~ ~ ~ 11 Dreiphasiges Pulsgleichrichtersystem

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1 11 Dreiphasiges Pulsgleichrichtersystem Ähnlich wie für eine Einphasen-Gleichrichterschaltung mit sinusförmiger Stromaufnahme können auch die Netzrückwirkungen einer dreiphasigen Gleichrichterschaltung durch Einsatz abschaltbarer Leistungshalbleiter signifikant reduziert werden. Im Rahmen der Übung wird eine Schaltung vorgestellt, die auch eine Rückspeisung von Energie in das Netz erlaubt und industriell zur Speisung des Zwischenkreises von Frequenzumrichtersystemen in der Antriebstechnik eingesetzt wird. Das Hauptaugenmerk liegt hierbei auf der Erzeugung der Ansteuersignale der Leistungstransistoren mittels multipliziererloser Stromregelung. Weiters werden der Zeitverlauf der strombildenden Gleichrichtereingangsspannung, der schaltfrequenten Schwankung des Eingangsstromes und die den wechselspannungsseitigen Größen zugeordneten Raumzeiger betrachtet. Zur Steuerung der Schaltung wird eine Analogschaltung herangezogen. ~ ~ ~ Abb.11.1: Topologie des dreiphasigen Pulsgleichrichtersystems (3~PFC). Abb.11.1 zeigt die Topologie des dreiphasigen Pulsgleichrichtersystems. Diese Schaltung erlaubt das Gleichrichten einer dreiphasigen Eingangswechselspannung Ui (i = 1, 2, 3) auf eine Gleichspannung (Zwischenkreisspannung). Theoretisch sind beide Energierichtungen möglich, jedoch unterstützt das eingesetzte Regelungsverfahren dies nicht. Daher funktioniert die Regelung nur wenn der DC-Spannungssollwert (einstellbar über U*+) höher liegt als der Spitzenwert der verketteten Eingangsspannung. - Versorgen sie das System mit einem einstellbaren Drehstromtrafo Ui (i = 1, 2, 3) an den Klemmen X4, X5 und X6. - Belasten sie das System auf der Gleichspannungsseite mit einem geeigneten Lastwiderstand RL an den Klemmen X7 und X9. - Stellen sie die richtige Relaiskonfiguration her. In Abb.11.2 ist die Blockschaltung für den Betrieb des Systems als dreiphasiger Gleichrichter mit konstanter Taktfrequenz dargestellt. Das Verfahren wird als multipliziererloses Stromregelverfahren bezeichnet, da der Sollwert des Eingangsstromes nicht durch Multiplikation mit der Phasenspannung erzeugt wird. In der gegenständlichen Schaltung ist ein Multiplizierer implementiert, der aber nur zur Variation der Dreiecksamplitude id dient. Dies könnte in einer industriellen Realisierung auch ohne Multiplizierer erfolgen. 1

2 Je nach Amplitude des Dreiecks, die durch den Ausgangsspannungsregler mittels îd eingestellt wird, variiert die Amplitude des Eingangsstromes und damit die Leistung, die vom Netz bezogen wird. Die Eingangsströme werden direkt mit dem Dreiecksignal id verschnitten und daraus die PWM Signale si (i = 1, 2, 3) für die Leistungsschalter Sij erzeugt (i = 1, 2, 3; j = +, ). Die Dynamik des Spannungsreglers muss in diesem Fall reduziert werden (R116 = 1.2K, C58 = 1µF), damit er nicht versucht, die Welligkeit der Zwischenkreisspannung während einer Netzperiode auszugleichen. Dies hätte eine Verzerrung des Eingangsstromes zur Folge. U * O î D i D 1 s t 1+ U_1* = I_1P 0 S_K = S1+ = S1- U*+ u O U_1 = UZK-C u D -i L1 -I1-C TRI1-TRI_2 1 s 1+ 0 S_L = S2+ = S2- -i L2 -I2-C 0 1 s 1+ S_M = S3+ = S3- -i L3 -I3-C Abb.11.2: Blockschaltbild zur Erzeugung der Schaltsignale s ij der MOSFETs S ij (i = 1, 2, 3; j = +, ) für den Betrieb des dreiphasigen Pulsgleichrichtersystems mit multipliziererloser Stromregelung. Abb.11.3: Schaltungstechnische Realisierung der Erzeugung der Schaltsignale für den Pulsgleichrichter S_K = S1+ = (S1-), S_L = S2+ = (S2 ) und S_M = S3+ = (S3 ) (Seite 5 und 6 in der Gesamtschaltung). 2

3 Die schaltungstechnische Realisierung ist in Abb.11.3 dargestellt. Für den Betrieb des Lehrsystems als dreiphasiges Pulsgleichrichtersystem mit kontinuierlichem Eingangsstrom, konstanter Taktfrequenz und multipliziererloser Stromregelung muss nun folgende Konfiguration hergestellt werden (Abb.11.4). - R116 = 1.2K, C58 = 1µF - JP1: U*+ (ganz links, Pins 1-2) - JP2: UZK-C (2.Pos von links, Pins 3-4) - JP11: -REF (oben, Pins 2-3) - JPS1+: auf Position S_K (4.Pos von oben, Pins 7-8) - JPS1 : auf Position INV1+ (2.Pos von unten, Pins 13-14) - JPS2+: auf Position S_L (4.Pos von oben, Pins 7-8) - JPS2 : auf Position INV2+ (2.Pos von unten, Pins 13-14) - JPS3+: auf Position S_M (4.Pos von oben, Pins 7-8) - JPS3 : auf Position INV3+ (2.Pos von unten, Pins 13-14) - Die verbleibenden JPSxx ganz unten (GND, Pins 15-16) R116, C58 Abb.11.4: Konfiguration der Jumper für den Betrieb des dreiphasigen Pulsgleichrichters mit kontinuierlichem Eingangsstrom, konstanter Taktfrequenz und multipliziererloser Stromregelung. Beachten sie die zusätzlichen Bauelemente R116 = 1.2K und C58 = 1µF. Auf dem Leistungsboard wird mittels Sternschaltung dreier Widerstände der Sternpunkt des dreiphasigen Netzes gebildet und gegen Signalerde (GND, z.b. Pin X72) referenziert. Abb.11.5 zeigt die Netzströme i1, i2 und i3, Abb.11.6 die lokalen Mittelwerte der Umrichtereingangsspannungen (entsprechen den Phasenspannungen), Abb.11.7 die schaltfrequenten Umrichtereingangsspannungen des Pulsgleichrichtersystems. Zur Verdeutlichung der Verhältnisse ist in Abb.11.8 der Zeitbereich auf 20µs/DIV verkleinert. Man erkennt, dass die Ausgangsspannung des Systems mit einer pulsfrequenten Gleichtaktspannung ucm gegenüber GND (Schutzerde) beaufschlagt ist. Abb.11.9 zeigt dazu 3

4 die durch die multipliziererlose Eingangsstromregelung erzeugten Schaltsignale s1+, s2+ und s3+ mit Bezug auf die Gleichtaktspannung ucm. i3 (Zuleitung) i1 (Zuleitung) i2 (Zuleitung) Abb.11.5: Netzströme i 1, i 2 und i 3 des dreiphasigen Pulsgleichrichtersystems. uu1 (X1 GND) uu2 (X2 GND) uu3 (X3 GND) Abb.11.6: Umrichtereingangsspannungen u U1, u U2, u U3 und Gleichtaktspannung u CM mit lokaler Mittelwertbildung (Enhanced Resolution bzw. Hi-Res Mode). 4

5 uu1 (X1 GND) uu2 (X2 GND) uu3 (X3 GND) Abb.11.7: Umrichtereingangsspannungen u U1, u U2, u U3 und Gleichtaktspannung u CM. uu1 (X1 GND) uu2 (X2 GND) uu3 (X3 GND) Abb.11.8: Umrichtereingangsspannungen u U1, u U2, u U3 und Gleichtaktspannung u CM im Zeitmaßstab 20µs/DIV. Die Lupe in Abb.11.7 kennzeichnet den vergrößerten Zeitbereich. 5

6 s1+ (S1+) s2+ (S2+) s3+ (S3+) Abb.11.9: Schaltsignale s 1+, s 2+ und s 3+, sowie Gleichtaktspannung u CM im Zeitmaßstab 20µs/DIV. Die Lupe in Abb.11.7 kennzeichnet den vergrößerten Zeitbereich. Die Umrichtereingangsspannung (Abb.11.11) und der Eingangsstrom (Abb.11.12) können auch durch Raumzeiger im XY-Betrieb des Oszilloskops dargestellt werden. Konfigurieren Sie das Oszilloskop so, damit es die Raumzeiger anzeigt. Tipps: XY-Betrieb und persistence (Nachleuchten des Bildschirmes). Diskussion: Was ist ein Raumzeiger? Abb.11.10: Position der Klemmen für die Messung der Raumzeiger. 6

7 -uua (X70 X72) -uub (X71 X72) Abb.11.11: Umrichtereingangsspannungen u UA und u UB mit XY Darstellung (Spannungsraumzeiger). i1 = ia (X64 GND) ib (X69 GND) Abb.11.12: Umrichtereingangsströme i A und i B mit XY Darstellung (Stromraumzeiger). 7