Simulation der geschlossenen Regelung

Systemübersicht

Was ist ein Vienna-Gleichrichter?

Ein Vienna-Gleichrichter ist eine dreiphasige dreistufige PWM-Gleichrichtertopologie, die folgende Vorteile bietet:

• Reduzierte Schalt- und Leitungsverluste im Vergleich zu herkömmlichen Gleichrichtern
• Hohe Leistungsfaktorkorrektur (PFC) bei minimaler THD
• Dreistufiger Spannungsbetrieb zur Reduzierung der Belastung von Leistungshalbleitern

Zweck der Simulation

Die Simulation hat folgende Ziele:

• Demonstration der Funktionsprinzipien eines geschlossenen Vienna-Gleichrichters
• Validierung der Leistungsfaktorkorrektur und der DC-Spannungsregelung
• Analyse von Effizienz, dynamischem Verhalten und Regelungsstabilität

Hauptmerkmale

Hoher Leistungsfaktor und geringe THD

Der geschlossene Regelalgorithmus gewährleistet einen nahezu idealen Leistungsfaktor und minimiert gleichzeitig die harmonischen Verzerrungen des Eingangsstroms. HIL/PHIL-Vorteil: Echtzeit-Tests validieren Leistungsfaktorkorrektur und Harmonischenreduzierung unter dynamischen Netzbedingungen.

Dreistufige Spannungsregelung

Die Vienna-Gleichrichtertopologie ermöglicht einen dreistufigen Spannungsbetrieb, wodurch die Spannungsbelastung der Leistungshalbleiter reduziert wird. HIL/PHIL-Vorteil: Hardwaretests gewährleisten eine korrekte Spannungsbalance und verbesserte Effizienz unter realen Lastbedingungen.

Schnelle dynamische Reaktion

Die geschlossene Regelung verbessert das Transientenverhalten bei Netzstörungen und Laständerungen. HIL/PHIL-Vorteil: Der Übergang von Simulation zu Hardwaretest ermöglicht die Feinabstimmung der Regelparameter für optimale reale Performance.

Simulationsziele

Diese Simulation hilft bei der Bewertung von:

• Leistung unterschiedlicher Regelstrategien (PI, prädiktiv, modellbasiert)
• Wirksamkeit von Leistungsfaktorkorrektur und Harmonischenunterdrückung
• Spannungsregelung und dynamischem Verhalten bei Laständerungen
• Effizienzanalyse unter variierenden Betriebsbedingungen HIL/PHIL-Vorteil: Diese Bewertungen lassen sich nahtlos von der Simulation auf reale Hardwaretests übertragen und gewährleisten eine praxisgerechte Implementierung.

Technische Beschreibung

Systemkonfiguration

• Eingang: Dreiphasige AC-Netzversorgung
• Ausgang: Geregelte DC-Spannung für nachgeschaltete Lasten oder Wandler
• Leistungsstufe: Dreistufiger Gleichrichter mit IGBT- oder SiC-basierten Schaltern

Regelungsmethodik

• Stromregelung: Gewährleistet sinusförmigen Eingangsstrom und Leistungsfaktorkorrektur
• Spannungsregelung: Hält die DC-Zwischenkreisspannung bei variierenden Lasten stabil
• Modulationsstrategie: Space Vector Modulation (SVM) oder PWM für optimales Schaltverhalten HIL/PHIL-Vorteil: Die Regelungslogik kann mithilfe der HIL-Plattform von Impedyme vor der Hardwareimplementierung getestet und optimiert werden.

Vorteile der geschlossenen Vienna-Gleichrichterregelung

• Höherer Wirkungsgrad: Reduzierte Schaltverluste im Vergleich zu konventionellen Gleichrichtern
• Verbesserte Leistungsqualität: Geringe THD und nahezu idealer Leistungsfaktor
• Stabiler Betrieb: Die geschlossene Regelung verbessert Transienten- und stationäres Verhalten HIL/PHIL-Vorteil: Diese Eigenschaften können über den gesamten Entwicklungszyklus (RCP → HIL → PHIL) mit den Plattformen von Impedyme validiert werden.

• Bidirektionaler Leistungsfluss: Ermöglicht regeneratives Bremsen und Energierückspeisung
• Schnelle dynamische Reaktion: Gewährleistet stabilen Betrieb bei variierenden Last- und Eingangszuständen.

Anwendungen

• Industrielle Stromversorgungen: Hochleistungs-Gleichrichter für Motorantriebe und Automatisierungssysteme.
• EV-Ladeinfrastruktur: Hocheffiziente Gleichrichter für DC-Schnellladestationen.
• Erneuerbare Energiesysteme: AC-DC-Wandler für netzgekoppelte Wind- und Solarsysteme. HIL/PHIL-Vorteil: Echtzeit-Emulation und Tests beschleunigen die Entwicklung maßgeschneiderter Lösungen für jede Anwendung.
• Industrielle Motorantriebe: In Frequenzumrichtern (VFDs) werden Vienna-Gleichrichter eingesetzt, um AC-Leistung in DC umzuwandeln und anschließend wieder in AC für die Drehzahlregelung von Asynchronmotoren zurückzuführen. Die geschlossene Regelung gewährleistet eine präzise Steuerung von Motordrehzahl und Drehmoment, verbessert die Energieeffizienz und reduziert mechanische Belastungen.
• Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV): Vienna-Gleichrichter werden in USV-Systemen eingesetzt, um aus dem AC-Netz eine saubere und stabile DC-Versorgung bereitzustellen, die bei Stromausfällen wieder in AC umgewandelt wird. Die geschlossene Regelung sorgt für hohe Netzqualität, geringe Gesamtharmonische Verzerrung (THD) und eine schnelle dynamische Reaktion auf Laständerungen.
•   Aktive Leistungsfilter (APF): Vienna-Gleichrichter werden in aktiven Leistungsfiltern verwendet, um harmonische Verzerrungen zu reduzieren und die Netzqualität in industriellen Energiesystemen zu verbessern. Die geschlossene Regelung ermöglicht eine Echtzeitkompensation von Oberschwingungen und Blindleistung und gewährleistet die Einhaltung von Power-Quality-Standards wie IEEE 519.
•  Batterie-Energiespeichersysteme (BESS): Vienna-Gleichrichter dienen in BESS als Schnittstelle zwischen Netz und Batteriespeichern und ermöglichen bidirektionalen Leistungsfluss zum Laden und Entladen. Die geschlossene Regelung sorgt für effizientes Energiemanagement und Netzstabilität.
•   Rechenzentren: Vienna-Gleichrichter werden in Power Distribution Units (PDUs) eingesetzt, um eine hocheffiziente AC-DC-Wandlung für Server und andere kritische Systeme bereitzustellen. Die geschlossene Regelung gewährleistet eine zuverlässige Energieversorgung mit hohem Leistungsfaktor und geringer harmonischer Verzerrung.

Vorteile der Simulation

Mit dieser Simulation können Anwender:

• Geschlossene Regelstrategien detailliert analysieren
• Regelalgorithmen zur Leistungssteigerung optimieren
• Effizienz- und Netzqualitätskennwerte unter dynamischen Bedingungen testen HIL/PHIL-Vorteil: Diese Erkenntnisse lassen sich mithilfe von Impedymes PHIL direkt auf reale Hardware übertragen und gewährleisten die Einhaltung der Designanforderungen.