Elektrische Maschinen und Antriebe

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1 Viewegs Fachbücher der Technik Elektrische Maschinen und Antriebe Lehr- und Arbeitsbuch Bearbeitet von Klaus Fuest, Peter Döring 1. Auflage 004. Taschenbuch. X, 3 S. Paperback ISBN Format (B x L): 17 x 4 cm Weitere Fachgebiete > Technik > Energietechnik, Elektrotechnik > Elektrotechnik Zu Inhaltsverzeichnis schnell und portofrei erhältlich bei Die Online-Fachbuchhandlung beck-shop.de ist spezialisiert auf Fachbücher, insbesondere Recht, Steuern und Wirtschaft. Im Sortiment finden Sie alle Medien (Bücher, Zeitschriften, CDs, ebooks, etc.) aller Verlage. Ergänzt wird das Programm durch Services wie Neuerscheinungsdienst oder Zusammenstellungen von Büchern zu Sonderpreisen. Der Shop führt mehr als 8 Millionen Produkte.

2 7.3 Betrachtungen zur Leistungselektronik Gesteuerter Brückengleichrichter bei induktiv-ohmscher Last Die Schaltung nach Bild 7-37 zeigt eine vollgesteuerte Zweipuls-Brücken-Gleichrichterschaltung BC mit ohmsch-induktiver Last. Für ohmsche Last ergibt sich das Liniendiagramm nach Bild o AV 60 Bild 7-37 Vollgesteuerte BC-Gleichrichterschaltung mit RL-Last α Θ α =60 α Θ Bild 7-38 Liniendiagramm zu Bild 7-37 bei ohmscher Last ( α = 0 ; α = 60 ) AV Bei einem Phasenanschnittwinkel α = 0 ergibt sich die Spannung o mit dem arithmetischen Mittelwert AV, wie er für eine ungesteuerte B-Schaltung typisch ist. Bei einem Phasenanschnittwinkel α = 60 ergibt sich die Spannung 6o mit dem arithmetischen Mittelwert AV, der deutlich unter dem Wert für eine ungesteuerte B- Schaltung zurückbleibt. Man kann also über den Anschnittwinkel den Wert der Gleichspannung steuern. Für eine ohmsch-induktive Last und einem Phasenanschnittwinkel α = 10 ergibt sich das Liniendiagramm nach Bild Der Gleichstrom I d erreicht nicht die Stromkurve des eingeschwungenen Stromes I und somit ist der Strom im 1. Stromweg bereits erloschen, wenn der. Stromweg zündet. Als Folge treten Stromlücken auf, deren Breite von den Werten der Last und dem Phasenanschnittwinkel abhängen.,i,i I I d 360 α =10 I=I d Bild 7-39 Liniendiagramm BC-Schaltung mit α = 10 α = ϕ Bild 7-40 Liniendiagramm BC-Schaltung α = ϕ Wird der Phasenanschnittwinkel α gleich dem Phasenverschiebungswinkel ϕ, so ergibt sich ein Liniendiagramm nach Bild Der Gleichstrom I d besteht aus Sinusbögen, die Stromlücken sind auf Null geschrumpft. Eine weitere Verkleinerung der Phasen-

3 148 7 Elektronische Antriebstechnik anschnittwinkel führt zur Überschneidung der Stromverläufe, d. h. zum nichtlückenden (kommutierenden) Betrieb nach Bild Auswahlkriterien: RRM = = S periodische Spitzensperrspannung I FAVM = I D = I L / periodischer Spitzendurchlassstrom Geht der Laststrom von einem Stromweg auf einen anderen Stromweg über, ohne dass vorher der Strom im abgebenden Ventil Null geworden ist, so bezeichnet man diesen Vorgang als Kommutierung. Je nach rsache spricht man von netzgeführten oder lastgeführten Stromrichtern; zusammen bilden sie die Gruppe der fremd geführten Stromrichter. Die Ausgangsspannung d des vollgesteuerten B-Stromrichters (BC) hängt nicht nur vom Phasenanschnittwinkel α, sondern auch von der Lastart ab. Bei den Lastarten unterscheide man zwischen Widerstandslast, induktiver Last und aktiver Last. nter aktiver Last ist das Betreiben eines Stromrichters auf eine Gegenspannung (Akkumulator oder induzierte Spannung o eines Gleichstrommotors) zu verstehen. Die lastabhängigen Steuerkennlinien nach Bild 7-4 beschreiben das Verhältnis von gesteuerter Gleichspannung d α zu ungesteuerter Gleichspannung do bei verschiedenen Lastarten. Man erkennt, dass die Ausgangsspannung d α bei idealer induktiver Last bei einem Phasenanschnittwinkel α = 90 zu Null wird. Wird der Phasenanschnittwinkel α > 90 bei aktiver Last, so geht der B-Stromrichter (BC) in den lastgeführten Wechselrichterbetrieb über. Dieser Vorgang ist wichtig und wird an der M3C-Gleichrichterschaltung erläutert. 1,0 /V u 1 i t/ms 50 Bild 7-41 BC-Schaltung bei α = 0 mit Stromglättung durch ohmsch-induktive Last I /ma ,0 α Θ d α do 0,5-0,5 Induktive Last Widerstandslast Aktive Last Induktive Last Bild 7-4 Steuerkennlinien einer BC- Schaltung Gleichrichterbetrieb Wechselrichterbetrieb Die Gleichspannung errechnet sich bei ohmscher Last S AV AVα = diα = (1 + cosα) AVα = diα = ( 1 + cosα) π bei ohmsch-induktiver Last ( δ = α lückfreier Betrieb)

4 7.3 Betrachtungen zur Leistungselektronik 149 S S AVα = diα = (cosδ + cosα) = cosα π π AVα = diα = AV cosα lückender Betrieb, wenn α > ϕ nicht lückender Betrieb, wenn α ϕ Ventilspannung RRM > 1,1 k S Ventilstrom I T = I AV / Bild 7-43 Halb gesteuerter Stromrichter (BHK) Halbgesteuerte Stromrichter entsprechend den Schaltungen in Bild 7-43 (BHK) und in Bild 7-44 (BHZ) können nur als Gleichrichter eingesetzt werden, da die Dioden zu bestimmten Zeiten wie Freilaufdioden wirken, so dass die Polarität der Gleichspannung d nicht negativ werden kann, reduzieren jedoch die Blindleistung um die Hälfte. Für die Drehzahlsteuerung von Gleichstrommotoren geringer Leistung ohne Nutzbremsung können diese Schaltungen verwendet werden. Die Gleichspannung (arithmetischer Mittelwert) errechnet sich zu AV AVα = di = diα = 0,9 = AV ( 1 + cosα) Gesteuerte Dreipulsmittelpunktschaltung bei induktiv-ohmscher Last Bild 7-44 Halb gesteuerter Stromrichter (BHZ) Bei großen Gleichstromleistungen wird der Gleichstrom dem Drehstromnetz entnommen. Hier sollen nur beispielhaft die M3C-Gleichrichterschaltung (vollgesteuerte Dreipulsmit-

5 150 7 Elektronische Antriebstechnik telpunktschaltung) und die vollgesteuerte Sechspulsbrückengleichrichterschaltung (B6C) besprochen werden. Bild 7-45 zeigt eine M3C-Schaltung mit ohmsch-induktiver Last an einem Dy-Transformator mit herausgezogenem Sternpunkt. Bei einem Phasenanschnittwinkel α = 0 arbeitet diese Schaltung quasi als ungesteuerter Gleichrichter M3 (Thyristoren durch Dioden ersetzt). Es ist immer das Stromventil leitend, dessen Anoden-Katoden-Spannung das positivste Potenzial besitzt. Bei idealer Stromglättung ergeben sich Stromblöcke mit einer Länge von 10, während die Gleichspannung d nur eine sehr geringe Welligkeit aufweist. Bild 7-45 Vollgesteuerte Dreipulsmittelpunktschaltung M3C mit ohmsch-induktiver Last Bei rein ohmscher Last können die Thyristoren V1 bis V3 erst 30 nach dem Nulldurchgang der Sternspannungen gezündet werden, da erst dann die Ventilspannungen positiv werden. Ein Impulssteuergerät muss je Periode drei um 10 phasenverschobene Impulse an die Gates liefern. Bei einem Phasenanschnittwinkel α 30 arbeitet diese Schaltung bei ohmscher Last nach Bild 7-46 im nichtlückenden Betrieb, bei einem Phasenanschnittwinkel 30 α 150 dagegen im lückenden Betrieb. d d 30 α α Bild 7-46 M3C-Schaltung bei nichtlückendem Betrieb Bild 7-47 M3C-Schaltung bei lückendem Betrieb Ist die Induktivität L nach Bild 7-45 ausreichend groß, so wird I d vollständig geglättet und es treten keine Lücken auf. Die Gleichspannung errechnet sich bei nicht lückendem Betrieb und ohmscher Last für 0 α 30 AVα 3 3 S = diα = cosα = π AV cosα

6 7.3 Betrachtungen zur Leistungselektronik 151 bei lückendem Betrieb und ohmscher Last für 30 α S AVα = diα = AV α π 3 [ 1+ cos( α + 30 ) ] = [ 1+ cos( + 30 ) ] bei ohmsch-induktiver Last und lückfreiem Betrieb (vollständig geglätteter Strom aufgrund der Glättungsdrossel) AVα 3 S = diα = cosα = π AV cosα Auswahlkriterien: RRM = 6 S periodische Spitzensperrspannung RRM > 1,1 k 6 S I FAVM = ID = IL/3 periodischer Spitzendurchlassstrom Bild 7-48 zeigt den Verlauf von d () bei α 1 = 0, α = 30, α 3 = 60 und α 4 = 90 im Gleichrichterbetrieb. Die Spannung d α wird bei α 4 = 90 zu Null. Bei gleicher Richtung von Strom und Spannung wird eine Gleichstrommaschine als Motor betrieben. Wird der Phasenanschnittwinkel α > 90, so wird die Spannung d α negativ. Nun kann sich zwar die Spannung d α umpolen, nicht jedoch der Strom I d aufgrund der Stromventile. Die Schaltung geht in den Wechselrichterbetrieb über. Die bestehenden Strom- und Spannungsverhältnisse sind nur möglich, wenn die angeschlossene Last eine aktive Last ist. Bei unterschiedlichen Richtungen von Strom und Spannung wird die Gleichstrommaschine als Generator betrieben. Die nunmehr von der Maschine im Bremsbetrieb erzeugte Energie wird ins Netz zurückgespeist (Nutzbremsung). Die Schaltung funktioniert nur in dieser Weise, wenn weiterhin das Dreistromnetz angeschlossen ist, da durch diese das periodische Schalten der Thyristoren mitbestimmt wird. Es handelt sich hier um einen netzgeführten Wechselrichter. Aufgrund der nicht unendlich kurzen Kommutierungszeit und der Freiwerdezeit der Stromventile kann der Phasenanschnittwinkel nicht auf α = 180 ausgedehnt werden. Bei Erreichen der sog. Wechselrichtergrenze erlangen die Thyristoren ihre Sperrfähigkeit nicht rechtzeitig wieder, so dass mehrere Thyristoren gleichzeitig noch leitend sind. Dieser mstand soll hier nicht weiter vertieft werden. Gleichrichterbetrieb Wechselrichterbetrieb α =0 α =30 α =60 α =90 α =10 α = Bild 7-48 Verlauf der Verbraucherspannung bei verschiedenen Phasenanschnittwinkeln und Übergang vom Gleichrichter- in den Wechselrichterbetrieb

7 15 7 Elektronische Antriebstechnik Das Erreichen der Wechselrichtergrenze führt zu einem sprungartigen Verändern der Ausgangsspannung, wie in Bild 7-48 für α = 165 dargestellt ist. Dieser Vorgang wird Wechselrichterkippen genannt. Der maximale Anschnittwinkel wird häufig auf α max = 150 durch den Betreiber eingestellt. d α L1N LN L3N α = Bild 7-49 Fremdgeführter Wechselrichterbetrieb mit Kippvorgang bei α = Gesteuerte Drehstrombrückenschaltung bei induktiv-ohmscher Last Die vollgesteuerte Sechspulsbrückenschaltung B6C nach Bild 7-50 ist auch hinsichtlich Welligkeit und Transformatortypenleistung vorteilhafter als die M3C-Schaltung. Da hier ein Sternpunkt nicht erforderlich ist (in der Schaltung nach Bild 7-45 führt er den gesamten Strom I d ) wird diese Schaltung bei höheren Leistungen fast immer verwendet. Bild 7-50 Vollgesteuerte B6C-Schaltung mit ohmsch-induktiver Last Die lastabhängige Steuerkennlinie eines B6C-Stromrichters zeigt Bild Die Steuerkurven bei rein induktiver bzw. ohmscher Last liegen in weiten Bereichen übereinander.