Theoretische und experimentelle Untersuchung eines dreiphasigen einstufigen tiefsetzstellerbasierten Pulsgleichrichtersystems (VIENNA Rectifier III) mit sinusförmiger Eingangsstromführung und hochfrequent potentialgetrennter Ausgangsspannung

Abstract

Aufgrund des steigenden Einsatzes leistungselektronischer Systeme und deren Netzrückwirkungen werden im zunehmenden Maße Stromversorgungen mit Leistungsfaktorkorrektur gefordert. Die vorliegende Arbeit soll daher eine Stromversorgung mit Potentialtrennung und Leistungsfaktorkorrektur im Leistungsbereich von einigen kW, wie sie für eine Vielzahl von industriellen Prozessen gefordert ist, untersuchen. Da die einstufige Realisierung einer Stromversorgung, bei der die Leistungsfaktorkorrektur sowie die Potentialtrennung und Ausgangsspannungsregelung in einem System integriert sind und daher der Zwischenkreisspeicher wegfallen kann, den besten Wirkungsgrad sowie den geringsten Bauelementeaufwand aufweist, sollen Gleichrichtersysteme dieser Type näher untersucht werden. Anhand einer Literaturrecherche werden im Abschnitt 2 die möglichen einstufigen Pulsgleichrichtersysteme ermittelt und anschließend anhand einer theoretischen Analyse verglichen. Die am besten geeignetste Struktur wird ermittelt und im Weiteren einer detaillierten theoretischen und experimentellen Analyse unterworfen. In Abschnitt 3 wird anhand einer theoretischen Analyse die Möglichkeit der Eingangsstromführung in Verbindung mit der pulsfrequenten Magnetisierung des Transformatorkernes und der Regelung der Ausgangsgrößen untersucht. Weiters werden die möglichen Reglerstrukturen beschrieben und mittels Simulation überprüft. Zur Berechnung der für eine praktischen Realisierung erforderlichen Bauelementebelastungen werden analytische Formeln abgeleitet und die Ergebnisse mittels Simulation bestätigt. Im Rahmen der in Abschnitt 4 durchgeführten experimentellen Analyse wird ein Labormuster dimensioniert und aufgebaut. Zu dessen Regelung wird ein Signalprozessorsystem verwendet. Die während der Inbetriebnahme auftretenden Probleme der Sicherstellung einer rein pulsfrequenten Magnetisierung des Transformatorkernes sowie der Dämpfung des Eingangsfilters und der Dimensionierung der Regler werden dabei durch geeignete Maßnahmen gelöst, wodurch ein industrienahes Pulsgleichrichtersystem entsteht. Die Messungen des Betriebsverhaltens zeigen gute Eigenschaften hinsichtlich Wirkungsgrad und Leistungsfaktur und bestätigen die Eignung des gewählten Gleichrichtersystems für die Verwendung als Stromversorgung im genannten Leistungsbereich.

Because of the increasing number of applications of power electronic systems and due to the resulting effects on the mains more stringent regulations concerning the power factor of power supplies will be defined. The work at hand proposes a three phase power supply with high frequency isolation and low effects on the mains for a output power range of a few kW, being typical used for a wide range of industrial equipment. Single stage solutions which do include the power factor correction, the high frequency isolation and the output voltage control should be preferred because no DC-link capacitance is used and the realization effort is lower compared to a two stage solution. Furthermore, single stage solutions are claimed to have a higher efficiency because the energy has to be transformed only once. After a search of the literature different single stage power supplies are compared by a theoretical analysis is Section 2. The best approach, i.e. the VIENNA Rectifier III is then selected and a detailed theoretical investigation of the chosen power supply is performed. In Section 3 the compatibility of sinusoidal input currents, magnetization of the transformer with pulse frequency and output voltage control of the VIENNA Rectifier III is confirmed. Different control structures are shown and tested by simulations. For the dimensioning of a practical system the current and voltage stresses of the components are calculated in a analytically closed form. For the experimental investigation in Section 4 a 8.5kW laboratory prototype of the VIENNA Rectifier III has been designed and realized. Controlling the converter, a signal processor unit has been implemented. The problems with putting the system into operation like magnetization of the transformer with just pulse frequency, damping of the input filter and the design of the control loops are solved which results in a practical power supply. The measurements do show a reasonable behavior of the power supply according efficiency, power factor and control dynamics. This shows that the VIENNA Rectifier III is suitable for realizing a power supply in the lower power range.