Entwurf von Reglern und Steuerungslogiken für elektronische Umrichter

Blindleistungskompensation

Entwurf, Optimierung und Verifikation von Algorithmen zur Blindleistungskompensation mithilfe von Simulationen

Die Blindleistung einer Wechselstromschaltung ist das Verhältnis der momentanen Wirkleistung, die von einer elektrischen Last verbraucht wird, zur Scheinleistung, die durch die Schaltung läuft. Sie ist ein Maß dafür, wie effektiv Energie übertragen und genutzt wird, wenn Lasten an ein Stromnetz angeschlossen sind.

\[Blindleistung = \frac{Wirkleistung \; (kW)}{Scheinleistung \; (kVA)}\]

In einer rein linearen Schaltung gilt:

\[Blindleistung = cosθ\]

wobei \(θ\) der Winkel zwischen der Wirkleistung und der Scheinleistung im folgenden Vektorleistungsdreieck ist.

Vektorleistungsdreieck.

Eine Blindleistung näher an 1 bedeutet eine maximale Ausnutzung des aus dem Netz aufgenommenen Stroms. Eine niedrige Blindleistung weist auf induktive oder kapazitive Elemente in der Schaltung hin, die bewirken, dass der aufgenommene Strom der Spannung nach- bzw. voreilt, was die für die Last verfügbare momentane Wirkleistung verringert und unnötige Stromkapazität an den Kabeln verbraucht.

Durchschnittliches Leistungsprofil für vor- und nacheilende Blindleistungen.

Bei nichtlinearen Schaltungen wird die Blindleistung durch eine zusätzliche Verzerrungskomponente beeinflusst, die sich aus den Oberwellen (dem Klirrfaktor) im Netzstrom ergibt.

\[Blindleistung = cosθ * \frac{1} {\sqrt {1 + Klirrfaktor^2}}\]

Beispielsweise werden Lasten wie Schaltnetzteile aufgrund ihrer Vorteile in Bezug auf Größe, Kosten und Effizienz häufig eingesetzt. Ein Nachteil eines Schaltnetzteils ohne Blindleistungskompensation ist jedoch, dass es diese Oberwellen durch das Schalten von Halbleitergeräten wie MOSFETs in den Laststrom einbringt. Dies erhöht den Klirrfaktor des Laststroms und verringert damit die Stromqualität.

Ingenieure verwenden verschiedene Techniken, um die Stromqualität für solche elektrischen Anlagen zu verbessern. Die Verbesserung der Blindleistung für lineare Lasten kann durch eine Blindleistungskompensation der vor- oder nacheilenden VARs erreicht werden. Nichtlineare Lasten, die Oberwellen erzeugen, erfordern jedoch Blindleistungskompensations-Techniken wie abgestimmte oder aktive Oberschwingungsfilter, die diese Oberwellen verringern und die Stromqualität verbessern. Solche Blindleistungskompensations-Techniken basieren auf der Verwendung von Leistungselektronik, die über analoge oder digitale Steuerungen gesteuert wird.

Wenn Sie eine digitale Steuerung für die Blindleistungskompensation mit Simulink® entwerfen, können Sie die Multiraten-Simulation zum Entwurf und zur Abstimmung digitaler Steuerungsalgorithmen nutzen. So können Sie die Eingangsstrom-Wellenformen genau anpassen, was Verluste gering hält und gleichzeitig die Stromqualität auf einen gewünschten Wert verbessert. Mit diesem Ansatz können Sie außerdem Steuerungen bei unterschiedlichen Lasten und Eingangsspannungen testen und verifizieren, bevor Sie die Steuerungsalgorithmen auf Hardware einsetzen.

Simulink-Modell einer digital gesteuerten Aufwärts-Blindleistungskompensation.

Oberwellen im Netzstrom (blau) und nach der Blindleistungskompensation (gelb).

Mit Simulink haben Sie folgende Möglichkeiten:

  • Erstellung genauer Simulationsmodelle von Schaltnetzteilen, Wechselstrommotoren und anderen Lasten in den Verteilersystemen
  • Durchführung einer Oberschwingungsanalyse zur Bestimmung des Klirrfaktors in der Schaltung
  • Bemessung passiver Komponenten für Stromrichter zur Sicherstellung der gewünschten Signaleigenschaften, wie z. B. Welligkeit der Ausgangsspannung
  • Entwurf digitaler Steuerungen für diese Stromrichter unter Verwendung von AC-Frequenzgängen und automatisierter PID-Abstimmung
  • Automatische Generierung von ANSI-, ISO- oder prozessoroptimiertem C-Code und HDL-Code für das Rapid Prototyping der Steuerungen und ihre Implementierung in der Produktion

10 Möglichkeiten zur Beschleunigung des Stromumwandlungs-Steuerdesigns mit Simulink

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