10 Einphasiges bidirektionales Pulsumrichtersystem

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1 10 Einphasiges bidirektionales Pulsumrichtersystem Eine einphasige, durch Leistungstransistoren mit antiparallelen Freilaufdioden gebildete Vollbrückenschaltung mit Ausgangskapazität und Vorschaltinduktivität kann als Gleichoder Wechselrichterschaltung eingesetzt werden. Ein Beispiel für den Gleichrichterbetrieb findet sich bei Triebfahrzeugen, wo die auch als Vierquadrantensteller bezeichnete Schaltung der Erzeugung einer geregelten Gleichspannung aus der einphasigen Fahrdrahtwechselspannung dient und eine sinusförmige Stromaufnahme sichergestellt. Wechselrichterbetrieb liegt etwa bei der Anbindung regenerativer Energie an das Einphasenwechselspannungsnetz vor, wo die von der Quelle abgegebene Leistung mit sinusförmigem Strom in das Netz gespeist wird. Ziel der Übung ist die Darstellung der Grundfunktion der Schaltung und der bei phasenversetzter Steuerung der Brückenzweige erreichbaren Vorteile. Weiters wird das Systemverhalten für eine Zweipunktregelung des Eingangsstromes und eine Eingangsstromregelung mit konstanter Taktfrequenz untersucht. ~ Abb.10.1: Topologie des einphasigen bidirektionalen Pulsumrichtersystems (1~Inverter). Abb.10.1 zeigt die Topologie des einphasigen bidirektionalen Pulsumrichtersystems. Diese Schaltung erlaubt das Gleichrichten einer einphasigen Eingangswechselspannung U 1 auf eine Gleichspannung U 2 bzw. das Wechselrichten einer Gleichspannung U 2 auf eine Wechselspannung U 1 d.h. beide Energierichtungen von DC auf AC sind möglich. Anmerkung: Beachten Sie für diesen Versuch, dass die Amplitude der Wechselpannung U 1 nicht höher als 10V sein sollte Gleichrichter mit konstanter Taktfrequenz - Versorgen sie das System mit einer einstellbaren Wechselspannungsquelle (Einphasentrafo) U 1 an den Klemmen X 4 und X 5. - Belasten sie das System auf der Gleichspannungsseite mit einem geeigneten Lastwiderstand R L an den Klemmen X 7 und X 9. Die Gleichspannungsquelle U 2 wird noch nicht benötigt. - Stellen sie die richtige Relaiskonfiguration her. 1

2 u D1 TRI_1 1 0 s 1+ S1+ u D2 TRI_2 1 0 U * O î * i * L1 L1 IN_A 1 s 1- t U_1* = I_1P I_N1* 0 S_A = S1- U*+ u O U_1 = u 1 U12-C I_1 = 1 UZK-C s -I1-C 2+ 0 S_B = S2+ s 2- S2- Abb.10.2: Blockschaltbild zur Erzeugung der Schaltsignale s ij der MOSFETs S ij (i = 1,2; j = +, ) für den Betrieb des einphasigen Pulsumrichtersystems mit konstanter Taktfrequenz. Abb.10.3: Schaltungstechnische Realisierung der Erzeugung der Schaltsignale für den Pulsumrichter S_A = S1 = (S1+) und S_B = S2+ = (S2 ) (Seite 5 in der Gesamtschaltung). In Abb.10.2 ist die Blockschaltung für den Betrieb des Pulsumrichters als einphasiger Gleichrichter mit konstanter Taktfrequenz dargestellt. Der Sollwert des Eingangsstromes wird durch Multiplikation des Spitzenwertes des Eingangsstromes î L1 * mit der Netzspannung u 1 gebildet. Dadurch wird eine netzspannungsproportionale Führung des Eingangsstromes erreicht. Der Spannungsregler ist als PI-Regler ausgeführt und definiert den Spitzenwert des Eingangsstromes î 1 = î L1 *. Die Dynamik des Spannungsreglers muss in diesem Fall jedoch reduziert werden (R116 = 1.2K, C58 = 1µF), damit er nicht versucht, die Welligkeit der Zwischenkreisspannung zu reduzieren. Dies hätte eine Verzerrung des Eingangsstromes zur Folge. Die schaltungstechnische Realisierung ist in Abb.10.3 dargestellt. Für den Betrieb als Gleichrichter mit kontinuierlichem Eingangsstrom und konstanter Taktfrequenz muss nun folgende Konfiguration hergestellt werden (Abb.10.4). - R116 = 1.2K, C58 = 1µF - JP1: U*+ (ganz links, Pins 1-2) - JP2: UZK-C (2.Pos von links, Pins 3-4) - JP3: -I1-C (2.Pos von links, Pins 3-4) - JP10: I_N1* (unten, Pins 2-3) 2

3 - JP11: -REF (oben, Pins 2-3) - JP12: unten (Pins 1-2) - JP13: unten (Pins 1-2) - JPS1+: auf Position INV1 (2.Pos von unten, Pins 13-14) - JPS1 : auf Position S_A (ganz oben, Pins 1-2) - JPS2+: auf Position S_B (2.Pos von oben, Pins 3-4) - JPS2 : auf Position INV2+ (2.Pos von unten, Pins 13-14) - Die verbleibenden JPSxx ganz unten (GND, Pins 15-16) R116, C58 Abb.10.4: Konfiguration der Jumper für den Betrieb des Pulsumrichters als Gleichrichter mit kontinuierlichem Eingangsstrom und konstanter Taktfrequenz. Beachten sie die zusätzlichen Bauelemente R116 = 1.2K und C58 = 1µF. Abb.10.5 zeigt den Netzstrom i 1 und die Netzspannung u 1, den vom Ausgangsspannungsregler vorgegebenen Spitzenwert des Netzstromes î 1 * = î L1 * und den Sollwert des Drosselstromes *. Man erkennt eine gute lineare Abhängigkeit des Netzstromes und der Netzspannung, was sich im gemessenen Leistungsfaktor = 1 auch ausdrückt. Durch die Streuinduktivität des vorgeschalteten Stelltrafos und die innere Netzimpedanz weicht die Eingangsspannung von der idealen Sinusform stark ab und ist mit einem hohen Anteil des schaltfrequenten Rippels beaufschlagt. In Abb.10.5 ist daher auch ein Mittelwert avg(u 1 ) über mehrere Perioden dargestellt. Abb.10.6 zeigt den Drosselstrom, die rein schaltfrequente Umrichtereingangsspannung u U (zwischen den Klemmen X 1 und X 2 ), deren Mittelwert über mehrere Perioden avg(u U ) und die zugehörigen Schaltsignale und s 2+. Die Struktur des Systems erlaubt es, positive und negative Ströme und Spannungen auf der Netzseite zu erzeugen und kann damit als Gleichrichter eingesetzt werden. Abb.10.7 und Abb.10.8 zeigen die Schaltsignale und s 2+, die resultierende Umrichtereingangsspannung u U und den Drosselstrom in einem kleineren Zeitbereich von 20µs/DIV. 3

4 i 1 (Zuleitung) avg (u 1 ) u 1 (X4 X5) î L1 * * (JP10-1) (JP10-2-3) Abb.10.5: Netzstrom i 1 und -spannung u 1, Mittelwert der Netzspannung u 1, Netzstromspitzenwert î L1 * und Sollwert des Drosselstroms *. avg (u U ) s 2+ (S2+) Abb.10.6: Drosselstrom, Umrichter-Eingangsspannung u U, deren Mittelwert avg(u U ), Schaltsignale und s 2+. 4

5 s 2+ (S2+) Abb.10.7: Drosselstrom, Umrichter-Eingangsspannung u U, deren Mittelwert avg(u U ), Schaltsignale und s 2+ im Zeitmaßstab 20µs/DIV. Die linke Lupe in Abb.10.6 kennzeichnet den vergrößerten Zeitbereich. s 2+ (S2+) Abb.10.8: Drosselstrom, Umrichter-Eingangsspannung u U, deren Mittelwert avg(u U ), Schaltsignale und s 2+ im Zeitmaßstab 20µs/DIV. Die rechte Lupe in Abb.10.6 kennzeichnet den vergrößerten Zeitbereich. 5

6 10.2 Wechselrichter am Netz mit konstanter Taktfrequenz - Versorgen sie das System mit einer einstellbaren Wechselspannungsquelle (Einphasentrafo) U 1 an den Klemmen X 4 und X 5. - Versorgen sie das System auf der Gleichspannungsseite mit einem geeigneten Netzgerät parallel zum Lastwiderstand R L an den Klemmen X 7 und X 9. Wählen Sie R L =50Ω. - Stellen sie die richtige Relaiskonfiguration her. Die Blockschaltung, die schaltungstechnische Realisierung und damit die Einstellungen an der Steuerplatine ändern sich nicht. Wenn nun der Sollwert der Zwischenkreisspannung unter dem Istwert, der durch das Netzgerät an den Klemmen X 7 und X 9 vorgegeben wird, liegt, dann beginnt das System Leistung in das versorgende Netz zurückzuspeisen. Ändern Sie hierzu die Spannung/Leistung des DC-Netzgeräts langsam. Nun sollte zu erkennen sein, dass sich die Stromrichtung plötzlich umdreht (Abb.10.9). Zur Veranschaulichung der Verhältnisse sind auch hier wieder schaltfrequente Details in Abb und Abb.10.11abgebildet. ACHTUNG! NETZTRAFO NICHT ABSCHALTEN, DER WECHSELRICHTER VERSUCHT WEITERHIN LEISTUNG AN DAS NETZ ZU LIEFERN!!! Treten sie einen geordneten Rückzug aus dem Wechselrichterbetrieb an, indem sie vorher wieder gleichrichten, das Netzgerät trennen und dann erst die Netzseite abschalten. avg (u U ) s 2+ (S2+) Abb.10.9: Drosselstrom, Umrichter-Eingangsspannung u U, deren Mittelwert avg(u U ), Schaltsignale und s 2+ für Wechselrichterbetrieb. 6

7 s 2+ (S2+) Abb.10.10: Drosselstrom, Umrichter-Eingangsspannung u U, deren Mittelwert avg(u U ), Schaltsignale und s 2+ im Zeitmaßstab 20µs/DIV. Die linke Lupe in Abb.10.9 kennzeichnet den vergrößerten Zeitbereich. s 2+ (S2+) Abb.10.11: Drosselstrom, Umrichter-Eingangsspannung u U, deren Mittelwert avg(u U ), Schaltsignale und s 2+ im Zeitmaßstab 20µs/DIV. Die rechte Lupe in Abb.10.9 kennzeichnet den vergrößerten Zeitbereich. 7

8 10.3 Gleich- und Wechselrichter mit Zweipunktregelung des Eingangsstromes Belassen sie den Leistungsteil gemäß 10.1 (ohne Netzgerät). U * O L1 L1 1 s 1- t U_1* = I_1P I_N1* 0 U*+ u O U_1 = u 1 U12-C I1-C UZK-C î * Abb.10.12: Blockschaltbild zur Erzeugung der Schaltsignale s ij der MOSFETs S ij (i = 1,2; j = +, ) für den Betrieb des einphasigen Pulsumrichtersystems mit Zweipunktregelung des Eingangsstroms. i * Abb.10.13: Schaltungstechnische Realisierung der Erzeugung der Schaltsignale S_A = S1 = (S1+) und S_B = S2+ = (S2 ) (Seite 5 in der Gesamtschaltung). In Abb ist die Blockschaltung für den Betrieb des Pulsumrichters als einphasiger Gleichrichter mit Zweipunktregelung der Eingangsströme dargestellt. Der Sollwert des Eingangsstromes wird wieder durch Multiplikation des Spitzenwertes des Eingangsstromes î * L1 mit der Netzspannung u 1 gebildet. Dadurch wird eine netzspannungsproportionale Führung des Eingangsstromes erreicht. Der Spannungsregler ist als PI-Regler ausgeführt und definiert den Spitzenwert des Eingangsstromes î 1 = î * L1. Die Dynamik des Spannungsreglers muss in diesem Fall jedoch reduziert werden (R116 = 1.2K, C58 = 1µF), damit er nicht versucht, die Welligkeit der Zwischenkreisspannung zu reduzieren. Dies hätte eine Verzerrung des Eingangsstromes zur Folge. Die schaltungstechnische Realisierung ist in Abb dargestellt. Für den Betrieb als Gleichrichter mit kontinuierlichem Eingangsstrom und Zweipunktregelung des Eingangsstroms muss folgende Konfiguration hergestellt werden (Abb.10.14): 8

9 - R116 = 1.2K, C58 = 1µF - JP1: U*+ (ganz links, Pins 1-2) - JP2: UZK-C (2.Pos von links, Pins 3-4) - JPS1+: auf Position INV1+ (2.Pos von unten, Pins 13-14) - JPS1 : auf Position S_E (4.Pos von unten, Pins 9-10) - JPS2+: auf Position S_E (3.Pos von oben, Pins 5-6) - JPS2 : auf Position INV2+ (2.Pos von unten, Pins 13-14) - Die verbleibenden JPSxx ganz unten (GND, Pins 15-16) R116, C58 Abb.10.14: Konfiguration der Jumper für den Betrieb des Pulsumrichters mit Zweipunktregelung des Eingangsstroms. Beachten sie die zusätzlichen Bauelemente R116 = 1.2K und C58 = 1µF. Abb zeigt den Drosselstrom, die schaltfrequente Umrichtereingangsspannung u U (zwischen den Klemmen X 1 und X 2 ), deren Mittelwert über mehrere Perioden avg(u U ) und das zugehörige Schaltsignal. Die Regelung weist für diesen Betriebspunkt Zwei-Level Verhalten auf, d.h. die sinusförmige Eingangsspannung wird hier durch nur zwei Spannungsniveaus nachgebildet. Es ist auch ohne weiteren Zoom zu erkennen, dass die Schaltfrequenz nun nicht mehr konstant ist. Die Schaltzeitpunkte werden so gesetzt, dass ein konstanter Rippel des Eingangsstromes erreicht wird. Durch Hinzufügen eines Netzgerätes an den Klemmen X 7 - X 9 können sie nun wieder den Wechselrichterbetrieb gemäß Abb untersuchen. 9

10 avg (u U ) Abb.10.15: Drosselstrom, Umrichter-Eingangsspannung u U, deren Mittelwert avg(u U ), Schaltsignal für Gleichrichterbetrieb mit Zweipunktregelung des Eingangsstroms. avg (u U ) Abb.10.16: Drosselstrom, Umrichter-Eingangsspannung u U, deren Mittelwert avg(u U ), Schaltsignal für Wechselrichterbetrieb mit Zweipunktregelung des Eingangsstroms. 10

11 10.4 Wechselrichter im Inselbetrieb Bisher wurde der Wechselrichterbetrieb für Verbindung des Systems mit einem eingeprägten Netz, das den Sollwert der Spannung vorgibt, untersucht. Für Wechselrichter im Inselbetrieb muss dieser Sollwert zur Verfügung gestellt werden. - Belasten sie das System auf der Wechselspannungsseite U 1 an den Klemmen X 4 und X 5 mit einem geeigneten Lastwiderstand. - Versorgen sie das System auf der Gleichspannungsseite mit einem geeigneten Netzgerät an den Klemmen X 7 und X 9. - Stellen sie die richtige Relaiskonfiguration her. u D1 TRI_1 1 0 s 1+ S1+ u * 1 IN_A s 1- t U_1* = EXT I_1P 1 0 u 1 U12-C 1 s 2+ 0 S_B = S2+ u D2 TRI_2 1 0 S_A = S1- s 2- S2- Abb.10.17: Blockschaltbild zur Erzeugung der Schaltsignale s ij der MOSFETs S ij (i = 1,2; j = +, ) für den Betrieb des einphasigen Wechselrichters im Inselbetrieb. Abb.10.18: Schaltungstechnische Realisierung der Erzeugung der Schaltsignale für den Pulsumrichter S_A = S1 = (S1+) und S_B = S2+ = (S2 ) (Seite 5 in der Gesamtschaltung). In Abb ist die Blockschaltung für den Betrieb des Pulsumrichters als einphasiger Wechselrichter im Inselbetrieb mit konstanter Taktfrequenz dargestellt. Der Sollwert der Ausgangsspannung wird durch einen Funktionsgenerator vorgegeben. Er wird mit dem Istwert verglichen und dementsprechend mit zwei Dreiecksignalen u D1 und u D2 verglichen, woraus sich die Schaltsignale s ij ableiten. Die schaltungstechnische Realisierung ist in Abb dargestellt. Für den Betrieb als Wechselrichter mit kontinuierlichem Eingangsstrom und konstanter Taktfrequenz muss nun folgende Konfiguration hergestellt werden (Abb.10.19). 11

12 - R123 = 12K - JP1: EXT (3.Pos. von links, Pins 5-6) - JP2: U12-C (3.Pos von links, Pins 5-6) - JP3: entfernen - JP10: I_1P (oben, Pins 1-2) - JP11: -REF (oben, Pins 2-3) - JP12: unten (Pins 1-2) - JP13: unten (Pins 1-2) - JPS1+: auf Position S_A (ganz oben, Pins 1-2) - JPS1 : auf Position INV1+ (2.Pos von unten, Pins 13-14) - JPS2+: auf Position INV2 (2.Pos von unten, Pins 13-14) - JPS2 : auf Position S_B (2.Pos von oben, Pins 3-4) - Die verbleibenden JPSxx ganz unten (GND, Pins 15-16) - Anschluss des Funktionsgenerators zur Erzeugung des Sollwerts R123 Funktionsgenerator Abb.10.19: Konfiguration der Jumper für den Betrieb des Pulsumrichters als Wechselrichter im Inselbetrieb. Beachten sie den zusätzlichen Widerstand R123 = 12K. Abb zeigt den Laststrom und die Ausgangsspannung u 1, den vom Funktionsgenerator vorgegebenen Sollwert der Ausgangsspannung u 1 * und das zugehörige Schaltsignal s 1+. Da es sich in diesem Fall um eine ohmsche Last handelt, wird im Folgenden die Ausgangsspannung durch die Umrichterausgangsspannung ersetzt (Abb.10.21). Zur Veranschaulichung ist in Abb die Zeitablenkung auf 20µs/DIV eingestellt. 12

13 Anmerkung: Der Lastwiderstand sollte nicht zu hoch sein (R L =30-50Ω), evt. hilft es, die Reglerdynamik etwas einzuschränken (R116 = 1.2K, C58 = 1µF). u 1 (X4 X5) u 1 * (JP1) s 1+ (S1+) Abb.10.20: Laststrom, Istwert der Ausgangsspannung u 1, Sollwert der Ausgangsspannung u 1 * und Schaltsignal s 1+ für Wechselrichter im Inselbetrieb mit 50Hz Ausgangsspannung. u 1 * (JP1) s 1+ (S1+) Abb.10.21: Laststrom, Umrichter- Ausgangsspannung u U, Sollwert der Ausgangsspannung u 1 * und Schaltsignal s 1+ für Wechselrichter im Inselbetrieb mit Ausgangsspannung 50Hz - Sinus. 13

14 u 1 * (JP1) s 1+ (S1+) Abb.10.22: Laststrom, Umrichter- Ausgangsspannung u U, Sollwert der Ausgangsspannung u 1 * und Schaltsignal s 1+ für Wechselrichter im Inselbetrieb mit im Zeitmaßstab 20µs/DIV. Die Lupe in Abb kennzeichnet den gezoomten Bereich. u 1 * (JP1) s 1+ (S1+) Abb.10.23: Laststrom, Umrichter- Ausgangsspannung u U, Sollwert der Ausgangsspannung u 1 * und Schaltsignal s 1+ für Wechselrichter im Inselbetrieb mit Ausgangsspannung 100Hz Rechteck. 14

15 u 1 * (JP1) s 1+ (S1+) Abb.10.24: Laststrom, Umrichter- Ausgangsspannung u U, Sollwert der Ausgangsspannung u 1 * und Schaltsignal s 1+ für Wechselrichter im Inselbetrieb mit Ausgangsspannung 100Hz Dreieck. Mit dem gegenständlichen System lassen sich nicht nur sinusförmige Ausgangsspannungen, sondern auch z.b. eine Rechteckspannung (Abb.10.23) oder eine Dreieckspannung (Abb.10.24) erzeugen, soweit es die Dynamik zulässt. 15