R.Aeberhard / S.Egger
Dozent: H. Burtscher
Einleitung
Aufgabenstellung
Zusammenfassung
| Einleitung |
Sehr viele elektronische Geräte benötigen zum Betrieb eine Gleichspannung,
die im allgemeinen mittels Diodengleichrichter und anschliessender Kondensatorglättung
erzeugt wird. Diese einfache und kostengünstige Lösung hat den Nachteil,
dass sie zu einem stark verzerrten Netzstrom führt. Das heisst, der Leistungsfaktor
ist schlecht und das Netz wird mit Stromoberwellen belastet, welche zu Störproblemen
führen können. Strengere Vorschriften der Elektrizitätswerke
werden den Einsatz von solchen einfachen Gleichrichtern in Zukunft erschweren.
Abhilfe können hier Schaltungen zur Leistungsfaktorkorrektur (power factor
correction PFC) bringen, welche ohne grosses (und teures) passives Filter einen
weitgehend sinusförmigen Netzstrom bewirken. Im Rahmen eines Kooperationsprojektes
der Fachhochschulen Nordwestschweiz werden verschiedene Schaltungen zur Leistungsfaktorkorrektur
untersucht.
In dieser Arbeit wird eine PFC auf der Basis des Cuk-Konverters realisiert.
Der Leistungsteil wurde bereits an der FHBB gebaut. Vorarbeiten zu Steuerung
und Regelung wurden in einer Semesterarbeit im letzten Wintersemester durchgeführt
(Bachmann und Zubler: einphasige Leistungsfaktorkorrektur)" . Die Aufgabe
besteht aus einem Theorie- und Hardwareteil. Im einen geht es darum, die Eigenschaften
des Cuk-Konverter in Form eines Modells oder einer Übertragungsfunktion
analytisch zu erfassen. Die Ergebnisse sollen in die Entwicklung des analogen
Stromreglers und des überlagerten Spannungsreglers fliessen. Die Hardwareaufgabe
beinhaltet die Verbesserung der bestehenden Messelektronik und den Aufbau der
beiden Regler. Parallel dazu werden Messungen gemacht, welche die vorgenommenen
Optimierungen dokumentieren und dazu beitragen, dass Modell zu überprüfen
und zu verfeinern.
| Aufgabenstellung |
| 1. | Einarbeitung in die Funktionsweise des Cuk-Konverters und dessen Anwendung als PFC. |
| 2. | Modellierung des idealen Stromrichters mit Matlab/Simulink. |
| 3. | Herleitung eines linearen Modells (Zustandsvariablendarstellung oder Übertragungsfunktion), das zur Dimensionierung des Stromreglers herangezogen werden kann. |
| 4. | Parallel dazu soll der Stromregler aufgebaut und zunächst mit den Reglerparametern aus der Semesterarbeit in Betrieb genommen werden. Bei der Dimensionierung ist darauf zu achten, dass der Aussteuerungsbereich der eingesetzten Bauteile möglichst gut ausgenutzt wird. |
| 5. | Optimierung des Reglers anhand des Modells aus 3., Implementation des Resultates der Optimierung im Hardwareaufbau und der Simulation. |
| 6. | Realisierung der übergeordneten Regelung für die Ausgangsspannung. |
| Zusammenfassung |
In der Arbeit ist eine Möglichkeit der Leistungsfaktorkorrektur
(PFC) für die Umrichtung von Wechselspannung in Gleichspannung umgesetzt
worden. Diese wird mit einem geregelten Cuk-Konverter, der eine Kombination
aus einem Hoch- (Boost) und einem Tief- (Buck) Setzsteller ist, realisiert.
Zwei Schwerpunkte werden gesetzt. Zum einen wird die Topologie des Cuk-Konverters,
die stark nichtlinear ist, untersucht (Ersatzschaltbild).
Verschiedene Modelle und Ansätze einer formalen Beschreibung des Konverters
werden betrachtet und diskutiert. In der Folge entsteht ein umfassendes Simulationsmodell.
Das Modell besteht im wesentlichen aus zwei Differentialgleichungssystemen,
welche die zwei Zustände - ein, aus - des schaltenden Konverters beschreiben
(Simulinkmodell, Simulinkmodell
mit Stromregler und überlagertem Spannungsregler).
Parallel dazu entwickeln und bauen wir für einen Cuk-Konverter aus dem
Kleinleistungsbereich (24W) die analoge Regelung für die Führung des
Stroms, welche die Leistungsfaktorkorrektur ermöglicht. Ein überlagerter
Spannungsregler erlaubt schliesslich die Vorgabe der Gleichspannung.
Die praktischen und theoretischen Teile sind eng miteinander verbunden, so fliessen
Ergebnisse und Erfahrungen aus der Simulation in den Regleraufbau ein. Umgekehrt
dienen umfangreiche Messungen - Kennlinien, Frequenzgänge, Sprungantworten
- dem Modell, indem dieses verifiziert und verfeinert werden kann (Simulierte
und gemessene Ausgangsspannung bei eingesetztem Stromregler bei Lastsprüngen).
Die Arbeit zeigt, dass mit dem Cuk-Konverter ein Leistungsfaktor von über
0.99 möglich ist. Die Stromregelung kann mit einem PI-Regler realisiert
werden. Frequenzgänge - simulierte und gemessene - stimmen von ihrer Struktur
her sehr gut überein. Allerdings weicht die Lage der Pole aus Simulation
und Messung etwas voneinander ab (Frequenzgang der Übertragungsfunktion
Eingangsstrom zu Duty-Cycle), was nicht allein durch die Toleranzen der Bauteile
zu erklären ist. Trotzdem lässt sich mit Hilfe des rechnerisch ermittelten
Frequenzganges eine Reglerdimensionierung vornehmen, die an der realen Strecke
mittels empirischem Vorgehen noch optimiert werden kann. Die Übertragungsfunktion
Ausgangsspannung zu Eingangstrom ist ebenfalls nichtlinear. Auch hier führt
ein einfacher PI-Regler zum Ziel, ohne dass eine exakte Linearisierung oder
eine adaptive Regelung nötig wäre.
Abschliessend kann gesagt werden, dass unser Cuk-Konverter, ungeachtet der starken
inhärenten Nichtlinearitäten, einfach regelbar ist und gleichzeitig
optimales Regelverhalten mit einem sehr guten Leistungsfaktor zeigt (Geregelte
Ausgangsspannung bei Lastsprüngen).
Weiterführende Aufgaben könnten zum Ziel haben unseren Vorschlag für
die Dimensionierung von Strom- und Spannungsregler anhand von weiteren Cuk-Konvertern
zu überprüfen. Ferner verdient die Abweichung der Pollagen zwischen
Simulation und Messung weitere Analysen.