Evaluierung und Optimierung aktiver dreiphasiger Gleichrichtersysteme

Dreiphasige Gleichrichtersysteme sind zur Umwandlung von elektrischen Wechsel- in Gleichgrößen von essentieller Bedeutung. Grob können diese Schaltungen in aktive und passive Systeme unterteilt werden. Erstere bilden durch die aktive Steuerung von elektronischen Schaltern einen sinusförmigen Netzstrom nach, wodurch sich Größen wie der Leistungsfaktor bzw. die Netzstromverzerrung im Vergleich zu Letzteren erheblich verbessern. In Bezug auf die erzeugte Ausgangsgleichspannung dieser Systeme kann zudem zwischen Hochsetz- und Tiefsetzsystemen unterschieden werden. Erstere bilden eine Ausgangsspannung, die größer ist als der Spitzenwert der verketteten Eingangswechselspannung, während Letztere eine geringere Spannung erzeugen. In dieser Arbeit werden drei unterschiedliche aktive Topologien, zwei Hochsetz- und ein Tiefsetzsystem anhand von erstellten zeittransienten Simulationsmodellen miteinander verglichen. Als Anwendungsfall dient die Versorgung einer magnetgelagerten Pumpe mit 25kW Nennleistung. Das Ausgangsspannungsniveau wird auf Basis der Ergebnisse dieser Arbeit auf entweder 400V oder 800V festgelegt. Die Implementierung aller relevanten Aspekte der untersuchten Systeme erfolgt in Matlab/Simulink.
Zur Abschätzung der Verluste in den Halbleiterelementen werden geeignete Verlustmodelle eingebunden. Da insbesondere die Berechnung Schaltverluste der Transistoren eine große Herausforderung darstellt, werden zwei verschiedene Methoden analysiert und miteinander verglichen. Als Referenz werden Ergebnisse von bereits bestehenden Berechnungstools sowie Messergebnisse eines vergleichbaren Systems herangezogen. Auf Basis der durchgeführten Simulationen erfolgt dann eine vergleichende Gegenüberstellung der untersuchten Topologien unter Berücksichtigung verschiedener Kriterien
wie die Netzstromverzerrung, die Verlustleistung, die Temperaturerhöhungen der
Halbleiter-Sperrschichten sowie der gesamten Halbleiter-Bauteilaufwand und einer Abschätzung des notwendigen Filteraufwandes bezüglich erzeugter leitungsgebundener Störungen. Auf Basis dieses Vergleiches zeichnet sich das Hochsetzsystem des Vienna Rectifier als geeignetste Topologie aus.
Abschließend wird für die ausgewählte Schaltung eine Multiparameter- und
Multikriterien-Optimierung bezüglich der verwendeten Halbleiter sowie der Bauteilwerte durchgeführt. Charakteristische Ergebnisse aus den berechneten Pareto-Fronten werden diskutiert und miteinander verglichen.