Digitale Regelung einer unterbrechungsfreien
Stromversorgung (USV) in einem ASIC


Systeme zur Unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) sind bei allen Anwendungen erforderlich, bei denen elektronische Systeme auch bei Stromausfällen zuverlässig weiterarbeiten müssen (d. h. in Rechenzentren, Krankenhauseinrichtungen, Kommunikationssystemen usw.). Viele Großrechner werden durch USV-Systeme gespeist.

USV-Systeme bestehen üblicherweise aus einem Synchrongenerator, einem Schwungrad zur kurzzeitigen Energiespeicherung und einem batteriebetriebenen Motor oder einer Dieselmaschine.

Der Fortschritt auf dem Gebiet der Leistungselektronik ermöglicht die Herstellung von statischen Leistungsumrichtern, insbesondere für Ausgangsleistungen im mittleren Leistungsbereich (d. h. 5 - 50 kVA). Die Nachfrage nach USV-Systemen mit verzerrungsarmen Ausgangsspannungen beziehungsweise sinusförmigen Eingangsspannungen hat in letzter Zeit ständig zugenommen. Sogar für nichtlineare Lasten, bei denen Ausgangsströme mit hohem Oberwellengehalt entstehen, wird eine sinusförmige Ausgangsspannung gefordert. Aus diesem Grund kann selbst bei unsymmetrischen Lasten ein statischer Umrichter besser sein als ein rotierender Umrichter.

Vor diesem Hintergrund beauftragte die Anton Piller GmbH & Co. KG 1987 die IAM GmbH, eine digitale Hochleistungssteuerung zu entwickeln und diese in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC = application specific integrated circuit) zu realisieren.

Systemhardware des statischen USV-Systems

Ein statisches USV-System besteht aus einem Gleichrichter mit einem ein- oder dreiphasigen Netzanschluss, einem Zwischenkreis mit einer Batterie als Energiespeicher und einem ein- oder dreiphasigen Umrichter. Der Bypass dient als Stromversorgungsverbindung bei Systemausfällen oder in Überlastungssituationen (Bild 1).


Bild 1: Statisches USV-System APOSTAT

Der Gleichrichter und der Wechselrichter sind mit schnellen Leistungsmodulen (MOSFET oder IGBT) ausgerüstet, die mit Frequenzen von 10 - 20 kHz geschaltet werden können. Das USV-System wird vollständig digital geregelt. Alle schnellen Regelkreise sind in dem ASIC implementiert, während die zeitunkritischen Regelungen und Überwachungen in einem Mikrocontroller gerechnet werden.

Netzgleichrichter

Ein einfacher Diodengleichrichter führt zu Netzströmen mit unbefriedigendem Oberwellengehalt. Derzeit arbeiten Energieversorgungsunternehmen an Vorschriften hinsichtlich der zulässigen Verzerrungen durch Stromversorgungseinrichtungen. Deshalb wurde für das USV-System ein gesteuerter Gleichrichter ausgewählt, der dem Netz stets sinusförmige Lastströme entnimmt.

Bei dem Netzgleichrichter handelt es sich um einen dreiphasigen Vierquadrant-Umrichter, der mit schnell schaltenden Leistungstransistoren arbeitet. Für Einquadrant- oder Einphasenanwendungen können modifizierte Schaltkreise gewählt werden. Bei der hier vorgestellten Konfiguration ist die Zwischenkreisspannung höher als die normal gleichgerichtete Netzspannung. Der Wechselrichter arbeitet als dreiphasiger Hochsetzsteller. Für reduzierte Zwischenkreisspannungen kann zusätzlich ein Spartransformator verwendet werden.

Der Regelkreis ist in
Bild 2 dargestellt. Regelgrößen sind die Zwischenkreisspannung und die Phasenströme. Für die Stromregelkreise werden PI-Algorithmen verwendet. Der Stromsollwert ergibt sich aus einer von dem Zwischenkreisspannungsregler berechneten Amplitude, die mit einem synchron zum Netzphasenwinkel laufenden Sinus multipliziert wird.

Für die Erzeugung der netzsynchronen Sinuswerte wurde ein PLL-Algorithmus implementiert. Bei der Regelung der Zwischenkreisspannung gibt es zwei miteinander konkurrierende Aufgaben: Zum einen muß die Zwischenkreisspannung stabil gehalten werden und zum anderen sollen dem Netz nur sinusförmige Ströme entnommen werden. Besonders bei einphasigen Anwendungen und bei unsymmetrischer Wechselrichterbelastung muss sich die Zwischenkreisspannung ändern dürfen, damit im Kondensator des Zwischenkreises Energie zwischengespeichert werden kann. Aus diesem Grund besteht die Zwischenkreisregelung aus zwei unabhängigen Regelkreisen. Einerseits gibt es einen schnellen PI-Regler, der sich normalerweise an seiner oberen Begrenzung befindet und dafür sorgt, dass keine Überspannung entsteht. Zusätzlich gibt es eine langsamere Regelung, die über eine Kombination aus Batteriestromregler und Batteriespannungsregler realisiert wird und für einen gut gefilterten, d. h. stabilen, Verlauf der Zwischenkreisspannung sorgt.


Bild 2: Regelkreis des Netzgleichrichters

Wechselrichter

Da Ausgangslasten nicht immer symmetrisch sind, enthält jeder Wechselrichter vier Leistungsschalter, die zu einem, den Ausgangstransformator speisenden, Vierquadrant-Umrichter verschaltet werden. Die Ausgangsspannung wird durch die Streuinduktivität und die Ausgangskapazität des Spezial-Tansformators gefiltert.

Bild 3 zeigt den Regelkreis des Wechselrichters. Regelgröße ist die Ausgangsspannung. Zum Schutz der Leistungsbaugruppen wurde ein unterlagerter Stromregelkreis implementiert. Der Ausgangsspannungswert wird durch Pulsweitenmodulation (PWM) in Schaltsignale umgewandelt.

PI-Regler für Wechselstromgrößen weisen gewöhnlich Phasen- und Amplitudenfehler auf, die nicht zulässig sind. Auf der anderen Seite jedoch liefern PI-Regler in allen Betriebsarten ein vorhersagbares Verhalten. Um das Risiko ungewünschter Effekte gering zu halten, werden Vorsteuerungen von den Spannungssoll- und -istwerten zur Unterstützung der Stromregelung verwendet. Der Ausgangswert des Stromreglers wird mit dem Kehrwert der Zwischenkreisspannung multipliziert, um zu verhindern, dass die sich ändernde Zwischenkreisspannung die Verstärkung der Stromregler beeinflusst.

Der Spannungsregler liefert den Sollwert für den Stromregler. Zur Bewältigung von Sättigungsproblemen des Ausgangstransformators wurde ein modifizierter PI-Regler implementiert. Die Stellgröße des Spannungsreglers wird auf den maximal zulässigen Strom des Gerätes begrenzt.


Bild 3: Regelkreis des USV-Wechselrichters

Ein Sinusgenerator, der mit programmierbarer Frequenz und Amplitude läuft, erzeugt den Sollwert für die Ausgangsspannung. Ein zusätzlicher Spannungsregler überwacht den Effektivwert der Ausgangsspannung indem er einmal je Ausgangsspannungsperiode die Spannungsamplitude berechnet.

Universeller Regelungsaufbau

Um Stabilität, einfache Parametereinstellung und zusätzliche Überwachungsfunktionen realisieren zu können, entschied man sich, ausschließlich digitale Regler zu verwenden. Einige Regler müssen sehr schnell sein, um ein optimales Antwortverhalten zu erzielen (Stromregelung, Ausgangsspannungsregelung). Zur Implementierung dieser Algorithmen stehen schnelle Signalprozessoren und anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) zur Verfügung. Signalprozessoren enthalten keine Wechselrichter-spezifischen peripheren Schnittstellen, wie z.B. Pulsweitenmodulation, Phasenmessung etc.. In Bezug auf diese Funktionen erwies sich ein ASIC als die Lösung mit dem besten Preis-Leistungs-Verhältnis. Signalprozessoren sind optimal geeignet für digitale Filterfunktionen, nicht aber für Regelungsalgorithmen. Durch die Integration der Regelungsalgorithmen in den ASIC konnten die Berechnungszeiten der Regler minimiert werden, da die Entwicklung einer optimal anwendungsspezifischen Prozessorstruktur möglich war.

Der ASIC, der sowohl periphere als auch signalverarbeitende Funktionen enthält, bietet eine sehr kostengünstige Lösung für dieses USV-System. Der Nachteil von nicht veränderbaren Hardware-Algorithmen bei einem ASIC wird durch die eindeutige Spezifikation des USV-Systems und durch die universelle Regelungsstruktur mit zahlreichen Schaltern und einstellbaren Parametern ausgeglichen.

Alle inneren Strom- und Spannungsregelkreise arbeiten mit einer Abtastfrequenz, die gleich der Schaltfrequenz der Leistungsteile (10 oder 20 kHz) ist.

Der Wechselrichter und der geregelte Gleichrichter sind gleich in Bezug auf die Schaltungsanordnung, die Pulsweitenmodulation, die Stromregelung, die Sinuserzeugung und die Zwischenkreisspannungs-Messung bzw. -Adaption. Zu der vollständigen USV-Familie gehören sowohl einphasige als auch dreiphasige Systeme. Die Integration aller Funktionen für den dreiphasigen Gleichrichter und Wechselrichter parallel in nur einem ASIC hätte zu einer Überdimensionierung für die zahlreichen einphasigen Anwendungen geführt und die Wirtschaftlichkeit des ASICs für diese Applikationen in Frage gestellt. Deshalb entschied man sich, die Algorithmen eines dreiphasigen Wechselrichters zu integrieren. Der ASIC kann dann sowohl für den dreiphasigen Wechselrichter, den dreiphasigen Gleichrichter als auch für einen einphasigen Gleichrichter und einphasigen Wechselrichter verwendet werden.


Bild 4: Blockdiagramm der universellen Regelung im ASIC

Bild 4 zeigt das Blockdiagramm der universell gehaltenen Regelung des ASICs. Sie enthält insgesamt sieben PI-Regler. Die Pulsweitenmodulation erzeugt die Signale für sechs Umrichterhalbbrücken. Dies ermöglicht den Einsatz von drei unabhängigen einphasigen Vierquadrant-Wechselrichtern als dreiphasigen Wechselrichter. Die Stromregler arbeiten in zwei Modi: Für den Wechselrichter werden drei Stromregler zur unabhängigen Regelung der drei Phasen verwendet. Für den Gleichrichter werden nur zwei Regler verwendet, die dritte Phase wird aus den beiden anderen Ausgangsspannungen berechnet. Die Spannungsregler werden nur für den Wechselrichterbetrieb verwendet. Sie können im Gleichrichterbetrieb umgangen werden.

Es wurden noch einige zusätzliche Schaltungen in den ASIC integriert: die Messung der Phasendifferenz für die PLL-Regelung der Ausgangsfrequenz , wobei eine Nulldurchgangserkennung integriert wurde. Um den Mikrocontroller bei der Berechnung der Effektivwerte von Ausgangsspannung und -strom zu unterstützen, werden während einer Periode der sinusförmigen Ausgangsspannung die Quadrate der gemessenen Werte berechnet und integriert.

Alle im ASIC ausgeführten Berechnungen werden zyklisch wiederholt. Die Frequenz ist gleich der Schaltfrequenz der Umrichterhalbbrücken und beträgt in der Regel 20 kHz. Bei Zyklusbeginn wird die Analog-Digital-Umsetzung gestartet. Der ASIC berechnet die Sollwerte und den Zwischenkreisspannungsregler. Nach maximal 15 µs ist die Analog-Digital-Umsetzung abgeschlossen und es beginnt die Berechnung der übrigen Regler, die dann innerhalb von 10 µs für alle sechs PI-Algorithmen erfolgt. Neue PWM-Werte werden zur Halbzeit des Schaltzyklus an den Modulator übertragen. In der noch verbleibenden 2. Zyklushälfte berechnet der ASIC dann die Summen der Quadrate aus den gemessenen Spannungs- und Stromwerten.

Gemessene Leistungsergebnisse des USV-Systems

Das ASIC zur Wechselrichtersteuerung wurde erstmals als Bestandteil der Steuerkarte bei der APOSTAT-Reihe von statischen USV-Systemen eingesetzt. Zu dieser Produktreihe gehören einphasige Einheiten mit sinusförmigen Lastströmen (6,6 kVA und 10 kVA) und dreiphasige Einheiten (10 kVA und 20 kVA).


Bild 5: USV-System APOSTAT: 100% Lastsprung; 6,6 kVA/1~Einheit und 20 kVA/3~Einheit

Die hohe Abtastfrequenz des Steuerungsalgorithmus sorgt für ein hervorragendes dynamisches Verhalten des USV-Systems. Dies ist wichtig bei Lastsprüngen (Bild 5) und bei nichtlinearen Belastungen (Bild 6). Der Wechselrichter und der Ausgangsfilter liefern hohe Spitzenströme (Scheitelwert 3). Nichtlineare Verzerrungen der Ausgangsspannung liegen bei linearen Lasten im Bereich von 1% bis 2% und bei nichtlinearen Lasten bei 5%.

Die Verwendung eines geregelten Hochsetzstellers sorgt für rein sinusförmige Lastströme der steuerbaren einphasigen Gleichrichter. Die ausgangsseitigen nichtlinearen Lasten werden dadurch netzseitig in lineare ohmsche Lasten umgewandelt
(Bild 6).


Bild 6: USV-System APOSTAT 6,6 kVA/50Hz (einphasig) mit sinusförmiger
Laststromaufnahme und einer nichtlinearen ohmschen Mischlast

Der Ausgangstransformator der dreiphasigen System besteht aus drei getrennt steuerbaren einphasigen Transformatoren. Auf diese Weise wird verhindert, dass sich Spannungsverzerrungen, die in einer Phase durch die Last (zum Beispiel Kurzschluss) hervorgerufen werden, negativ auf die anderen Phasen auswirken. Bild 7 zeigt einen Umrichter, der in der Lage ist, einen Kurzschluss durch Auslösen der Sicherung zu beheben ohne dafür in den Bypass-Betrieb überzugehen. Während dieses Vorgangs beträgt der für den Umrichter verfügbare maximale Spitzenstromwert 300% des Effektivnennwertes. Falls die Ausgangsspannung länger als 4 ms den zulässigen Spannungsbereich überschreitet, schaltet das System automatisch in den Bypass-Betrieb.


Bild 7: APOSTAT 20 kVA/3~: Einphasen-Lastkurzschluss (Sicherung 4 A) bei 100% Nennlast
ohne Übergang in den Bypass-Betrieb

Der Umrichter ist auch für kurzzeitige Überlastungen (20%/100 ms, 1500%/5 sec, 120%/1min) ausgelegt. Falls die Last die Strom- oder Zeitgrenzwerte überschreitet, dann werden die Ausgangsströme und -spannungen mit Hilfe eines Stromreglers reduziert. Bild 8 zeigt den Fall, in dem der Bypass- Betrieb aktiviert wird, um die Ausgangsleistung zur Verfügung zu stellen.


Bild 8: APOSTAT 20kVA/3~ Lastsprung von 100% auf 200% mit anschließendem Übergang
(nach ca. 100 ms) in den Bypass-Betrieb


Zusammenfassung

Um ein USV-System vollständig digital steuern zu können, wurde ein ASIC zur Berechnung der Regler für die schnellen Strom- und Spannungsregelkreise entwickelt. Durch die Verwendung des ASIC wird ein hervorragendes dynamisches Verhalten des USV-Systems erzielt (schnelle Sprungantwort, geringe nichtlineare Verzerrungen auch bei nichtlinearen Lasten). Die anwendungsspezifische Integration peripherer Funktionen und Regelungsalgorithmen hat sich als äußerst effiziente Möglichkeit zur Realisierung einer digitalen Umrichterregelung erwiesen.

Eine ausführlichere Beschreibung dieser Arbeit ist in der folgenden, in Zusammenarbeit mit der Anton Piller GmbH & Co. KG entstandenen Veröffentlichung enthalten:

Kiel, E.; Schumacher, W.; Ehrenberg, J.; Letas, H.-H.; Schrader-Hausmann, U.:
High Performance Digital Control of Uninterruptable Power Supply (UPS) using an Application Specific Integrated Circuit (ASIC).
Tagungsband EPE-Konferenz, Florenz 1991