ENERGIETECHNISCHES PRAKTIKUM I

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1 ENERGIETECHNISCHES PRAKTIKUM I Veruch 9: Wechelrichter mit Puldauermodulation 1 EINLEITUNG PULSDAUERMODULATION BEI SPANNUNGSSTEUERUNG LITERATUR VERSUCHSDURCHFÜHRUNG Zeitunabhängige und dreieckförmige Steuerpannung Idealer Schalter Latverhalten Sinuförmige Puldauermodulation Tranitor- und Diodentröme Modulationgrad Grundfrequenztaktung Stromchwankung ÜBERSICHT ÜBER EINIGE PSPICE BEFEHLE Schematic Probe...13

2 1 Einleitung 2 4X][TXcd]V Wechelrichter dienen zur Umwandlung einer Gleichpannung in eine Wechelpannung. Sie werden eingeetzt, wenn zur Speiung eine Wecheltromverbraucher nur eine Gleichpannungquelle zur Verfügung teht, z. B. eine Batterie, oder wenn die Wechelpannung de Netze in eine Wechelpannung anderer Frequenz, Amplitude oder Phaenzahl umgerichtet werden oll. Der Wechelrichter muß dann mit einem Gleichrichter zuammengechaltet werden. Die Geamtchaltung bezeichnet man al Umrichter. Die gleichtromführende Verbindung von Gleich- und Wechelrichter nennt man Zwichenkrei. Im Zwichenkrei muß ein Filter für die Glättung der Gleichgrößen orgen. Bild 1 zeigt einen olchen Umrichter. Da Zwichenkreifilter beteht hier au einem Kondenator. Die Eingangpannung de Wechelrichter it eine weitgehend kontante Gleichpannung U dc. Er wird dehalb al pannungeinprägender Wechelrichter (oder U-Wechelrichter) bezeichnet. Bild 1.1: Drehtromantrieb mit pannungeinprägendem Umrichter In Bild 1.1 wird au der zweiphaigen Netzwechelpannung wieder eine dreiphaige Wechelpannung erzeugt. Da die Frequenz der erzeugten Wechelpannung frei eintellbar it, eignet ich dieer Umrichter zur Speiung drehzahlvertellbarer Drehtromantriebe. Hierbei it beonder die Verwendung der einfachen und robuten Aynchronmachine intereant, die damit antelle einer Gleichtrommachine in drehzahlvertellbaren Antrieben eingeetzt werden kann [1] Da die Aynchronmachine tet ein induktive Verhalten hat, it ie nicht in der Lage, die Führung de Wechelrichter zu übernehmen. Sie kann nicht wie eine übererregte Synchronmachine oder ein kapazitiv wirkende Netz die von einem lat- oder netzgeführten Stromrichter benötigte induktive Blindleitung zur Verfügung tellen. Der machineneitige Stromrichter in Bild 1.1 muß ein elbtgeführter Stromrichter ein, d. h. eine teuerbaren Ventile müen zünd- und löchbar ein. Hierfür kommen Tranitoren, IGBT, GTO- Thyritoren und Thyritoren (die nur zündbar ind) mit Löcheinrichtung in Frage. Die Drehzahl einer Aynchronmachine it im innvollen Betriebbereich näherungweie proportional zur Speiefrequenz geteilt durch die Polpaarzahl: N f / p.

3 1 Einleitung 3 Um im geamten Drehzahlbereich maximale Drehmoment zu ermöglichen, muß der Fluß in der Machine immer o groß wie möglich gehalten werden. Dazu it die Amplitude der peienden Wechelpannung im Grunddrehzahlbereich etwa proportional zur Speiefrequenz zu vertellen: Uˆ ~ f. Eine inuförmige Wechelpannung mit frei eintellbarer Amplitude kann der pannungeinprägende Wechelrichter natürlich nicht liefern. Da ich der Strom in der Aynchronmachine durch die Streuinduktivitäten bedingt aber nicht ehr chnell ändern kann, genügt e, der Machine durch chnelle Takten de Wechelrichter eine nur "im Mittel" inuförmige Spannung zur Verfügung zu tellen. Der Wechelrichter wird dann al Pulwechelrichter bezeichnet. Mit dem Verfahren der Puldauermodulation PDM (auch al Pulweitenmodulation (PWM) bezeichnet) gelingt e, eine in Frequenz und Amplitude eintellbare Grundchwingung zu erzeugen, mit der die Aynchronmachine im geamten Drehzahlbereich gepeit wird. Durch die Filterwirkung der Streureaktanzen in der Machine haben die Oberchwingungen nur geringen Einfluß. In dieem Veruch ollen da Prinzip der inuförmigen Puldauermodulation erklärt und ihre Realiierung und Eigenchaften unterucht werden. Der in Bild 1.1 gezeigte Pulwechelrichter wird o geteuert, daß jede Zuleitung zur Machine entweder mit dem poitiven oder dem negativen Pol de Zwichenkreie verbunden wird. Für die Unteruchung de Steuerverfahren kann der Wechelrichter in einem Eratzchaltbild Bild 1.2 durch ein Schaltermodell bechrieben werden, da au einem Umchalter für jede Leitung zur Machine beteht. Bild 1.2: Eratzchaltbild de Antriebe mit Aynchronmachine und pannungeinprägendem Wechelrichter Die Aynchronmachine wird durch Induktivitäten und Gegenpannungen eretzt. Die Wechelrichtereingangpannung U dc wird auf zwei kontante Gleichpannungquellen U q aufgeteilt. Für die Unteruchung de Prinzip der inuförmigen Puldauermodulation genügt die einphaige Betrachtung. Im Veruch wird ein Wechelrichterzweigpaar mit einer R-L-Lat unterucht Bild 1.3 Spannungen und Ströme de dreiphaigen Wechelrichter können durch Überlagerung der einphaigen Größen betimmt werden. Dabei it zu beachten, daß durch

4 1 Einleitung 4 drei teilbare Teilchwingungen der Spannung keine Ströme in der Machine zur Folge haben, wenn deren Sternpunkt nicht angechloen it. Bild 1.3: Einphaiger Wechelrichter Der Schalter S repräentiert ein Wechelrichterzweigpaar. Diee beteht au 2 abchaltbaren Halbleitern und 2 Rückarbeitdioden (iehe auch Bild 1.1). Je nach Stellung de Schalter it die Spannung an der Lat U = +U q oder U = -U q. Hierdurch wird der Strom I in der Lat auf- oder abgebaut (Bild 1.4). Bild 1.4: Dartellung der Schaltzutände de Wechelrichter a) I wächt b) I fällt Die Entcheidung, ob Schaltertellung a oder b vorliegen oll, wird durch eine Steuerung oder durch eine Regelung fetgelegt.

5 2 Puldauermodulation bei Spannungteuerung 5!?d[bSPdTa\^Sd[PcX^]QTXB_P]]d]VbbcTdTad]V Bei der ogenannten Spannungteuerung beteht die Aufgabe de Pulwechelrichter mit einer Steuerung darin, die kontante Eingangpannung o in bipolare Pule unterchiedlicher Dauer umzurichten, daß die Amplitude und die Frequenz der dabei auftretenden Spannunggrundchwingung beliebig vorzugebende Werte annehmen. Die zuätzlich auftretenden Oberchwingungen ollen hierbei auf die angechloene Lat eine geringe Wirkung auüben. Bezüglich de Strome wirkt ich beonder vorteilhaft au, daß die Lat im allgemeinen eine Induktivität enthält und daher wie ein Tiefpaßfilter wirkt. Bei gegebener Grundchwingung reduziert ich der törende Oberchwingungtrom mit der Anzahl der dauermodulierten Pule je Periode, da die am tärkten törenden Oberchwingungen Frequenzen haben, die ungefähr gleich der Schaltfrequenz de Schalter ind. Je größer der Abtand zwichen Grund- und Schaltfrequenz it, deto beer it die Filterwirkung der Lat. Um eine mögliche Erzeugung einer geeigneten Schaltfunktion (t) zu zeigen, it Bild 1.3 erweitert worden (Bild 2.1). Bild 2.1: Wechelrichter für Puldauermodulation mit Schaltfunktion (t) Die Schaltfunktion (t) wird bei dieer Steuerung, die Natural Sampling genannt wird, dadurch gebildet, daß eine Dreieckfunktion kontanter Amplitude D mit einer Sinufunktion ~ verglichen wird ( t) > ~ ( t) ( t) = 1 U = + U q, ( t) < ~ ( t) ( t) = 0 U = U q.

6 2 Puldauermodulation bei Spannungteuerung 6 Bild 2.2: Puldauermodulation nach dem Natural-Sampling Verfahren Modulationgrad m = 0,8; Taktzahl z T = 10 Die Sinufunktion wirkt dabei al Referenzignal für die Amplitude 1 Û und die Frequenz f = 1/T der gewünchten Grundchwingung am Wechelrichteraugang. Solange die Amplitude der Sinufunktion ~ die der Dreieckfunktion D nicht überchreitet, gilt Uˆ 1 = U / q ~. Hierbei wird da Verhältni der Signalamplituden al Modulationgrad m = ~ / D bezeichnet. Die Frequenz der Dreieckfunktion it gleich dem Mittelwert der Wechelrichterchaltfrequenz: f = f Sch. Da Verhältni der Schaltfrequenz zur Grundfrequenz wird al Taktzahl z T bezeichnet (z T = f Sch /f = f /f ~ ). Erhöht man die Amplitude der Sinufunktion auf Werte größer al die Amplitude der Dreieckfunktion, o wird der Modulationgrad m > 1; man pricht von Übermodulation. In dieem Bereich fallen Schnittpunkte der beiden Funktionen weg, d.h., e finden weniger Umchaltungen tatt und e verringert ich die Taktzahl (z T = f Sch /f < f /f ~ ). Im Grenzfall wird nur noch zweimal pro Periode umgechaltet. Man pricht dann von Grundfrequenztaktung. Die Spannungamplitude 1 Û erreicht hierbei ein Maximum und beträgt 1 Û = (4/p) U q (Bild 2.3).

7 2 Puldauermodulation bei Spannungteuerung 7 Bild 2.3 Spannung U an der Lat und ihre Grundchwingung bei Grundfrequenztaktung Die auf die Spannung U q bezogene Amplitude der Grundchwingung der Latpannung 1 Û al Funktion de Modulationgrade m it im Bild 2.4 für z T Š zu ehen. Im Modulationbereich m < 1 beteht ein linearer Zuammenhang zwichen der Grundchwingungamplitude und dem Modulationgrad. Im Bereich der Übermodulation verläuft die Spannungamplitude aymptotich gegen den Grenzwert, der bei Grundfrequenztaktung auftritt. Bild 2.4 Grundchwingung der Augangpannung al Funktion de Modulationgrade m (z T Š)

8 2 Puldauermodulation bei Spannungteuerung 8 Bei ehr kleinen Taktzahlen z T < 9, die hier nicht näher unterucht werden, kann eine von Bild 2.1 abweichende Pulbildung güntiger ein, da Schalt- und Grundfrequenz nahe beieinander liegen und dehalb die Filterwirkung der Lat nicht mehr ehr gut it. E werden in der Regel fete Pulmuter bzw. deren Schaltwinkel benutzt. Die Schaltmuter können dabei nach betimmten Kriterien optimiert werden. Man kann zum Beipiel die Umchaltwinkel o fetlegen, daß minimale Verlute durch die Oberchwingungen auftreten. Für die Spannungteuerung mit der PDM gibt e integrierte Schaltkreie (IC), die alle Schaltfunktionen der PDM für den Betrieb einer Aynchronmachine am Pulwechelrichter liefern [2]. Mit dieen IC kann eine Steuerung ehr leicht aufgebaut werden. Da die Grundchwingung der Spannung (, f ) 1 U ~ bei einer geteuerten PDM eindeutig fetgelegt ~ 1 ~ werden kann, läßt ich der Fluß, der der Beziehung Φ ~ U /f genügt, beliebig vorgeben. Man kann daher die Aynchronmachine ohne Rückführung am U-Wechelrichter betreiben. Ebeno it der Parallellauf mehrerer Machinen ohne weitere möglich.

9 3 Literatur 9 " ;XcTaPcda [1] H.-Ch. Skudelny, "Stand und Entwicklungtendenzen drehzahlgeregelter Drehtromantriebe", etz, Bd. 102 (1981), H. 22, S [2] H.W. Lütgen, "Frequenzumrichter mit inubewerteter Puldauermodulation für die Steuerung 3-phaiger Aynchronmachinen Hz", Feinwerktechnik & Meßtechnik 88 (1980) 4, S

10 4 Veruchdurchführung 10 # ETabdRWbSdaRWU Wad]V Der Veruch wird mit Hilfe von PSpice V8 imuliert. Mit dieem Simulationprogramm it e möglich da elektriche Verhalten von Schaltungen am Rechner zu imulieren. E beteht im weentlichen au zwei Programmteilen. Schematic dient zur Eingabe der zu unteruchenden Schaltung. Sie kann wie bei einem Layoutprogramm gezeichnet werden. Der Programmteil PSpice Probe dient zur Augabe und Dartellung aller Signale der Schaltung. Probe verhält ich ähnlich wie ein Speicherozillokop. E bietet eine flexible und überichtliche Dartellungmöglichkeit aller Spannungen und Ströme. Die Bedienung de Programm wird während de Veruchtermin erklärt. Eine Kurzübericht der Befehle befindet ich in Kapitel 5. # ITXcd]PQWx]VXVTd]SSaTXTRZbUˆa\XVTBcTdTab_P]]d]V Idealer Schalter Öffnen Sie PSpice V8 Schematic und laden Sie Veruch Schalter. Die Amplitude der Dreieckpannung it auf 10 V und ihre Frequenz auf 500 Hz eingetellt. Stellen Sie bei verchiedenen Werten der zeitunabhängigen Spannung (Vt-gleich), einzutellen unter Parameter: Ug, die Schaltfunktion hinter dem Komparator dar. Unteruchen Sie die Funktionweie der Schaltung! Latverhalten Laden Sie Veruch Latverhalten. Unteruchen Sie bei verchiedenen Werten der Lat (RLat und LLat), da Verhalten der Schaltung. Welche Werte für R und L ergeben einen Mittelwert de Strome von 10 A mit einer überlagerten Wecheltromamplitude von 1 A (Spitze-Spitze) bei einem Modulationgrad von m = 0,5 im eingechwungenen Zutand. R = L = #! BX]dbUˆa\XVT?d[bSPdTa\^Sd[PcX^] Tranitor- und Diodentröme Laden Sie Veruch Ströme. Stellen Sie die GTOtröme I(GTOS1) und I(GTSO2), und die Diodentröme I(DS1) und I(DS2), owie den Strom in der Lat dar. Unteruchen Sie durch welche Bauteile bei gegebenem Vorzeichen von Latpannung und -trom leiten und tragen Sie die Ergebnie in die Tabelle 4.1 ein. I Lat > 0 I Lat < 0 U Lat > 0 U Lat < 0 Tabelle 4.1: Leitzutände der Halbleiterchalter

11 4 Veruchdurchführung Modulationgrad Laden Sie den Veruch Modulation. Zu unteruchen it die Abhängigkeit der Grundchwingungamplitude Î 1 vom Modulationgrad für f = 10 Hz, f = 500 Hz und m = 0; 0,25; 0,5; 0,75; 1; 1,5; 2 und 3. Die Abhängigkeit it in der folgenden Tabelle und im Diagramm einzutragen. Erläutern Sie die Unterchiede zwichen dem Spitzenwert de kurzeitgemittelten Lattrom Î m (zu meen mit "Curor" in Probe) und der Grundchwingungamplitude Î 1 (zu finden im OUT-File in Schematic unter Analyi/Examine- Outfile). m 0 0,25 0,5 0,75 1,0 1,5 2,0 3,0 I / A 0 1 ˆS Iˆ / A 0 S Tabelle 4.2: Grundchwingungamplitude in Abhängigkeit de Modulationgrade Bild 4.1: Grundchwingungamplitude in Abhängigkeit de Modulationgrade

12 4 Veruchdurchführung Grundfrequenztaktung Ermitteln Sie den Modulationgrad, bei dem der Übergang zur Grundfrequenztaktung beginnt. (f = 10 Hz und 25 Hz, f = 500 Hz). Stellen Sie den Lattrom I(L1) im Übermodulationbereich dar. Leen Sie die Grundchwingungkomponenten de Lattrome 1 Î au dem 'OUT-File'. Die 'Center frequency' muß (unter Analyi/Setup/Tranient) an die Grundchwingung angepaßt werden. f = 10 Hz f = 25 Hz m 1 ˆ /A I Tabelle 4.3: Übergang zur Grundfrequenztaktung Stromchwankung Unteruchen Sie die Abhängigkeit der Stromchwankung I für I = Î, f = 10 Hz und m = 0,5 von der Schaltfrequenz f Sch. Reduzieren Sie hierzu die maximale Schrittweite bei Frequenzen über 500 Hz (unter Analyi/Setup/Tranient/Step Ceiling) auf 0.01 m. Überlegen Sie warum da nötig it. f /khz 0,5 1,0 1,5 2,0 Sch I /ma Tabelle 4.4: Stromchwankung in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz

13 5 Übericht über einige PSpice Befehle 13 $ tqtabxrwc QTaTX]XVT?B_XRT1TUTW[T $ BRWT\PcXRb File/Open Lädt eine neue Simulation (Schaltung) Analyi/Simulate oder F11 tartet die Simulation Analyi/Setup Art der Simulation unter Tranient/Step Ceiling kann man die max. Schrittweite eintellen unter Tranient/Fourier kann eine Fourieranalye getartet werden. Die Ergebnie liegen im OUT-File Analyi/Examine Output Draw/Get_New_Part oder Strg-G Draw/Wire oder Strg-W Edit/Attribute oder Doppelklick auf Bauteil Anzeige de OUT-File. (Am Ende ercheinen z. B. die Fourier Komponenten) neue Bauteil auwählen Bauteile verbinden Eintellung von Parametern $!?a^qt View/Area oder Ctrl+A View/Fit oder Ctrl+N Trace/Fourier Tool/Curor/Diplay Vergrößert Bildauchnitt Normaler Bildauchnitt Fourieranalye der Kurve Curor zum Anfahren von verchiedenen Punkten auf der Kurve Trace/Add Plot/Add Plot Menü zur Auwahl der darzutellenden Meßwerte neue Koordinatenytem zur Dartellung von Meßwerten Plot/X bzw. Y Axi Setting Eintellung von X bzw. Y Ache, z. B den Wertebereich, lineare oder log Teilung Tool/Diplay_control Mark_data_point die tatächlich imulierten Punkte dartellen