Zusammenfassung: Dieser Artikel untersucht das Prinzip der direkten Leistungsregelung (DPC) eines dreiphasigen PWM-Gleichrichters und kombiniert es mit einem speziell entwickelten Schaltzähler zur Bang-Bang-Regelung von Wirk- und Blindleistung. Experimente mit einem Prototyp zeigen, dass die direkte Leistungsregelung Vorteile wie einen einfachen Aufbau, einen hohen Leistungsfaktor, eine stabile Gleichspannung am Ausgang und ein schnelles dynamisches Ansprechverhalten bietet. Schlüsselwörter: PWM-Gleichrichter; direkte Leistungsregelung; DSP 1 Einleitung Mit dem zunehmenden Einsatz leistungselektronischer Geräte in verschiedenen Bereichen erreichen viele ungeregelte Gleichrichter nur eine unidirektionale Energieübertragung und weisen einen niedrigen Leistungsfaktor auf, was zu erheblichen Oberschwingungsbelastungen im Stromnetz führt. Dreiphasige PWM-Gleichrichter mit direkter Leistungsregelung (DPC) können die Verzerrung der Stromwellenform effektiv verbessern und einen hohen Leistungsfaktor erzielen. Im Vergleich zu stromgeregelten PWM-Gleichrichtern entfällt der interne Stromregelkreis, die Parametereinstellung wird reduziert und die Koordinatentransformation in der digitalen Implementierung entfällt. Die Bang-Bang-Regelung wird direkt auf Wirk- und Blindleistung angewendet und bietet Vorteile wie einen einfachen Aufbau, einen stabilen Ausgang und ein schnelles dynamisches Ansprechverhalten. 2 Systemaufbau und Regelungsstrategie 2.1 Mathematisches Modell des Dreiphasen-PWM-Gleichrichters Abbildung 1 zeigt das Hauptschaltbild des Dreiphasen-PWM-Gleichrichters. Das Schaltsignal der Phase A ist Sa. Bei Sa = 1 ist VT1 eingeschaltet und VT2 ausgeschaltet; bei Sa = 0 ist VT1 ausgeschaltet und VT2 eingeschaltet. Die Schaltsignale der Phasen B und C sind analog dazu Sb und Sc. Ud ist die Gleichspannung, L die Induktivität der Filterdrossel (der Widerstand wird hier vernachlässigt), C der Kondensator auf der Gleichstromseite, RL die Last und iL der Laststrom. Das mathematische Modell des Dreiphasen-PWM-Gleichrichterschalters ist in Gleichung (1) dargestellt. Aus dieser Gleichung geht hervor, dass das Funktionsprinzip des Dreiphasen-PWM-Gleichrichtersystems im Wesentlichen darin besteht, die Schaltelemente so zu steuern, dass die Spannungen an den Brückenzweiganschlüssen a, b und c eine bipolare SPWM-modulierte Impulsfolge bilden. Bei ausreichend hoher Schaltfrequenz ergibt sich gemäß der Fourier-Analyse die Spannung an den Brückenarmklemmen als Überlagerung der Grundwechselspannung und der Oberschwingungsspannung. Die Induktivität gleicht den Oberschwingungsstrom aus und unterdrückt ihn, puffert die Blindleistung in der Brückenarm-Pulsfolge und erzielt so einen mit der Netzspannung phasengleichen Strom. 2.2 DPC-Systemstruktur und Regelungsstrategie: Gleichung (2) zeigt, dass bei einer bestimmten Netzspannung durch die Einstellung von Wirk- und Blindleistung ein definierter dreiphasiger Stromzustand erreicht werden kann. Das heißt, die Regelung von Wirk- und Blindleistung ermöglicht die oben beschriebene Stromregelung. Die in dieser Arbeit untersuchte DPC des dreiphasigen PWM-Gleichrichters basiert hauptsächlich auf dem Konzept der Momentanleistung. Herkömmliche Wirk- und Blindleistung werden auf Basis ihres Mittelwerts definiert und sind nur für sinusförmige Spannungen und Ströme anwendbar. Das Konzept der Momentanleistung hingegen ist sowohl auf sinusförmige als auch auf nicht-sinusförmige Spannungen anwendbar. 2.3 Hardware-Design des DPC-Systems: Der zentrale Steuerchip des Systems ist der TMS320F2812 DSP-Chip von TI. Die Vorteile dieses Chips sind: (1) Der Befehlszyklus beträgt 6,67 ns (150 MHz); (2) Er integriert 128 KB Flash-ROM und 18 KB SRAM, was die Programmierung vereinfacht; (3) Er verfügt über umfangreiche Peripheriegeräte mit bis zu 16 Kanälen eines 12-Bit-ADC und einer Einzelkanal-Wandlungszeit von nur 60 ns. Der Event Manager (EV) kann die PWM-Ausgabe einfach steuern. Die Hauptschaltung des Systems verwendet das IPM-Leistungsmodul PM75CSA120 von Mitsubishi. Es bietet eine stabile Betriebsfrequenz von bis zu 20 kHz, integriert eine vollständige dreiphasige Leistungsschaltung, verfügt über eine optimale IGBT-Ansteuerung und bietet einen umfassenden Schutz gegen Kurzschluss, Überstrom, Überhitzung und Unterspannung. Es eignet sich besonders für Umrichter. 3. Experimentelle Ergebnisse und Analyse Basierend auf dem oben beschriebenen PWM-Gleichrichterprinzip und der DPC-Regelungsstrategie wurde ein Prototyp entwickelt. Die Eingangsstufe verwendet einen Spartransformator zur Spannungsreduzierung am Brückengleichrichtereingang. Die Eingangsfilterinduktivität des Gleichrichtersystems beträgt 8 mH, der Widerstand ist vernachlässigbar. Die Betriebsfrequenz liegt bei 20 kHz. Der DC-Zwischenkreisfilterkondensator besteht aus zwei in Reihe geschalteten 450-V/4700-µF-Kondensatoren. 3.1 Stationärer Signalverlauf Abbildung 4(a) zeigt den stationären Signalverlauf von Eingangsphasenspannung und -strom. Wie aus der Abbildung ersichtlich, sind Spannung und Strom phasengleich, wobei der Strom annähernd einer Sinuswelle entspricht. An den Spitzenwerten sind jedoch noch Spitzenwerte zu erkennen. Dies ist auf die sehr geringe Phasenhysterese im Signalerfassungsteil des Regelsystems zurückzuführen, die zu einer gewissen Verzögerung bei der Regelung der Momentanleistung führt. Abbildung 4(b) zeigt die Wirk- und Blindleistungsverläufe netzseitig im stationären Zustand. Diese wurden durch Berechnung des Ausgangssignals eines 12-Bit-DAC-Chips nach Verarbeitung gemäß Gleichung (7) ermittelt. Die maximale Spannung am DAC-Ausgang beträgt 2,5 V. Der Mittelwert von P im Verlauf liegt bei etwa 340 mV. Der berechnete Wert beträgt: P = 0,34/2,5 * 4095 = 556,92 W, was mit den experimentellen Betriebsparametern übereinstimmt. Die Blindleistung schwankt nur geringfügig und ist nahezu null. Der Leistungsfaktor des PWM-Gleichrichters mit der DPC-Regelungsstrategie liegt somit bei etwa 1, was auf gute Eingangseigenschaften hinweist. 3.2 Dynamisches Verhalten bei Laständerungen Abbildung 5 zeigt die dynamischen Verläufe der Ausgangsgleichspannung, des netzseitigen Stroms sowie der Wirk- und Blindleistung bei einer Laständerung von 100 Ω auf 50 Ω und gleichzeitig steigender Ausgangsleistung. Wie aus Abbildung 5 ersichtlich, bleibt die Ausgangsgleichspannung im Wesentlichen unverändert. Netzseitiger Strom und Wirkleistung stabilisieren sich nach etwa 40 ms im neuen Zustand, was die schnelle Dynamik und die guten Ausgangseigenschaften des DPC belegt. 4. Fazit: Das PWM-Gleichrichtersystem mit direkter Leistungsregelung zeichnet sich durch eine einfache Struktur aus, eliminiert den Stromregelkreis und komplexe Koordinatentransformationsberechnungen der VOC-Regelungsstrategie, erfordert weniger Parametereinstellung und weist ein gutes dynamisches Verhalten auf. Darauf aufbauend wurde ein experimenteller Prototyp entwickelt, dessen Ergebnisse die hohe Effizienz des Regelalgorithmus demonstrieren.