzdrosseln, konstruktiv in ein einzelnes Gerätegehäuse integriert werden.

Die Arbeit behandelt zuerst die wichtigsten bekannten Topologien zur Leistungsfaktorkorrektur. Ausgehend von grundsätzlichen Zusammenhängen wurden Entwurfskriterien für die Schaltungsauslegung und die Wahl der optimalen Schaltfrequenz aufgestellt. Der Vergleich der unterschiedlichen Resonanzschaltungen und der Entwurf einer geeigneten Topologie für eine Einspeisung wurde durch Simulationen unterstützt. Die späteren Messungen ergaben eine gute Übereinstimmung mit dem simulierten Verhalten der Einspeisung.

Mit der in dieser Arbeit vorgeschlagenen quasiresonanten Schaltungstopologie können die Verluste der gesamten Einspeisung stark reduziert werden. Zu einer IGBT Wechselrichterbrücke ist eine quasiresonante Kommutierungseinheit hinzugefügt worden. Diese bringt die Spannung der Wechselrichterbrücke kurzzeitig zu null, so daß die Transistoren verlustfrei eingeschaltet werden können. Parallel zu jedem Transistor befindet sich ein Kondensator, der ein weiches Ausschalten ermöglicht.

Ein großer Teil der Schaltverluste in einem konventionell hart geschalteten Wechselrichter entsteht durch die Sperrverzugsladung in den Dioden. Deshalb wird die in dieser Arbeit vorgestellte Topologie so betrieben, daß der Strom nur mit begrenzter Steilheit von den Dioden abkommutiert wird. Durch das Ausschalten der Dioden bei Strom null werden der Rückstrom und damit auch die Schaltverluste der Dioden reduziert. Selbstverständlich werden auch alle Leistungshalbleiter der Quasiresonanzeinheit weich geschaltet.

Die Steuerung der Einspeisung soll einen Netzstrom mit einem möglichst niedrigen Verzerrungsgehalt erzeugen. Außerdem soll die Zwischenkreisspannung stabilisiert werden. Diese beiden Forderungen konnten mit einer klassischen, digital realisierten Kaskadenregelung erfüllt werden. Der Regler für die Zwischenkreisspannung liefert den Sollwert für den unterlagerten Stromregler. Die Stromregelung erfolgt in einem zweiachsigen Koordinatensystem. Dafür müssen die Meßwerte der Netzspannung und des Netzstromes in ein mit der Netzfrequenz rotierendes System transformiert werden.

Bei der Berechnung der asymmetrischen PWM Muster werden die Besonderheiten der verwendeten Resonanzschaltung berücksichtigt. Die ebenfalls digital ausgeführte modifizierte Raumzeigermodulation wird auf die Polarität der Phasenströme abgestimmt, so daß lediglich zwei der sechs Brückenschalter gleichzeitig getaktet werden müssen. Das führt zu einer zusätzlichen Reduktion der Schaltverluste.

Durch den Aufbau der Einspeisung in drei verschiedenen Versionen konnten praktische Erfahrungen mit dem neuartigen Schaltungskonzept gesammelt werden. So wurde die Einspeisung zuerst nur für den Einspeisebetrieb konzipiert. In einer Erweiterung wurde auch die Energierückspeisung vom Zwischenkreis ins Netz realisiert. Der letzte Aufbau wurde für eine möglichst hohe Leistungsdichte (2,4 kW/l und 3,0 kW/kg) unter Verwendung handelsüblicher Leistungsmodule ausgelegt.

Durch die Implementierung einer winkelabhängigen Vorsteuerung können alle periodischen Störgrößen des Stromregelkreises kompensiert werden. Eine nichtlineare Charakteristik des Spannungsreglers verhindert die Entstehung von Harmonischen über den Stromsollwert. Durch diese beiden Maßnahmen konnte die Qualität der Netzströme weiter verbessert werden. Der minimale Verzerrungsgehalt bei einer der ausgeführten Schaltungsvarianten beträgt THDi = 1,4%.

Die aktive Einspeisung ist in der Lage, aus Netzen mit unterschiedlicher Frequenz und Spannung eine konstante Ausgangsgleichspannung zu erzeugen. Außer der Verbesserung der Netzströme ergeben sich deshalb aus einer aktiven Einspeisung noch weitere Vorteile. Die Anwendung, die aus dem Gleichspannungszwischenkreis versorgt wird, kann unabhängig von den Parametern des Versorgungsnetzes entworfen werden.

In Versuchen an einem Aufbau der Einspeisung wurde gezeigt, daß Netzstörungen wie: Unterspannung, Unsymmetrie oder Phasenausfall erkannt und sicher gehandhabt werden können.