Gleitmodenregler für leistungselektronische Umrichter

In diesem Kapitel wird die kurze Geschichte der Gleitmodus-Regelungstechnik vorgestellt. Die Hauptbeiträge der Monografie werden skizziert. Auch die Struktur der Monografie wird präsentiert.

In diesem Kapitel wird der Hintergrund der Gleitmodusregelung bzw. der strukturvariablen Regelung zusammen mit der Literaturübersicht vorgestellt. Außerdem wird das Grundprinzip der Modellierung des DC/DC-Abwärtswandlers mit der Technik der Zustandsraummittelung diskutiert. Der Wandler wird mit einem Zustandsrückkopplungsregler geregelt. Die Wirksamkeit des Wandlers in einer geschlossenen Schleife wird untersucht.

In diesem Kapitel (ein Teil dieses Kapitels wurde in ISA Transactions, Elsevier, vol. 70, September 2017 veröffentlicht) wird die Gleitmodusregelung (SMC) mit einer proportional-integralen Gleitfunktion für den Abwärtswandler vorgeschlagen. Die Beweise für Stabilität und Null-Fehler im stationären Zustand werden vorgestellt. Die Simulations- und Experimentierergebnisse werden präsentiert. Es wird gezeigt, dass das vorgeschlagene SMC-Gesetz für den Abwärtswandler zu einer besseren stationären Antwort der Lastspannung als das herkömmliche SMC für eine gegebene Referenz führt. Die Wirksamkeit des vorgeschlagenen SMC-Gesetzes wird bei Laststörungen bewertet. Es wird gezeigt, dass das vorgeschlagene SMC-Gesetz Robustheit gegen Laststörungen bietet. Die Auswirkungen von Variationen in den Reglerparametern werden untersucht. Die Diskussion über Stabilität, Frequenzgrenzen des Schalters und die stationäre Leistung der Lastspannung wird vorgestellt. Darüber hinaus wird zur Erleichterung des Erreichens in endlicher Zeit das integrale SMC mit Erreichen in endlicher Zeit (ISMCFTR) vorgeschlagen. Mit ISMCFTR wird die Lastspannung gezwungen, innerhalb einer endlichen Zeit gleich der Referenzspannung zu sein. Die Richtlinien für die Einstellung der Parameter des ISMCFTR werden gegeben. Simulationsresultate demonstrieren die Wirksamkeit des Systems unter ISMCFTR.

In diesem Kapitel (ein Teil dieses Kapitels wurde in den Konferenzunterlagen der IEEE International Conference on Power Electronics Drives and Energy Systems im Dezember 2014 veröffentlicht) wird ein adaptiver Gleitmodusregler mit modifizierter Gleitfunktion für den DC/DC-Aufwärtswandler entwickelt. Die Modifikation in der Gleitfunktion überwindet nicht nur die Einschränkungen des herkömmlichen Gleitmodus, sondern verbessert auch die Leistung des Wandlers mit einem zusätzlichen Abstimmungsparameter. Die Reaktion der Lastspannung wird unter Laststörungsbedingungen schneller. Die Simulationsergebnisse zeigen die Wirksamkeit des vorgeschlagenen adaptiven Gleitmodusreglers für den DC/DC-Aufwärtswandler.

In Gleitmodus-Regler mit PI-Typ Gleitfunktion für Zeta-Wandler diesem Kapitel wird die Regelung des Zeta-Wandlers, der eine Art Aufwärts-Abwärts-Wandler mit nichtinvertierendem Ausgang ist, mit der vorgeschlagenen Gleitmodusregelung vorgestellt. Der Wandler ist ein komplexes nichtlineares (bilineares) System vierter Ordnung. Die Modellierung des Wandlers wird ebenfalls vorgestellt. Die Einschränkungen bei der Auswahl der Gleitfläche werden identifiziert. Die vorgeschlagene Gleitmodusregelung (SMC) wird auf den Zeta-Wandler angewendet, um den stationären Fehler in der Lastspannung für einen gegebenen Referenzwert zu reduzieren. Es wird gezeigt, dass die vorgeschlagene SMC einen erheblichen Beitrag zur Reduzierung des stationären Fehlers leistet.

In Anwendung des Gleitmodus-Reglers mit PI-Typ Gleitfunktion für Wechselrichter und Leistungsfaktorregler diesem Kapitel wird die Idee vorgeschlagen, einen Sinuswechselrichter mit Zeta-Wandler als Vorstufe zu entwerfen. Die Leistung wird mit dem vorgeschlagenen und konventionellen SMC-Gesetz bewertet. Die Ergebnisse sind zufriedenstellend, aber es besteht Verbesserungspotential. Die Leistung des Leistungsfaktorreglers mit Aufwärtswandler wird ebenfalls für PWM/PI-Regelung und für die vorgeschlagenen SMC-Gesetze bewertet. Die Ergebnisse des Vergleichs werden präsentiert. Es wird gezeigt, dass die vorgeschlagene PI-Funktions-basierte SMC besser als Leistungsfaktorregler funktioniert.

Dieses Kapitel präsentiert Design, Analyse und Implementierung eines Gleitmodusreglers zweiter Ordnung (SOSMC) für den DC/DC-Abwärtswandler. Zunächst wird ein Gleitmodusregler zweiter Ordnung mit Prescribed Convergence Law unter Verwendung des Abwärtswandler-Modells entworfen. Die Grenzen für die Parameteränderungen zur Gestaltung des SOSM werden ermittelt. Der SOSM-Regler wird mit dem digitalen Signalcontroller STM32F407VG basierend auf dem ARM Cortex M4 Controller implementiert. Eine vergleichende Studie der Leistung des Wandlers mit dem SOSMC und dem klassischen SMC wird vorgestellt. Die Auswirkungen von variierenden Reglerparametern und Laststörungen werden ebenfalls untersucht, um die robuste Leistung des Wandlers und die Wirksamkeit des Regelungsalgorithmus zu gewährleisten.

Die abschließenden Bemerkungen und der zukünftige Anwendungsbereich der vorgeschlagenen Regelungsstrategien für eine Vielzahl von Leistungselektronikumwandlern werden vorgestellt.