E l e k t r o n i k II

Transkript

1 Fachhochschule Südwestfalen Hochschule für Technik und Wirtschaft E l e k t r o n i k II Dr.-Ing. Arno Soennecken EEX European Energy Exchange AG Neumarkt Leipzig Vorlesung Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren im SS 2003 Elektronik II Mob.: (+49)173/ Fax: (+49)341/ arno.soennecken@eex.de

2 7. Stromrichter 7.1 Einführung Einrichtungen zum Umformen oder Steuern elektrischer Energie unter Verwendung von Stromrichterventilen (z.b. Thyristoren, Gleichrichterdioden) Verschiedene Möglichkeiten zum Umformen elektrischer Energie (s.bild 1.1: Kreise verschiedenartige Stromsysteme; Pfeile Richtung des Energieflusses): Gleichrichter Wechselrichter Umrichter (Wechselstromumrichter, Gleichstromumrichter) Folie 2 (SS 2003)

3 Beispiel in Bild 1.5: Stromrichter arbeitet im normalen Betrieb als Wechselrichter, da er Gleichstromenergie in Drehstromenergie umformt. Bei Umkehr der Energierichtung speist der Stromrichter als Gleichrichter Leistung in das Gliechstromnetz ein. (Umkehr der Energierichtung: z.b. wenn Maschinenfrequenz schnell zu tieferen Werten verstellt wird übersynchroner Lauf der angeschlossenen Maschinen) Wechselstromrichter (Umrichter) Reihenschaltung von Gleichrichter und Wechselrichter (Teilstromrichter müssen durch Energiespeicher entkoppelt werden (z.b. Reduzierung des Einflußes von Teilstromrichter I auf das Verhalten der Drehstrommaschine (derartige Stromrichter nennt man auch Zwischenkreis-Umrichter) Folie 3 (SS 2003)

4 Folie 4 (SS 2003)

5 Unterscheidung der Betriebsarten: Motorbetrieb: Teilstromumrichter I Gleichrichter und Teilstromumrichter II Wechselrichter Generatorbetrieb (z.b. beim Abbremsen):... kehren die beiden Teilstromrichter ihre Funktion um (Ergänzung zu Bild 1.6: Änderung der Maschinenspannung über Teilstromrichter I; Änderung der Maschinenfrequenz über Teilstromrichter II) Zusätzliche Einteilung der Stromrichter nach der Herkunft der Kommutierungsspannung (Führung des Stromrichters) sowie nach der Herkunft der Taktfrequenz (Taktgebung des Stromrichters) Führung des Stromrichters: Fremdgeführte Stromrichter: Netzgeführte Stromrichter (Kommutierungsspannung wird durch das speisende Wechselspannungsnetz zur Verfügung gestellt) Folie 5 (SS 2003)

6 Lastgeführte Stromrichter (Dieser erhält die Kommutierungsspannung vom Verbraucher) Selbstgeführte Stromrichter (z.b. Teilstromrichter II in Bild 1.6) Taktgebung des Stromrichters (die Taktfrequenz ist die Frequenz, mit der ein Stromrichterzweig periodisch in den leitenden Zustand versetzt wird) Fremdgetaktete Stromrichter: Netzgetaktete Stromrichter (Wechselspannungsnetz bestimmt die Taktfrequenz) Lastgetaktete Stromrichter (Wechselspannung an Verbraucher bestimmt die Taktfrequenz) Eigengetaktete Stromrichter (... benötigen keine fremde Wechselspannungsquelle als Taktgeber) 7.2 netzgeführte Stromrichter (dreipulsige Stromrichter) Gleich- und Wechselrichterbetrieb (s.schaltung in Bild 3.19) Folie 6 (SS 2003)

7 Folie 7 (SS 2003)

8 Gleich- und Wechselrichterbetrieb (s.schaltung in Bild 3.19) Ausgangsspannung des Stromrichters U diα kann entsprechend der Schaltung stufenlos in ihrer Höhe variiert werden. (Steuersatz erzeugt netzsynchrone Zündimpulse, deren zeitliche Lage - vom natürlichen Zündzeitpunkt aus - verstellt werden kann) Lage des natürlichen Zündzeitpunktes? Steuerwinkel α? Aufgrund Thyristoreigenschaften läßt sich die jeweilige Phasenspannung um α verzögert einschalten Wann kann der neu gezündete Thyristor den Strom übernehmen? (z.b. T2: U S2 > U S1! Möglicher Bereich der Zündverzögerung? (s. Bild 3.21) Folie 8 (SS 2003)

9 Zeitlicher Verlauf der ungeglätteten Gleichspannung U diα bei stetiger Vergrößerung des Steuerwinkels α (s. Bild 3.22) [Voraussetzung: Ideale Glättung des Gleichstroms (keine ohmsche Last)] Bei α = 90º: Mittelwert der Gleichspannung null! Mit Verkleinerung von α stetige Erhöhung der Gleichspannung (z.b. für Hochfahren einer Gleichstrommaschine als Motor) Folie 9 (SS 2003)

10 Berechnung des Gleichspannungsmittelswertes U diα : U diα = 3 2π +π/3+α -π/3+α 2 U S cos x dx Nach Lösen des Integrals erhält man U S1 U diα U S3 2 U S sin π 3 U diα = cos α π 3 U diα = U di cos α... gilt nur bei vorausgesetzter idealer Glättung: Gleichstrom fließt auch dann weiter, wenn die ungeglättete Gleichspannung negative Augenblickswerte aufweist) Möglicher Bereich der Zündverzögerung: α : 180º Bei α > 90º ergibt sich negative Gleichspannung (Strom kann nicht negativ werden) negative Gleichstromleistung P di U S2 - π 3 π 3 x Folie 10 (SS 2003)

11 Bei derartigem Betrieb (Verbraucher-Zählpfeilsystem): Energielieferung aus dem Gleichstromnetz in das Drehstromnetz Stromrichter arbeitet bei α > 90º im Wechselrichterbetrieb Vorgänge beim Wechselrichterbetrieb (s. Bild 3.24 und 3.25) Gegenüber vorher wirkt Gleichstrommaschine als Generator mit umgekehrter Polarität. Bei α > 90º ist die Spannung Folie 11 (SS 2003)

12 des Stromrichters negativ (s.ersatzschaltbild des Stromrichters (Bild 3.25): Reihenschaltung aus veränderlicher Spannungsquelle und Diode) Gleichrichterbetrieb: Reihenschaltung der beiden Spannungsquellen (Stromrichter und Generator) hoher Stromfluß (Begrenzung durch Innenwiderstände des Stromrichters und des Generators) Wechselrichterbetrieb (Steuerwinkel α > 90º): Umkehrung der Spannung vom Stromrichter Spannungsquellen (Bild 3.25) sind dann gegeneinander geschaltet: Folie 12 (SS 2003)

13 Was passiert, wenn beide Spannungen bei einem bestimmten Steuerwinkel gleich groß sind? Bei entsprechender Ansteuerung des Stromrichters, so daß Spannung von Stromrichter unterhalb der Generatorspannung liegt, fließt ein definierter Strom (s. Funktion des Steuersatzes, Bild 3.26) Über Wechselrichter wird Gleichstromenergie in Drehstromenergie umgeformt Verdeutlichung des Sachverhalts erneut im Bild 3.27: α = 0º / Gleichrichter: Phasenverschiebung zw. Grundschwingung des sekundären Wicklungsstromes und Phasenspannung null; cos ϕ = 1 bzgl. Grundschwingung verhält sich Stromrichter wie ideale Widerstandslast α = 180º / Wechselrichter:... bzgl. Grundschwingung verhält sich Stromrichter wie Synchrongenerator Einspeisung von reinem Wirkstrom in das Drehstromnetz Folie 13 (SS 2003)

14 Folie 14 (SS 2003)

15 Folie 15 (SS 2003)

16 Folie 16 (SS 2003)

17 α < 180º / Wechselrichter:... bzgl. Grundschwingung verhält sich Stromrichter wie untererregter Synchrongenerator (Einspeisung von reinem Wirkstrom in das Drehstromnetz & Entnahme von Magnetisierungsstrom) α = 90º:... cos ϕ = 0 bzgl. Grundschwingung verhält sich Stromrichter wie ideale Drosselspule im Drehstromnetz Bild 3.29: Verlauf der Gleichspannung bei zeitlicher Änderung des Steuerwinkels α zw. 90º und 150º (Bild 3.30: Verhalten des Stromrichters bei plötzlichem Übergang von Gleichrichter- in den Wechselrichterbetrieb und umgekehrt) In der Praxis wird theoretisch möglicher Steuerwinkel α = 180º nicht erreicht (s. Spannung an einem Thyristor bei α = 150º, z.b. T 1 ) Nach der Stromführung ist Spannung am Thyristor für Dauer entsprechend Löschwinkel γ negativ. In dieser Schonzeit t c muß Thyristor seine Sperrfähigkeit für positive Spannungen wiedererlangen (Schonzeit t c > sog. Freiwerdezeit t q vom Thyristor [ µs]) Folie 17 (SS 2003)

18 Folie 18 (SS 2003)

19 Löschwinkel γ = 0º: keine Sperrung des Thyristors möglich! (keine Kommutierung des Stromes Kippen des Wechselrichters In der Praxis meistens α max = 150º Gründe: Freiwerdezeit des Thyristors & endliche Kommutierungsdauer; α max Trittgrenze des Wechselrichters Folie 19 (SS 2003)

20 Folie 20 (SS 2003)

21 Folie 21 (SS 2003)

22 7.3 Einsatzbeispiele von Stromrichtern (Umrichter) Grundsätzliche Struktur von Umrichtern (Bild 5.8): Reihen- bzw. Antiparallelschaltung zweier Teilstromrichter * * Zusätzlich können sich Teilstromrichter in ihrer Betriebsart, usw. unterscheiden. Folie 22 (SS 2003)

23 Reihenschaltung: Anwesenheit eines oder mehrerer Energiespeicher Entkoppelung des maschinenseitigen Stromrichterbetriebs von der Netzfrequenz; sog. Zwischenkreisumrichter: maximale Frequenz: mehrere hundert Hertz! Antiparallele Schaltung: Kopplung von Primär- und Sekundärnetz: Maschinenspannung wird direkt aus Ausschnitten der Netzspannung gebildet; sog. Direktumrichter: maximale Maschinenfrequenz von Netzfrequenz abhängig Direktumrichter: Bild 5.9: Verhältnisse bei gemischt-ohm sch-induktiver Last Folie 23 (SS 2003)

24 Folie 24 (SS 2003)

25 Zunächst Stromrichter I in Gleichrichterbetrieb: Laststrom baut sich auf (Verhältnis R/L); bei Umsteuerung auf Wechselrichterbetrieb: Abbau des Stroms null; Erfassung des Nulldurchgangs des Stroms Einschaltung Stromrichter II; Stromrichter II übernimmt negative Halbwelle vom Strom Abhängigkeit der erreichbaren Ausgangsfrequenz des Umrichters (bei unendl. hoher Pulszahl des Stromrichters: theoretisch Netzfrequenz; mit sechspulsigem Stromrichter max. ca. halbe Netzfrequenz) Bild 5.11: Schaltung, Steuerung und Regelung eines Direktumrichters; antiparallele Teilstromrichter in Brückenschaltung (Drehstrom); durch Vorgabe eines sinusförmigen Stromsollwertes i * erzwingen Stromrichter inkl. Beschaltung sinusförmigen Stromistwert Folie 25 (SS 2003)

26 Folie 26 (SS 2003)

27 Folie 27 (SS 2003)