Gesteuerter Energieaustausch zwischen einem Wechsel- oder Drehstromsystem und einem Gleichstromsystem veränderlicher Polarität.

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1 Universität Stuttgart Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe Prof. Dr.-Ing. J. Roth-Stielow.8 Umkehrstromrichter.8.1 Die Grundaufgabe des Umkehrstromrichters und ihre Lösung Gesteuerter Energieaustausch zwischen einem Wechsel- oder Drehstromsystem und einem Gleichstromsystem veränderlicher Polarität. Hauptanwendungsgebiet: Speisung von Antrieben einschließlich elektrischem Bremsen. Ein Umkehrstromrichter entsteht durch Kombination zweier Einfachstromrichter. Prinzipieller Aufbau am Beispiel einer sechspulsigen Brückenschaltung: Bild 1-.8 Blatt 1

2 Praktischer Aufbau: Bild -.8 Symbol für den Umkehrstromrichter: Bild 3-.8 Blatt

3 .8. Umkehrstromrichter in Gleichstromsystemen.8..1 In Verbindung mit einer Gleichstrommaschine Bild 4-.8 Arbeitsbereich des Umkehrstromrichters und der Maschine: Bild 5-.8 Blatt 3

4 .8.. In Verbindung mit einem Gleichspannungszwischenkreis Bild 6-.8 Arbeitsbereiche des Umkehrstromrichters: Bild 7-.8 Blatt 4

5 .8.3 Umkehrstromrichter in Wechsel- und Drehstromsystemen (Direktumrichter) Wechselstromsysteme Wird ein Umkehrstromrichter derart gesteuert, dass er seine Arbeitsbereiche periodisch durchläuft, so entsteht an seinem Ausgang ein Wechselstromsystem. Prinzipielle Anordnung: Bild 8-.8 Die maximale Ausgangsfrequenz eines Direktumrichters ist begrenzt. Sie beträgt bei einem sechspulsigen Umkehrstromrichter ca. f d 0,8...0,4 f. Blatt 5

6 Steuerverfahren: Sinusförmige Stromvorgabe: Steuerumrichter Bild 9-.8 Vorgabe 0 für ud 0 und ud 0 sowie max (Wechselrichter-Trittgrenze) beim Vorzeichenwechsel von u d: Trapezumrichter Bild Blatt 6

7 .8.3. Drehstromsysteme Durch Kombination dreier Umkehrstromrichter ist auch ein dreiphasiger Betrieb möglich, z.b. Speisung der Drehzahlsteuerung langsam laufender Synchron- oder Asynchronmaschinen. Es ist auch ein Betrieb ohne SR-Transformator möglich, da die drei Systeme in der Maschine galvanisch getrennt sind. Nachteil: Hoher Ventilaufwand (Beispiel: 36 Ventile bei Verwendung sechspulsiger Umkehrstromrichter). Prinzipielle Anordnung: Bild Blatt 7

8 Übliche Ausführung: Bild 1-.8 Bei dieser Anordnung ist für eine Potentialtrennung immer ein SR-Transformator erforderlich. Blatt 8

9 .9 Stromrichtermotoren.9.1 Stromrichtermotor mit Gleichstromerregung Bild 1-.9 Charakteristische Merkmale: Das Drehspannungssystem II, welches die Kommutierungen im Stromrichter II bewirkt, resultiert mittelbar aus den in der Statorwicklung der Maschine induzierten Polradspannungen. ( Maschinengeführter bzw. Lastgeführter Stromrichter) Die Polradspannungen sind (bei konstanter Erregung) ihrer Frequenz und damit auch der Maschinendrehzahl direkt proportional. (Siehe Bild -.9) Blatt 9

10 Bild -.9 Beim Anfahren und bei niedrigen Drehzahlen reichen diese Spannungen meist nicht mehr aus, um die Kommutierungen im Stromrichter II erfolgreich ablaufen zu lassen. Deshalb sind üblicherweise besondere Anlaufhilfen notwendig. Der Blindstrombedarf des Stromrichters II wird von der Synchronmaschine gedeckt, die sich dabei im Betriebszustand übererregt befindet. Bei der Analyse der Kommutierungsvorgänge ist zu beachten, dass bei jeder Kommutierung ein zweipoliger Klemmenkurzschluss der Maschine vorliegt. Diese reagiert bei derartig kurzzeitigen Vorgängen gemäß ihrem sogenannten subtransienten Ersatzschaltbild, welches bei einer Vollpolmaschine mit vollständigem Dämpferkäfig das in Bild 3-.9 gezeigte Aussehen hat. Bild 3-.9 Blatt 10

11 Die Kombination Stromrichter II und Synchronmaschine ( Stromrichtermotor ) entspricht dem Prinzip einer umgekehrten Gleichstrommaschine: Die Gleichstromerregung ist vom Stator in den Rotor verlegt, die Ankerwicklung ist vom Rotor in den Stator verlegt und der mechanische Kommutator ist durch den als elektronischer Kommutator fungierenden SR II ersetzt. Steuerung des maschinenseitigen Stromrichters: Bei Taktung durch die Maschinenspannung, genauer durch die Spannung hinter der subtransienten Reaktanz (Frequenz f II ) entsteht der selbstgesteuerte Stromrichtermotor. Diese Anordnung verhält sich wie eine fremderregte Gleichstrommaschine, die mit einer über den Stromrichter I veränderbaren Gleichspannung gespeist wird. Bei geeigneter Ausführung der Steuergeräte der beiden Stromrichter ergeben sich die in Bild 4-.9 gezeigten Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien. Bild 4-.9 Blatt 11

12 Der Drehzahlbereich 0 n n min kann wegen der genannten Kommutierungsprobleme im Stromrichter II nur mit erheblichen Einschränkungen genutzt werden. Außerdem führt die Speisung der Maschine mit nichtsinusförmigen Strömen zu erheblichen Pulsationen in deren Drehmoment, die sich im Bereich kleiner Drehzahlen störend auswirken können. Bei Taktung durch einen externen Frequenzgeber (mit veränderbarer Frequenz) entsteht der sogenannte fremdgesteuerte Stromrichtermotor. Bei diesem handelt es sich zunächst um ein strukturinstabiles System, das aber durch geeignete dynamische Einflüsse auf die Zündverzögerungswinkel des Netz- und/oder des maschinenseitigen Stromrichters stabilisiert werden kann. Dann verhält sich der fremdgesteuerte Stromrichtermotor wie eine Synchronmaschine, deren Drehzahl durch eine gleichsinnige Veränderung der Spannung U d des netzseitigen Stromrichters und der Taktfrequenz verstellt werden kann. In Bild 5-.9 ist dies anhand der Drehmoment-Drehzahlkennlinien des fremdgesteuerten Stromrichtermotors zu sehen. Bild 5-.9 Der in Bild 5-.9 schraffiert dargestellte Drehzahlbereich entfällt hier völlig. Außerdem können sich auch hier die Drehmoment-Pulsationen der Maschine bei kleineren Drehzahlen störend bemerkbar machen. Blatt 1

13 .9. Stromrichtermotor mit Drehfelderregung Bild 6-.9 Charakteristische Merkmale: Der Stromrichtermotor mit Drehfelderregung entsteht aus dem Stromrichtermotor mit Gleichstromerregung, wenn in dessen Rotor die dort vorhandene Gleichstrom- Erregerwicklung nebst Dämpferkäfig entfernt und durch eine Drehfeld-Erregerwicklung ersetzt wird. Der konstruktive Aufbau einer solchen Maschine entspricht somit dem einer Asynchronmaschine mit Schleifringläufer. Bei Speisung der Rotorwicklung mit Drehspannung erzeugt diese ein Drehfeld, das bereits im Stillstand der Maschine in deren Statorwicklung ein Drehspannungssystem induziert und auf diese Weise die Kommutierungen im maschinenseitigen Stromrichter II sicherstellt. Blatt 13

14 Von besonderer praktischer Bedeutung ist die Erregung der Maschine aus dem 50 Hz-Drehspannungsnetz. Der nutzbare Drehzahlbereich umfasst jetzt auch die beim Stromrichtermotor mit Gleichstromerregung ausgesparten Bereiche und kann darüber hinaus auch noch geringfügig in den Bereich negativer Drehzahlen ausgedehnt werden. Die zugehörige Spannungs- Drehzahlkennlinie ist in Bild 7-.9 zu sehen. Bild 7-.9 Mit einem geeignet ausgeführten Regelsystem weist diese Anordnung eine Reihe hervorragender Eigenschaften auf. Sie eignet sich u.a. auch für Gleichlaufantriebe, bei denen mehrere, über den gemeinsamen Stromrichter II gespeiste, gleiche Maschinen in völligem Gleichlauf zu halten sind. Der Stromrichtermotor mit Drehfelderregung kann auch ohne Schleifringe in völlig kontaktfreier Ausführung gebaut werden, wenn die bisher vorausgesetzte Schleifringläufer-Maschine gemäß Richter, Band 4 durch eine sogenannte Asynchronmaschinenkaskade (Bild 8-.9) ersetzt wird. Blatt 14

15 Bild 8-.9 Die beiden Läufer haben eine gemeinsame mechanische Welle: f mech Die beiden Läuferwicklungen sind elektrisch über Kreuz (unter Vertauschung der Phasenfolge) verbunden: (Vertauschung der Phasenfolge ist bereits durch die entgegengesetzte Pfeilung berücksichtigt). f LA = f LB Die beiden Ständerwicklungen sind elektrisch getrennt; Die Ständerwicklung der Teilmaschine A ist an ein starres Drehspannungsnetz mit der Frequenz f err angeschlossen: Die Ständerwicklung der Teilmaschine B ist an SRII angeschlossen: f SA = f err f SB = f II Blatt 15

16 Teilmaschine A Drehspannungsnetz: ferr z.b. 50Hz Ständerfrequenz: Läuferfrequenz: f SA = f err f LA = f err + f mech Teilmaschine B Läuferfrequenz: Ständerfrequenz: f LB = f LA = f err + f mech f SB = f LB + f mech = f err + f mech Stromrichter SRII: f II = f SB = f err + f mech Blatt 16

17 .10 Halbgesteuerte Brückenschaltungen.10.1 Zweipulsige Brückenschaltungen Symmetrisch halbgesteuerte Brückenschaltung Bild Blatt 17

18 30º V1 I V I V 1I u s10 u s0 udi I u s0 u s10 udi II u l 10 u l 10 u di uak1i 0 ia1i I d iai ia1ii iaii I d i l1 I d Bild -.10 Blatt 18

19 Unsymmetrisch halbgesteuerte Brückenschaltung Bild Blatt 19

20 30º V1 I V 1I u s10 u s0 udi I u s0 V1 II u s10 udi II u l 10 u l 10 u di uak1i 0 ia1i I d iai ia1ii iaii I d i l1 I d Bild Blatt 0

21 Vergleich der symmetrisch- mit der unsymmetrisch halbgesteuerten Brückenschaltung: Symmetrisch halbgesteuerte Brückenschaltung 1 Udi Udi 1 cos Unsymmetrisch halbgesteuerte Brückenschaltung 1 Udi Udi 1 cos max max Udi Udi 0 di di U U 0 Die Wechselrichtertrittgrenze der kathodengekoppelten Kommutierungsgruppe ist zu respektieren und limitiert den Zündverzögerungswinkel. Die gleichgerichtete Spannung kann deshalb nicht bis auf den Wert null vermindert werden. Die Schonzeit der Thyristoren ist stets gleich der halben Periodendauer der treibenden Wechselspannung. Die gleichgerichtete Spannung kann daher bis auf den Wert null vermindert werden. Die Stromführungsdauer ist bei allen Ventilen konstant und gleich lang. Die Stromführungsdauer der gesteuerten Ventile nimmt mit zunehmendem Zündverzögerungswinkel ab, die der ungesteuerten Ventile nimmt im selben Maße zu. Die Phasenverschiebung zwischen der Leiterspannung ul1 us1 us und dem Leiterstrom i l 1 ist bei beiden halbgesteuerten Schaltungen nur halb so groß wie bei der vollgesteuerten Schaltung. Die halbgesteuerten Schaltungen werden deshalb als blindstromsparende Schaltungen bezeichnet. Blatt 1

22 Kreisdiagramme der voll- und der halbgesteuerten Brückenschaltung Voraussetzung: Idealisierte Theorie 1. Kreisdiagramm der vollgesteuerten Brückenschaltung Wirkleistung: Grundschwingungsblindleistung: Grundschwingungsscheinleistung: P1 Udi Id cos Q1 Udi Id sin S1 P1 Q 1 Gleichungen für das Kreisdiagramm: 1 di d di Id S U I cos sin U P S 1 1 cos Q S 1 1 sin Bild Blatt

23 . Kreisdiagramm der halbgesteuerten Brückenschaltung Bild Q 1 : P 1 : S 1 : Grundschwingungsblindleistung Wirkleistung Grundschwingungsscheinleistung Blatt 3

24 .10. Sechspulsige Brückenschaltung Bild Blatt 4

25 30º V1 V3 V5 u s10 u s0 u s30 udi I 0 u s0 u s30 u s10 udi II 0 u l10 u l0 u l30 u di i A1 I d I d i A4 I d i l1 p Bild Blatt 5

26 Eigenschaften der halbgesteuerten sechspulsigen Brückenschaltung: Eine unsymmetrische Ausführung der halbgesteuerten sechspulsigen Brückenschaltung ist nicht realisierbar. Bei der Aussteuerung der kathodengekoppelten Kommutierungsgruppe muss die Wechselrichtertrittgrenze beachtet werden. Die gleichgerichtete Spannung kann daher nicht bis auf den Wert null vermindert werden. 1 Udi Udi 1 cos 0 U U 0 di di Die Welligkeit w der Spannung u di ist für 0 bei der halbgesteuerten sechspulsigen Brückenschaltung grösser als bei der vollgesteuerten sechspulsigen Brückenschaltung. Das Kreisdiagramm der halbgesteuerten sechspulsigen Brückenschaltung ist identisch mit jenem der symmetrisch halbgesteuerten zweipulsigen Brückenschaltung. Blatt 6

27 .11 Schaltungen mit Folgesteuerung Ein blindstromsparendes Verhalten kann auch bei der vollgesteuerten Brückenschaltungen erzielt werden, wenn die beiden Teilsysteme getrennt voneinander angesteuert werden Zweipulsige Brückenschaltung Bild Zunächst: 0 I Imax II 0 Anschließend: I Imax 0 II IImax Blatt 7

28 Kreisdiagramm: II IImax 1 II I Imax Q S 1 1 I II 0 vollgesteuerte Schaltung Bild P S Sechspulsige Brückenschaltung Bei der sechspulsigen Brückenschaltung mit Folgesteuerung der beiden Kommutierungsgruppen ergibt sich das gleiche Kreisdiagramm (Bild -.11) wie bei der zweipulsigen Brückenschaltung Folgesteuerung zweier in Reihe geschalteter, unsymmetrisch halbgesteuerter Brückenschaltungen Kreisdiagramm: Bild Blatt 8

29 Übersichtsschaltbild zweier in Reihe geschalteter, unsymmetrisch halbgesteuerter Brückenschaltungen: Bild Blatt 9

30 .1 Wechsel- und Drehstromsteller.1.1 Wechselstromsteller Grundschaltung eines Wechselstromstellers: Bild Phasenanschnittsteuerung bei rein ohmscher Last: R i u u T T1 T T 1 u ~ z. B t u u ~ 0 t i i 0 i T1 i T1 i T 0 t Bild -.1 Blatt 30

31 Berechnung der Phasenanschnittsteuerung bei rein ohmscher Last: 1 U eff,max U eff0 uˆ ~ bei 0 Ueff,min 0 bei 180 Steuerbereich: Für die erste Halbschwingung der Spannung u gilt (Bild -.1): 0 u 0V u uˆ~ sin Berechnung des Effektivwerts der Spannung und des Stromes: 1 û~ Ueff u ( ) d sin Ueff0 sin 0 I eff I eff0 1 1 sin mit I eff0 î û~ und î R Für die Grundschwingung ergibt sich: I I U = sin U eff0 eff0 1 cos Berechnung der Oberschwingungen: I I eff0 U = U eff0 1 1 K K 1 ( 1) mit K1 sin cos cos sin und K sin sin cos cos 1 Blatt 31

32 Maximalwert der Oberschwingungen bei max K Mit K 1... (ganzzahlig) und 0 max (je nach Ordnungszahl gibt es unterschiedliche max ) Phasenanschnittsteuerung bei rein induktiver Last: L i u u T T1 T u ~ z. B t u u ~ 0 t i 1 L udt 0 t Bild 3-.1 Blatt 3

33 Der Steuerbereich ist hier eingeschränkt: Es kann keine Beeinflussung für erreicht werden. Für den Strom gilt im Bereich : û i sin sin 0 L I eff0 1 Effektivwert der Spannung: Ueff Ueff0 sin Effektivwert des Stromes: Ieff Ieff cos sin 4 Grundschwingungen: I I U 1 = sin U 1 1 eff0 eff0 Oberschwingungen in der Spannung: U sin 1 sin 1 cos sin U 1 1 eff0 Oberschwingungen im Strom: I 1 = I eff0 U U eff0 Blatt 33

34 Steuerkennlinien: Bild 4-.1 Blatt 34

35 Phasenanschnittsteuerung bei gemischt ohmisch-induktiver Last: Beispiel: 10 L L 60 R L i u u T u ~ 0 t 10 u u ~ 0 t i 33 (vorher 40 ) 0 t Bild 5-.1 Berechnung des Stromverlaufs: L i sin e sin R û 0 L L tan L 0 L Mit tan L R Blatt 35

36 Vollschwingungssteuerung (Schwingungspaketsteuerung) Die Vollschwingungssteuerung stellt eine Alternative zur Anschnittsteuerung dar. u T u ~ u 0 t Bild 6-.1 Der Vorteil der Vollschwingungssteuerung besteht darin, dass Oberschwingungen mit Frequenzen > 100 Hz sehr gering sind. Dafür erhält man aber stärkere Schwingungen mit Frequenzen < 100 Hz (auch < 50 Hz). Die Vollschwingungssteuerung ist auch für ohmisch-induktive Verbraucher geeignet. Die Einschwingvorgänge mit Gleichstromanteilen können auch dadurch vermieden werden, dass der Steller nicht mit 0 sondern mit L angesteuert wird. Blatt 36

37 Anwendungsbeispiele für die Vollschwingungssteuerung: Spannungsverstellung in der Lichtbogenschweisstechnik Temperatureinstellung von Elektroöfen Primärseitige Steuerung von Transformatorgleichrichtern (für Verbraucher mit ungewöhnlichen Impedanzwerten, z.b. Elektrofilter mit U > 50 kv und I < 3 A, oder Galvanikanlagen mit U < 0 V und I >...10 ka). Beispiel eines Stromrichters mit Primärsteuerung: (primärseitig gesteuerter Transformatorgleichrichter) Bild 7-.1 Blatt 37

38 .1. Drehstromsteller Grundschaltung: Bild 8-.1 Ohne MP-Verbindung: 0 L weist starke Potentialsprünge auf Sperrbeanspruchung der Ventile durch verkettete Spannung besonders hohe Sprünge der Ventilspannungen Mit MP-Verbindung: Es entsteht ein 3 x -pulsiges System. Steuerkennlinien: (Ohne MP-Verbindung) Bild 9-.1 Blatt 38

Dieses Werk ist copyrightgeschützt und darf in keiner Form vervielfältigt werden noch an Dritte weitergegeben werden. Es gilt nur für den

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