Untersuchung von hybriden Filtersystemen - Reduktion von Oberschwingungen in Spezialanwendungen der Leistungselektronik

Publication date
2017
Document type
PhD thesis (dissertation)
Author
Bergmann, Jörn
Advisor
Granting institution
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg
Exam date
2017-06-14
Organisational unit
DDC Class
620 Ingenieurwissenschaften
Keyword
Hybride Filter
Reduktion von Oberschwingungen
Aktive Filter
Abstract
In vielen leistungselektronischen Systemen spielt die spektrale Qualität von Spannungen und Strömen eine große Rolle. Nicht lineare Lasten beziehen teilweise fluktuierende bzw. stark oberschwingungsbelastete Ströme aus dem Energieversorgungsnetz. Als Beispiel können hier leistungselektronische Umrichter wie z.B. Wechselstromsteller oder netzgeführte Thyristorgleichrichter genannt werden. Die Oberschwingungen im Netzstrom verursachen einen Spannungsabfall an der Netzimpedanz, was zu Verzerrungen der Kurvenform der Netzspannung führt. Um dem entgegenzuwirken, existieren Normen und Richtlinien wie z.B. die DIN EN 61000-3-2:2010-03. Diese schreibt für die Amplituden der Oberschwingungen im Netzstrom in Abhängigkeit von der Frequenz Grenzwerte vor. In vielen Applikationen werden daher Maßnahmen ergriffen, um die erzeugten Oberschwingungen zu minimieren. Dazu gehören Schaltungen, die den Leistungsfaktor ? verbessern oder passive bzw. aktive Filter. Nicht nur im Versorgungsnetz, sondern auch in anderen Applikationen spielt die Spannungs- bzw. Stromqualität eine große Rolle. So erzeugen oberschwingsbehaftete Spannungen, die zur Steuerung von elektrischen Maschinen eingesetzt werden, zusätzliche Kupferverluste und minimieren den Wirkungsgrad. Nicht selten stören sie den sicheren Betrieb der Maschine [58]. Der Minimierung der Oberschwingungen dienen Filter oder moderne Multilevel-Wechselrichter mit PWM-Steuerung. Bei den oben genannten Applikationen liegt meistens die Grundschwingung bei ca. 50 Hz und die Oberschwingungen liegen im Bereich f ? 1 kHz. In Spezialapplikationen, wie sie in der Medizintechnik Anwendung nden, werden beispielsweise hohe Magnetfelder bei hohen Frequenzen ? 30 kHz im Rahmen der medizinischen Bildgebung benötigt. B. Gleich und J. Weizenecker stellten 2005 ein neues bildgebendes Verfahren vor, mit dem es möglich ist, drei dimensionale Echtzeitbilder von magnetischen Partikeln zu visualisieren [22]. Bei diesem Verfahren wird eben diese Kombination aus hochfrequenten Magnetfeldern mit hoher Energie benötigt. Spektrale Unreinheiten, herrührend von oberschwingungsbehafteten Spulenströmen, verzerren das Bild und erschweren somit die örtliche Auflösung der zu begutachtenden Abbildung. Durch die Kombination aus hoher Ausgangsfrequenz und Ausgangsleistung scheidet die Minimierung der Oberschwingungen mittels aktiver Filter aus, weil der getaktete Wechselrichter zu hohe Schaltverluste aufweisen würde. Passive Filter können aufgrund des Kupferaufwandes voluminös und teuer werden. Diese Arbeit stellt ein hybrides Filterkonzept zur Reduzierung der Ordnung von passiven Filterstrukturen vor, wodurch sowohl das Volumen als auch die Kosten verringert werden können. Dazu werden in Kapitel 2 die verschiedenen Möglichkeiten, die zur Reduktion der Oberschwingen genutzt werden können, detaillierter erläutert und das Operationsprinzip des hybriden aktiven Kompensationsverstärkers erarbeitet. Im Gegensatz zu anderen aktiven Filtern erzeugt ein Kompensationsverstärker direkt aus dem Störspektrum ein Kompensationssignal, welches sich mit den Oberschwingungen der Last überlagert und diese minimiert. In Kapitel 3 und 4 werden analoge und digitale Realisierungsmöglichkeiten des Kompensationsverstärkers vorgestellt und messtechnisch validiert. Anschließend wird die digitale Variante zu einem geregelten adaptiven System erweitert und anhand eines Prototyps der Funktionsnachweis erbracht.
Version
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