2. Wechselrichter. 2.1 Steuerverfahren Steuerung der Ausgangsspannung Amplitudensteuerung Blocksteuerung

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1 . Wechselrichter 1. Wechselrichter Es steht eine Gleichspannung zur Umwandlung in Wechselspannung zur Verügung. Meist wird eine Brückenschaltung mit Transistoren als Wechselrichter eingesetzt. Durch gegenphasiges Schalten der Brückenzweige wird an der Last eine rechteckörmige Spannung eingeprägt (daher auch der Name Spannungswechselrichter). Die Stromorm durch die Last hängt von deren Impedanz ab. Mit dieser Schaltung kann die Ausgangswechselspannung in Amplitude und Frequenz verändert werden. Die Gleichspannung kann aus einer Batterie oder über einen Gleichrichter vom Netz bezogen werden. Im letzteren Fall spricht man auch von einem Frequenzumrichter, da die Netzspannung in eine Wechselspannung mit anderer Frequenz umgewandelt werden kann..1 Steuerverahren.1.1 Steuerung der Ausgangsspannung Amplitudensteuerung.1.1. Blocksteuerung Pulssteuerung Allgemeines, Kennwerte: Das Pulssteuerverahren hat sich augrund immer schneller schaltbaren Halbleiterventile durchgesetzt. Bei der Pulssteuerung können durch mehraches Umschalten aus der rechteckörmigen Ausgangsspannung Teile herausgeschnitten werden. Dadurch ist es möglich, den Eektivwert stetig entsprechend der georderten Frequenz herabzusetzen. Der Wechselrichter arbeitet an einem Gleichspannungszwischenkreis mit möglichst konstanter Spannung. Sie wird durch eine ungesteuerte Halbleiterbrücke erzeugt. Im Gegensatz zur gesteuerten Brücke wird hier das Versorgungsnetz nicht durch Steuerblindleistung belastet. Wie in Abb. 57 (Kap...) gezeigt kann eine Wechselspannung mit Hile der FOURIER-Analyse in einen Grundschwingungsanteil U L1 und einen Verzerrungsanteil U LVZ zerlegt werden. Eine Zerlegung des Stromes i L (t) ist natürlich ebenallsmöglich, wobei dieser durch den Eektivwert seines Verzerrungsanteils I VZ die Schaltungskomponenten zusätzlich belastet. Der größte Wert des Verzerrungsstromes Î VZ liegt oberhalb des Scheitelwertes der Grundschwingung und kann deswegen zur Zerstörung der Bauelemente ühren. Aus diesem Grunde sollten die Verzerrungsanteile so klein wie möglich gehalten werden und hängen bei den meisten Steuerverahren vom Modulationsgrad M ab. Die Kennwerte lassen sich daher auch als eine Funktion von M darstellen: U = M sin L t q ( nωt + ϕ) = ˆu sin( nω + ϕ) u L1 1 mit n=1 ω = ω 1 :Grundrequenz 1 ϕ=ϕ 1 : Phasenwinkel der Grundschwingung (Phasenverschiebung zwischen Strom- und Spannungsgrundschwingung) Nur die Grundschwingung trägt zur Wirkleistungsübertragung bei.sie wird durch den Modulationsgrad M verändert. M gibt also das Verhältnis zwischen der Amplitude der Grundschwingung und der halben Zwischen-

2 Bauteil- und Schaltungsbemessung kreisspannung wieder und liegt im Bereich 0 M 4/π. Die max. Amplitude der Grundschwingung kann also um den Faktor 4/π über der Gleichspannung U q liegen. 4 ˆu L1, max = Uq = 1. 7U π q Der Aussteuerungsgrad (Tastverhältnis) A liegt dagegen im Bereich 0 A 1: 4 A = M = 1. 7M π Das Gesamtsignal, welches aus Grundschwingung und Verzerrungsanteil gebildet wird, wird durch die Eektivwerte U L und I L angegeben. Der Oberschwingungsgehalt k (siehe auch Kap. 1.4) gibt die Abweichung von der idealen Sinusorm an: L1 L L L3 + U L3 U + U... U k U = = U + U U LVZ L Die Schaltrequenz S gibt die Schaltzyklen pro Schalter und Zeiteinheit wieder. Diese besteht aus je einem Einund Ausschaltvorgang und die Schaltzahl q ist die au die Grundrequenz bezogene Schaltrequenz: q = S 1 mit S = t e 1 + t a Abb. 1: Prinzip der Pulssteuerung (synchrone Schaltunktion). Dargestellt sind die gepulste Ausgangsspannung u L sowie deren Grundschwingung (1. Harmonsiche u L1 ). Varianten der Pulssteuerung: Pulssteuerung ist ein synchrones Steuerverahren, da die Grundperioden der Schaltunktion identisch sind (siehe Abb. ). Folgende Symmetrien sind denkbar: Halbperiodensymmetrie: Viertelperiodensymmetrie: Die Schaltunktion setzt sich aus zwei identischen Halbperioden zusammen, die zueinander invertiert sind. Es treten nur ungeradzahlige Harmonische au ein Gleichanteil ist nicht vorhanden. Alle Teilschwingungen der FOURIER-Reihe haben entweder die gleiche Phasenlage wie die Grundschwingung oder sind zu dieser gegenphasig. Eigenschaten der Pulssteuerung: Schaltrequenz S ist ein ganzzahliges Vielaches der Grundrequenz 1 Schaltzahl q ist ganzzahlig FOURIER-Analyse ergibt ein diskretes Linienspektrum mit ganzzahligen Werten Die synchrone Schaltunktion kann innerhalb einer Periode T Symmetrien auweisen (siehe oben) Generell sollte man eine Viertelperiodensymmetrie anstreben, da hier die Ausgangsspannung u L mit sinusörmigen Sollwert einen minimalen Oberschwingungsgehalt auweist.

3 . Wechselrichter Zweipunkt-Stromregelung Asynchrone Steuerverahren haben keine symmetrische Schaltunktion die Grundschwingung unterscheidet sich jedoch nicht von der synchroner Verahren. Der Verzerrungsanteil ist periodisch. Folglich bildet sich das Frequenzspektrum nicht mehr nur aus ganzzahligen Harmonischen, sondern es entsteht ein verdichtetes Linienspektrum (Subharmonische). Dies sind die Eigenschaten der Zweipunkt-Stromregelung. B-Brücke Der Laststrom i L wird in einem Toleranzband mit der Breite i geschaltet, welches symmetrisch um einen sinusörmigen Sollwert i L,soll liegt. Ein Komparator schaltet die Ventile um, sobald der Strom i L,ist die Toleranzgrenze erreicht. Die Dierenz zwischen Soll- und Istwert entspricht dem Verzerrungsanteil des Stromes, der auch Abweichungen der Grundschwingung mit einschließt. Die Grundschwingung der Ausgangsspannung stellt sich den Lastverhältnissen (meist RL-Kombination) nach Betrag und Phase entsprechend ein. B6-Brücke Abb. : Pulsverahren mit Zweipunktsteuerung und Zweipunktregelung des Stromes eine Vormagnetisierungs der Spule (z.b. Anker) nachsich zieht..1. Steuerung der Ausgangsrequenz Veränderung der Schaltzeiten laut Schalterdiagramm. Gleiche Schaltzeiten ür beide Halbperioden sind notwendig, da sich sonst ein Gleichanteil bildet der.1.3 Steuerung des Brückenzweiges Blocksteuerung.1.3. Dreieck-Rechteck-Modulation ( Modulation) Bei Frequenzverhältnissen von q = S 9 mit 1 S = t e 1 + t a

4 4 Bauteil- und Schaltungsbemessung Dreieck-Sinus-Modulation ( Modulation). Einphasige, selbstgeührte Wechselrichter..1 M1-Schaltung.. B-Schaltung (WC) Die WC-Schaltung setzt sich aus zwei M1- Schaltungen zusammen. Dabei werden abwechselnd die diagonal liegenden Schalter T1-T4 bzw. T3-T geschaltet und so die Versorgungsgleichspannung Uq mit wechselnder Polarität an die Last übergeben. Als Schalter kommen alle ein- und ausschaltbaren Bauelemente inrage (z.b. BJT, MOSFET, IGBT, GTO und Thyristoren mit Ausschaltkreis). Zwischen den Steuerimpulsen ür die Schalter T1 und Abb. 3: Einphasen-Wechselrichter in Brückenschaltung (WC) T3 (bzw. T und T4) ist eine Totzeit t T notwendig, damit kein Kurzschluß bei ungleich schnell schaltenden Bauelementen entstehen kann. Damit ist die Betriebs- bzw. Schaltrequenz eingeschränkt. Allerdings erzeugen hohe Betriebsrequenzen hohe Schaltverluste 1. Bei induktiver Last hat der Strom nach dem Umschalten der Spannung einen exponentiell ansteigenden (bzw. aballenden) Verlau. Daher sind ür die Zeit nach der Spannungsumkehr Dioden notwendig, die den Strom solange ühren, bis auch dieser seine Richtung umgekehrt hat. In dieser Phase wird Energie in den Gleichstromkreis zurückgespeist (daher auch Rückspeisedioden). Die Gleichspannung U q wird durch den Zwischenkreiskondenstor C möglichst konstant gehalten. Der Verlau der Ausgangsspannung des Wechselrichters u L bleibt (nichtlückender Betrieb vorausgesetzt, unabhängig von der Last. Der Ausgangsstrom i L und somit auch der Oberschwingungsgehalt wird wesentlich von dem Charakter der Last beeinlußt. 1 In der Praxis bestimmen die thermischen Verluste die maximale Betriebsrequenz

5 . Wechselrichter 5 Abb. 4: Strom- und Spannungsverlau eines selbstgeührten Wechselrichters in Brückschaltung mit ohmscher und induktiver Last. Hier wurde ein Tastverhältnis TV (Aussteuergrad) von TV=0.5 gewählt..3 Dreiphasen-Wechselrichter (W6C) Abb. 5: Dreiphasiger Wechselrichter Energierückspeisung aus den Speicherelementen (Induktivitäten) dienen. Soll ein Drehstromverbraucher aus einer konst. Gleichspannungsquelle U q versorgt werden, so wird ein Wechselrichter mit 3 Phasen UVW benötigt. Die B6- Brücke wird über einen Zwischenkreis mit ausreichend großem Glättungskondensator (U q =konst.) gespeist. Zu jedem Schalter (Ventil) liegt wieder antiparallel eine Diode, die der

6 6 Bauteil- und Schaltungsbemessung Eigenschaten: Nur ungeradzahlige Harmonische Zusätzlich verschwinden alle durch 3 teilbaren Harmonischen Die graphische Konstruktion der verketteten Spannungen (Außenleiter-Spannungen) U UV, U VW, U WU aus den Strangspannungen U UN, U VN, U WN zeigt Abb. Abb. 6: Konstruktion der verketteten Spannungen (Außenleiter-Spannungen). U U U UV VW WU = U = U = U UN VN WN U U U VN WN UN.3.1 Blocksteuerung (λ=10 ).3. Blocksteuerung (λ=180 ) Abb. 7:

7 1. Thermische Eigenschaten 7 A. Bauteil- und Schaltungsbemessung 1. Thermische Eigenschaten 1. Konstruktion und Aubau 1.3 Thermisches Verhalten 1.4 Überspannungs- und Überstromschutz

8 8 F. Elektrische Fahrantriebe F. Elektrische Fahrantriebe 1. Anorderungen. Energiespeicher.1 Konventionelle Energiespeicher. Hochtemperatur-Systeme.3 Brennstozelle.4 Ladeeinrichtungen

9 3. Permanenterregte Synchronmaschine 9 3. Permanenterregte Synchronmaschine 3.1 Wirkprinzip 3. Steuerprinzip 3.3 Vereinachtes Steuerverahren 4. Asynchronmaschine 4.1 Wirkprinzip 4. Steuerprinzip ür konst. Rotorlußverkettung

10 10 G. Literaturverzeichnis G. Literaturverzeichnis [1] K.-H. Löcherer: Halbleiterbauelemente, B.G. Teubner Verlag Stuttgart, 199 [] Tietze, Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, Springer-Verlag, [3] Horowitz, Hill: The art o electronics, Cambridge university press, 1996 [4] E. Böhmer: Elemente der angewandten Elektronik, Vieweg-Verlag, [5] G. Hagmann: Leistungselektronik Grundlagen und Anwendungen, Aula-Verlag, 1993 [6] M. Michl: Leistungselektronik, Springer-Verlag, 199 [7] W. Stephan: Leistungselektronik interaktiv, Fachbuchverlag Leipzig, 001 [8] R. Lappe, H. Conrad, M. Kronberg: Leistungselektronik, Springer-Verlag, 1988 [9] K. Fuest, P. Döring: Elektrische Maschinen und Antriebe, Vieweg-Verlag, [10] B. Arlt: Der Leistungsschalter der Zukunt, elektronik 5/1995, S. 144, ranzis-verlag [11] D. Nührmann: Power-MOS-FETs, ranzis-verlag, 1993 [1] Siemens: Halbleiter, Siemens AG, 1990 [13] O. Kettenbaum: Skriptum Grundlagen der Elektrotechnik, [14] Pro. Dr. habil. M. Schulze: Leistungselektronik, Vorlesungsmitschrit 000/001, FH Zwickau [15] Pro. Nebl: Elektronische Bauelemente, Skript WS97/98, FH Regensburg

11 4. Asynchronmaschine 11 H. Index