Selbstgeführte leistungselektronische Schaltungen

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1 FH Lusiz Lisungslkronik Kpil 5 Slbsgführ lisungslkronisch Schlungn Bgriff slbsgführ : Abschlbr Hlblir wrn unbhängig von äußrn Vorgängn wi z.b. r Nzfrqunz urch in spzill Schlung bribn. Als Lisungshlblir kommn vorzugswis IGBs, bipolr rnsisorn, LisungsFEs or bschlbr hyrisorn zum Einsz hyrisorlöschung urch Anwnung von Löschschlungn u i u L Bil 5.1: Prinzipschlung inr hyrisor Löschschlung mi Hilf ins Konnsors, Schlung un zilichr Vrluf r Spnnungn un Sröm hyrisorn un 2 sowi r Konnsor C biln inn lkronischn Schlr Funkion zum Abschln von : 2 zünn Konnsorspnnung U C wirk sofor in ngivr Sprrichung n i =0 Ausgngsspnnung sig von u L = uf u L = U C Lssrom i L =u L /R fliß übr Konnsorzwig un führ zur Umlung s Konnsors Ausgngsspnnung nimm b Schonzi C hyrisor gh in Sprrung übr wnn i Schonzi größr is ls i Friwrzi,.h. C > q richig Dimnsionirung von C nownig! Skrip LE04_05.oc Ausgb Spmbr 2004 Mi 88

2 FH Lusiz Lisungslkronik 5.2. GlichsromSllr (DCChoppr) Aufgb: Umformung inr Glichspnnung in in nr Spnnungshöh. Lösung: Pulsung un Milwrbilung r gpulsn Glichspnnung bzw. s Glichsroms urch Spichrung in inm Spichrlmn mi Ingrlvrhln, z.b. urch inn Konnsor für i Spnnung or inr Inukiviä für n Srom (Pulsprinzip). Allgmin knn iss Pulsprinzip in r chnik immr nn ngwn wrn, wnn i Zuführung von Enrgi in in Enrgispichr möglich is, z.b. im Kühlschrnk, im Rglrbüglisn or im Schwungrnrib ifszglichsromsllr (Buck convrr) Zil: Hrbszn von = kons. in in vribl Glichspnnung mi m Milwr U Ls urch Schln von löschbrn Vniln (B, IGB, GO) mi inr hohn Pulsfrqunz f p. i Ls u L i = L Ls i D u D L C R U Ls =U C Bil 5.2: Prinzipschlung ins ifszglichsromsllr mi R,L un C ls Ls 1 Pulsfrqunz: f p = f p khz ( B,IGB ) für klin bis milr Lisungn wi z.b. Srßnbhnn or Anrib f Hz (hyrisor,go ) für groß Lisungn wi z.b. Lokomoivn p Pulsprionur: (Prio, k): = 1/f p = Skrip LE04_05.oc Ausgb Spmbr 2004 Mi 89

3 FH Lusiz Lisungslkronik Bil 5.3: ifszglichsromsllr, zilichr Vrluf von Spnnung un Srom im lückfrin Brib Einschlur von : Ausschlur von : zilichr Vrluf von Spnnung un Srom im Lückbrib Ansig r milrn AusgngsGlichspnnung U Ls (sih glichr Effk bi nzgführn SR) Di Schlung s ifszsllrs wis nur zwi vrschin Zusän uf: Zusn 1: EIN, Dio D sprr, Dionsrom i D = 0, Srom i Ls () us r Mschnglichung: 1 ils U ULs 1 = ; ils () = ( U ULs ) ils ( 0 ) L L i Ls is linr sign wgn > U Ls 0 Zusn 2: AUS, Srom in L rf nich unrbrochn wrn, wil i in L nhln mgn. Enrgi nich vrschwinn knn, i Frilufio D übrnimm n Srom i Ls (),.h. Dio wir lin, u D =0, i D 0, r Srom i Ls () fäll um Δi Ls b, wil i ribn Spnnung ngiv wirk. 2 Ls = Ls () = Ls Ls ( 1 ) Ls ils U 1 ; i i i sink L L 1 Sromschwnkungsbri: Δ i = i i = ED( 1 ED) Ls Ls,mx Ls,min U L f Di Sromwlligki knn urch gsigr Pulsfrqunz or urch in Zuszinukiviä m Vrbruchr ruzir wrn. p Skrip LE04_05.oc Ausgb Spmbr 2004 Mi 90

4 FH Lusiz Lisungslkronik Surgsz s ifszglichsromsllrs, Spnnungsmilwr : 0 1 ULs = u D() = ED (Einschlur: ED = / ) Di Höh r milrn Ausgngsspnnung läss sich urch folgn Vrfhrn vränrn: 1) Umschlzipunk für i Spnnung wrn urch inn Algorihmus vorggbn un Srom sll sich lsbhängig in (Survrfhrn): Pulsbrinsurung (puls wih moulion, PWM): Einschlur wir vriir un Prionur blib konsn fs Schlfrqunz, übrwign ngwns Survrfhrn 1 U U Ls U Ls u () D Bil 5.4: Milr Spnnung U Ls in Abhängigki s Einschlvrhälnisss ED Erzugung von PWMSignln: U 1 U 3 U 2 Ds Frqunzvrhälnis r Drickspnnung mi f D zur Frqunz r Rfrnzspnnung f r binfluss s Vrfhrn srk (Drifch, Fünffchkung, u.s.w.) Skrip LE04_05.oc Ausgb Spmbr 2004 Mi 91

5 FH Lusiz Lisungslkronik Pulsfolgsurung: Einschlur blib konsn, br Prionur wir vrsll vribl Schlfrqunz 2) Umschlzipunk rgbn sich us Msswrn s Sroms bzw. r Spnnung (Rglvrfhrn) Zwipunkrglung: Vnil wir ingschl, wnn r Srom i Ls inn Wr i Lmin unrschri un usgschl, wnn r Srom inn Wr i Lmx übrschri. Dzu is in Srom or Spnnungsrfssung nownig. Di Schlfrqunz sll sich fri in. Anwnung s ifszsllrs: Schlnzil für pssiv Lsn (DC/DCWnlr) Einqurnnsllr (1QS) für DCAnrib ( EinqurnnPulssllr) HochszGlichsromsllr (Boos convrr) Aufgb r Schlung: Hrufszn von = kons. in in vribl Glichspnnung mi m Milwr U L urch Schln von löschbrn Vniln (B, IGB, GO) mi inr hohn Pulsfrqunz. I L D I Ls R u C U Ls Bil 5.5: Prinzipschlung ins HochszGlichsromsllrs mi C un R ls Ls Funkion: rnsisor wir in schnllr Folg in un usgschl. Skrip LE04_05.oc Ausgb Spmbr 2004 Mi 92

6 FH Lusiz Lisungslkronik ) b) c) ) Bil 5.6: HochszGlichsromsllr ) un b): Zilich Vrläuf r Spnnungn un Sröm im lückfrin Brib, : is ingschl, Dio D is gsprr : is usgschl, Dio D is lin U Ls konsn urch Konnsor C Spnnungsmilwr= in Inukiviä L kin Glichspnnung ufnhmn knn,.h. Fl äch A1 = Fläch A2 ULs = U ULs = U c) un ): Zilich Vrläuf r Spnnungn un Sröm im Lückbrib Ausgngsspnnungsvrluf is von r Größ s Lssroms bhängig! Ansig r Ausgngsspnnung im Lückbrib Einschln s rnsisors: ils U Eingngssromvrluf: = L Dio D vrhinr Kurzschluss bzw. Enlung s Konnsors C, urch n Konnsor is U Ls kons. Ausschln s rnsisors: Srom i Ls fliß urch i Drosslspul ngribn ggn i Spnnung U L wir. ils U U Ls Ausschlsromvrluf: =, U Ls > U is, nimm ils b, glichziig is u = ULs 1 L Höh r Ausgngsspnnung für lückfrin Brib: U = Ls U U = ED, mi / =1/ED=Übrszungsfkor Zur Vrsllung r Ausgngsspnnung könnn bnso wi bim ifszsllr i Pulsbrinsurung, i Pulsfolgsurung un i Aussurung mils Zwipunkrglung ngwn wrn. Skrip LE04_05.oc Ausgb Spmbr 2004 Mi 93

7 FH Lusiz Lisungslkronik Nbn m Hochszsllr un m ifszsllr xisirn Kombinionn, i sog. HochszifszGlichsromsllr, i i Glichspnnung in jr Richung vränrn könnn VirqurnnGlichsromsllr (4QS) Aufbu: Ergänzung s ifszsllrs (EinqurnnGlichsromsllr,1QS) mi ri wirn Vnilgruppn in Form inr Brücknschlung zum Virqurnn Glichsromsllr (uch VirqurnnPulssllr, 4QS, HBrücknschlung). Dmi könnn sowohl posiiv ls uch ngiv Spnnungn usggbn wrn, ls uch Sröm bir Polriän flißn (z.b. Drhzhl ins Anribs vorwärs un rückwärs, nribn un brmsn, somi lso in lln vir Qurnn s MN Digrmms). Es muss llrings gsichr sin, ss in rückgspis Lisung im Glichspnnungskris uch ufgnommn wrn knn, z.b urch inn Akkumulor or in s Drhsromnz zurückgspis wrn knn, z.b mi inm Umkhrglichrichr. Anwnung: DCAnrib mi hohr Dynmik (im Ggnsz zu nzgführn Sllglirn), i in bin Drhrichungn ls Moor un Gnror rbin solln. Einphsig unrbrchungsfri Sromvrsorgungn (UPS) Komponn in Schlnziln Bipolr Ansurung von Inukiviän, z.b. bi Schrimoorn I C D1 L R 3 D3 Bil 5.7: Schlung ins 4QSMouls mi IGB u, i 4 2 D2 Skrip LE04_05.oc Ausgb Spmbr 2004 Mi 94

8 FH Lusiz Lisungslkronik Bil 5.8: Hrliung s 4QS us r Arbiswis inr GM in lln 4 Qurnn r MNDigrmms Skrip LE04_05.oc Ausgb Spmbr 2004 Mi 95

9 FH Lusiz Lisungslkronik I D3 C L R u, i 2 Bil 5.9: Schlung ins ZwiqurnnGlichsromsllrs (2QS) mi IGB ls Kombinion r Schlungn für n 1. un 4. Qurnn nch Bil 5.8, Anwnung z.b. für Hbzug I U C D1 L u, i R Bil 5.10: Schlung ins Zwiqurnn Glichsromsllrs mi IGB ls Kombinion r Schlungn für n 1. un 2. Qurnn nch Bil 5.8, Anwnung z.b. für Fhrzugnrib 4 Skrip LE04_05.oc Ausgb Spmbr 2004 Mi 96

10 FH Lusiz Lisungslkronik Rchsluf: Einschlzin /2 > 4/3 Linksluf: Einschlzin 4/3 > /2 Milwr r Ankrspnnung: u = U = U = ED II ( ) ( ) 2, 0 D1,D2 u >0, i <0, P<0 u ( ) ( ),2 0,D3 I u >0, i >0, P>0 I C D1 L R 3 D3 III ( ) ( ) 3,4 0 3,D1 u<0, i <0, P>0 ( ) ( ) 2, 0 D3, IV u <0, i >0, P<0 i Bil 5.11: Virqurnnbrib 4 u, i 2 D2 Skrip LE04_05.oc Ausgb Spmbr 2004 Mi 97

11 FH Lusiz Lisungslkronik Funkion s 4QS nch Bil 5.10: Moorbrib: Einschlzi /2 > 3/4 posiiv: Brich 0 < < 1 : /2 in, i übr /2 i U U M u = U, = i sig L Zipunk 1 : 2 us, nch 3 in, i übr /D3 (Frilufkris) i U M u = 0, = i sink L Zipunk 2 : 3 us, 2 in, i übr /2, u = U Zipunk 3 : us, 4 in, i übr 2/, u = 0 Zipunk 4 : 4 us, in, u = U Di hir bschribn Ansurung is unr n Nmn unipolr Ansurung bknn (Ein Spnnungspolriä wir im Wchsl mi inm Kurzschluss m Vrbruchr wirksm ) nbn gib s uch noch i bipolr Ansurung (Bi Spnnungspolriän wrn bwchsln m Vrbruchr wirksm) Bipolrr Brib: Prinzip: Ansurung inrsis r IGBs /4, nrrsis r IGBs 3/2 jwils im Ggnk, zwischn kurz Sichrhiszin. D1 D3 3 D1 D3 3 1 U u, i u, i 0 0,5 ED 1 D2 2 4 D Zusn I:, 4 lifähig, 2, 3 nich lifähig Zusn II:, 4 nich lifähig, 2, 3 lifähig Surknnlini s 4QS Bil 5.12: Zur Arbiswis s Virqur.Glichsromsllrs (bipolrr Brib) Dr VirqurnnPulssllr knn nur i bin urch i schwrz usgmln Vnil mrkirn Zusän nnhmn, wobi is Vnil urch i Ansurung lifähig ghln wrn, uch wnn si slbs nich sromführn sin. Ein Vnilsrom knn nwr urch n IGB (hir ls löschbrs Vnil gknnzichn) posiiv, urch i zughörig Frilufio ngiv or gr nich flißn (Lückn s Sroms). u = 2 ED 1 U Milwr r Ankrspnnung: ( ) Skrip LE04_05.oc Ausgb Spmbr 2004 Mi 98