In dieser Analyse werden Netzströme in den Schaltknoten (Punkt-B) geregelt und ein typisches Profil der geregelten Ströme ist dargestellt in Abbildung 2-4. Abbildung 2-4 zeigt, dass die drei Ströme und die drei Spannungen phasenverschoben sind, sodass eine aktive Leistungsumwandlung vom Gleichstrom zum Wechselstromnetz (11 kW zum Netz) möglich ist. Der vergrößerte Teil in Abbildung 2-5 zeigt, dass der Strom im Schaltknotenpunkt aus einer Grundkomponente bei 50 Hz und einer wichtigen Stromwelligkeitsamplitude besteht, die durch das Schalten eines 2-stufigen Wandlers verursacht wird.

Abbildung 2-4 Netzspannungen und -Ströme eines AC/DC-Wandlers, der bei einer Nennlast von 11 kW arbeitet

Abbildung 2-5 ist eine vergrößerte Ansicht von Abbildung 2-4, in der der Gleichrichterstrom plus der durchschnittliche Strom mit einer Grundharmonie von 50 Hz angezeigt werden.

Abbildung 2-5 Vergrößerte Portion bei t = 0s (Spanne 100 μs)

Die Leistungsumwandlung zwischen Wechselstrom und Gleichstrom wird durch die bei der Netzfrequenz geregelten Ströme erreicht. Daher muss die Messung der fundamentalen Oberschwingung des Stroms (z. B. I_L1_B_AVG) mit der richtigen Amplitude durchgeführt werden, und es muss keine wichtige Phasenverzögerung an die MCU übermittelt werden. Die 50 Hz- oder 60 Hz-Komponente kann mittels Abtasttechnik wie synchrone Abtastung, Durchschnittssteuerung usw. abgeleitet werden. Durch die Übernahme dieser Techniken wird keine wichtige Phasenverzögerung in der digitalen Regelschleife eingeführt, was eine schnellere Reaktion der Schleife ¹² ermöglicht. Im Gegensatz dazu können Stromsensoren nicht als ideale Wahl angesehen werden, da Stromsensoren über eine Bandbreitenbegrenzung verfügen. Die Stromsensoren können zu wichtigen Phasen-Verzögerungs- und Amplitudenfehlern an den MCU-Anschlüssen führen. Dieser Fehler kann sich in einem Fehler der ausgetauschten Wirk- und Blindleistungen widerspiegeln und ausgedrückt werden wie in Gleichung 8.

Wo

• φ die Phasenverzögerung zwischen dem gemessenen Strom und dem tatsächlichen Strom ist
• f_e die elektrische Frequenz des gemessenen Signals ist, die für diese Anwendung 50 Hz oder 60 Hz beträgt
• τ die konstante Zeit des Tiefpassfilterverhaltens ist, das von der Messkette dargestellt wird

Durch die Verwendung von Gleichung 8, bei einer Grenzfrequenz, die mehr als hundertmal so hoch ist wie die Netzfrequenz (6 kHz bei einem Netz mit 60 Hz), kann eine Phasenwinkel-Verzögerung von weniger als 0,6 Grad erreicht werden. Diese Phasenverschiebung führt zu 50 Hz oder 60 Hz zu einem vernachlässigbaren Fehler der Wirkleistung und der Blindleistung. Das Bauteil, zu dem die Leistungsumwandlung stattfindet, eine Bandbreite von 6 kHz, ist zur Regelung von Netzströmen mehr als ausreichend.

Im Allgemeinen sind nicht nur 50 Hz oder 60 Hz zu regeln, sondern es gibt auch höhere Frequenzkomponenten in den Netzströmen, die durch die Totzeit in der Leistungsstufe eingeführt werden, was zu einem erheblichen Anstieg des Klirrfaktor führt. Die Hochfrequenzkomponente muss bei der Messung erfasst werden, damit die MCU sie korrigieren kann, sodass ein Software-Abbruch möglich ist. Eine Erhöhung der Totzeit führt zu größeren Verzerrungen, insbesondere am Nulldurchgang des Stroms (bei 11 ms), wie dargestellt in Abbildung 2-6. In dieser Abbildung werden Stromwellenformen an Punkt A angezeigt, die von einem bei 11 kW arbeitenden AC/DC-Wandler abgeführt werden, wenn die Totzeit des Reglers geändert wird. Die obere Grafik zeigt die Stromwellenform mit 250 ns-Totzeit, die untere Grafik mit 1,5 μs-Totzeit.

Abbildung 2-6 Strom, der vom PCC abgenommen wird, wenn eine Totzeit von 250 ns und 1.5 μs implementiert wird (50 Hz-Betrieb)

Eine übermäßige Totzeit kann zu einem erheblichen Klirrfaktor führen, der die in den Standards festgelegten Grenzwerte überschreitet. Zur Einhaltung der Normen ist entweder ein großer Ausgangsfilter erforderlich oder es muss eine angemessene Softwarekontrolle bereitgestellt werden. Um diese Störung zu kompensieren, wurden mehrere Steuerungstechniken entwickelt; allerdings benötigen alle diese Optionen eine ausreichende Bandbreite des Stromsensors. Zur Bestimmung der minimalen Bandbreitenanforderungen wird eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) der Stromwellenform durchgeführt, um den Frequenzinhalt der Störung zu analysieren.

Abbildung 2-7 zeigt die Ergebnisse der FFTs der Ströme im PCC, wenn das Netz volle Leistung benötigt.

Abbildung 2-7 FFT der in Abbildung 2-6 dargestellten Ströme plus vergrößerter Teil (50 Hz)

Die wichtigsten zu kompensierenden Frequenzen Abbildung 2-7 sind die 5., 13.^.und 17. Oberschwingung, was zu 250 Hz, 650 Hz und 850 Hz führt, wenn das Netz bei 50 Hz arbeitet. Entsprechend lauten die Frequenzen bei einem Netzbetrieb mit 60 Hz 300 Hz, 780 Hz und 1020 Hz. Durch die Anwendung von Gleichung 8 auf die neuen Frequenzen muss eine Mindestbandbreite von 102 kHz ab der Strommessstufe bereitgestellt werden, um eine ordnungsgemäße Kompensation der Oberschwingungen sicherzustellen.

Aus der Analyse des stationären Zustands lässt sich schließen, dass eine Mindestbandbreite von 102 kHz bei einem 60 Hz-Netz erforderlich ist, um die harmonische Gesamtverzerrung der Ströme zu verbessern, wenn in der PFC-Stufe eine wichtige Totzeit vorhanden ist. Wenn das Netz mit 50 Hz betrieben wird, kann die Mindestbandbreite auf 95 kHz herunterskaliert werden. Die Bandbreite des Stromsensors ist entweder an Punkt A oder B erforderlich, je nachdem, wo die Ströme geregelt werden, da der durch die Totzeit erzeugte Oberschwingungsgehalt in beiden Messpunkten gleich ist. Der Grund dafür ist, dass das EMI-Filter (siehe Abbildung 2-1) für einen viel höheren Frequenzgehalt optimiert ist, sodass bei niedrigen Frequenzen keine wesentliche Minderung erreicht werden kann.