Dreiphasen-Wechselrichter: Steuerzyklen der Ventile 1 bis 6:

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Gerd Karlheinz Blau
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1 Dreiphasen-Wechselrichter: Steerzyklen er Ventile bis 6: a) Zweistfen-Wechselrichter (-mrichter): Die as er Gleichspannng gespeisten Ventile bis 6 können ie Asgangsleitngen, V,W zwischen en beien Potentialen + n - hin- n herschalten. Weren ie einzelnen Schaltstfen gleichmäßig lange eingeschaltet, so ergeben sich ie nachfolgen gezeichneten Spannngen. Die Ströme in er Last ergeben sich as en treibenen Spannngen n er Last (bestehen as Inktivität n ohm'schen Verbracher, ggf. ach Gegenspannng) / V W V i i W i V V V Ramzeigerarstellng: V α / / * β 0 / VW α / / / * β 0 / / V W /6 Af normierte Spannngszstäne: V ; VW { 0} ; V ; W Schaltfolgen: / V r. V / VW / i D T D T D

2 Ramzeigeriagramm: Drch Einstellen er verschieenen Schaltzstäne können rch ie Drehstromwicklngen er an en Wechselrichter angeschlossenen aschine rämlich ie im Ramzeigeriagramm argestellten Feler eingestellt weren. Dieses Fel kann in ie Ramvektoren α n β zerlegt weren. β b) Dreistfen-Wechselrichter (-mrichter) ; ; ; V VW V W ,8 α Zsätzliche Schaltfolgen: w t V V 6 V w t i i V V W i W W W 5 W w t Ramzeigeriagramm: Zsätzliche Schaltzstäne: r. V / VW / 9 -/ 0 / / -/ - / -/ -/ / - 5 / -/ 6 / / 8 -/ / 9 -/ / / -/ / 0 0 / -/ / 5 -/ / b V 7, a Asgangsspannngen es Zwei- n Dreistfen-Wechselrichters: Zweistfen WR Dreistfen WR Effektive verkett.spg. V / / 0, 87 / 0, 707 Grnschwingngsampl.. verk. Spg. Û V / / 0, π / π 0, 955 Effektive Phasenspg. / / 0, 7 / 6 0, 08 Grnschwingngsampl.. Phasenspg.Û / / π 0, 67 / π 0, 55 Ventilspannng ; ± / Grnschwingngsfaktor g V / V /π /π

3 c) Plswechselrichter Weren ie einzelnen Schaltstfen nicht gleichmäßig schnell rchlafen, sonern rch mehrfaches Hin- n Herschalten zwischen zwei Stfen interpoliert, so kann am WR-Asgang eine sinsförmige Spannng mit sehr gter Genaigkeit nachgebilet weren. etz ~, ~, cos ϕ Gleichrichter Zwischenkreis Wechselrichter otor (AS) I V W I cos ϕ Die Schaltwinkel für ie Ventile wir bei er Plsbreitenmolation rch Vergleich einer Hilfs-Dreieckspannng (Freqenz f H ) mit einer Sinsspannng (f a ) ermittelt. Dieser Vergleich kann mit einem Rechner oer einer Analogschaltng rchgeführt weren. Damit bei Drehstromsystemen beie Halbschwingngen symmetrisch weren, mß as Verhältnis f H /f a rch rei teilbar sein; bei einphasigen Wechselrichtern mß es ngerazahlig sein. Je höher ieses Verhältnis (Taktng) ist, esto besser wir ie Form er Asgangsspannng er Sinsform angenähert. Drch Veränern er Amplite es Sinssignals wir ach ie Amplite er Asgangsspannng veränert: m sin / m max Dreifachtaktng Siebenfachtaktng Wir m > eingestellt, fallen Takte as n ie Schaltng geht in en Blockbetrieb (wie ohne Plssteerng) über.

4 Das nachstehene Diagramm zeigt en Verlaf er otorspannng, er Spannng an einem Schalter, sowie en Strom im Schalter n im Zwischenkreis (Batterie), wie er sich as er Simlation mit einer nierigen Taktfreqenz ergibt. Die Taktfreqenz ist üblicherweise im Bereich von 5 khz bis 0 khz. Plsmster eines Dreiphasen-Plswechselrichters bei hoher Taktfreqenz

5 Steerngsarten es Plswechselrichters: Sinsbewertete Steerng: Die Taktng erfolgt so, aß ie Sternspannngen (n amit ach ie Aßenleiterspannngen) im ittel einer Sinsform folgen. Steerverfahren mit. Harmonischer: Wir zr Grnschwingng er Sternspannng ie ritte Harmonische mit einer relativen Amplite von ca. 0 % aiert, so bleibt ie Aßenleiterspannng trotzem sinsförmig, a bei er vektoriellen Smme zweier Sternspannngen ie ritte Harmonische eliminiert wir. Der Vorteil ieser Steerng gegenüber er sinsbewerteten liegt in einer höheren otorspannng bei gegebener Zwischenkreisspannng n in er Rezierng er Schaltvorgänge gerae z en Zeiten, wenn er z schaltene Strom nahez maximal ist. Damit können ie Halbleiter mehr Strom schalten als bei er sinsbewerteten Steerng. Sternspannngen: $ sin( ) + $ sin( ) V $ sin( + π / ) + $ sin( * ( + π / )) $ / $ 0, Aßenleiterspannng: * $ sin( π / 6) (enthält keine Oberschwingngen!) V V Ramzeigermolation: Beim Asynchronmotor sin er Blinanteil es Stänerstromes für ie Flßbilng n er Realteil für ie Drehmomentenbilng rsächlich. Weren iese Größen kontinierlich gemessen n mit em Sollwert (z. B. ein exakt sinsförmiges Drehmoment) verglichen, kann ein Rechner sofort ie Schaltfolge für en Wechselrichter berechnen, welche eine inimierng er Abweichngen ermöglicht. Schnelle Prozessoren sin afgrn er Realtime- Berechnngen erforerlich. Baelementebelastng: Effektivstrom I RS Strommittelwert I AV Im Wechselrichter führen ie Transistoren en Laststrom, wenn Strom n Spannng as gleiche Vorzeichen haben. Energie fließt ann vom Gleichstromkreis in ie Last. Haben Strom n Spannng entgegengesetztes Vorzeichen (z. B. infolge inktiver Last), so führen ie Freilafioen en Strom. Dabei wir Energie as er Last in en Gleichstromkreis zrückgeliefert. Die Strombelastng er Baelemente errechnet sich rch ittelng über eine Perioe es Laststromes: Tran- I sistor IT RS + m ( + ) Dioe I F RS π π ϕ ϕ I 8π * *cos sin I { + π * m*cosϕ} ( ) I m + π π ϕ ϕ TAV I 8π * *cos sin I { π * m* cosϕ} FAV it em olationsfaktor m wir ie Einschaltaer er Transistoren zr Steerng er Asgangsspannng veränert. Die Biler gelten für m.

6 Einschaltaer 00 % Transistor T Dioe D Transistor T 50 % Dioe D Dioe D 0 % Spannng Strom Transistor T Dioe D 0,7 0,6 Strombelastng er Ventile im Plswechselrichter Transistor Effektivstrom Dioen Effektivstrom I AV / I motor I RS / I motor 0,5 0, 0, 0, Transistor Strommittelwert Dioen Strommittelwert 0, Phase j zwischen otorspannng n -strom in Gra

7 Größen es PWR: otor: P * * I *cosϕ $i I Wechselrichter: V 0, 6* (Sinsbewertete olation), * 0, 6 * 0, 7 * (Steerng mit. Harmonischer) V Zwischenkreis: I P / (Gleichstrommittelwert) I P I cos ϕ, 06* I *cosϕ (Sinsbewertete olation) I 0, 9* I *cosϕ (Steerng mit. Harmonischer) Filterng: etzseitige aßnahmen Der vom Eingangsgleichrichter afgenommene etzstrom enthält Oberschwingngen, ie besoners bei kapazitiver Glättng sehr stark sin. Der Leistngsfaktor λ liegt bei kapazitiver Glättng zwischen 0,5 n 0,8. Abhilfe: Inktive Glättng (bei höheren Leistngen üblich) Sagkreise (bei großen Leistngen) etzrosseln (bei kleineren Leistngen) Die inktive Glättng hat en achteil, aß ie Zwischenkreisspannng n amit ach ie otorspannng kleiner ist als bei kapazitiver Glättng. Im etzstrom treten nr ie Oberschwingngen er Ornngszahl k * p ± af. Weren rch Sagkreise ie beien stärksten (5. n 7.) herasgefiltert, steigt er Leistngsfaktor es etzstromes af λ 0,99. etzrosseln verbessern en Leistngsfaktor af Werte zwischen 0,8 bis 0,95. otorseitige aßnahmen Der Wechselrichter gibt eine zwischen + n - schaltene Spannng ab. Dies belastet ie otorisolation n führt z großen kapazitiven Laeströmen er otorzleitng. Ach strahlt ie otorzleitng iese Spannngsplse an ie mgebng ab. Abhilfe: Geschirmte otorzleitng Asgangsfilter (LC-Tiefpaß in allen Phasen) it Hilfe er Laplace-Transformation läßt sich ie Steilheit er otorspannng bei einer rechteckförmigen Wechselrichterspannng berechnen. Annahmen: Wechselrichterinnenwierstan vernachlässigbar; otor ist hochohmig. Wechselrichterspannng ist rechteckförmig mit er Taktfreqenz f T n hat en Scheitelwert WR t ω o WR δ / ω o δ t * e *sinω t o r o δ R / L ω / LC ω ω δ r WR R L C ax. Spannngssteilheit (ngünstigster Fall R 0): t max ω o * WR Die Rechteckplse es Wechselrichters lassen sich rch ie Foriertransformation rch ie Grnschwingng mit er Taktfreqenz n ie Smme er Oberschwingngen arstellen. Drch Differenzieren nach er Zeit wir ersichtlich, aß jee Schwingng en gleichen Beitrag zr Spannngssteilheit liefert. WR * (cos t + cos t + cos 5 t+...) WR π ω ω ω ω t Schneiet beispielsweise as otorfilter alle Oberschwingngen oberhalb er m. Zahl ab, so tragen nr ie ersten m Schwingngen zr Spannngssteilheit am Filterasgang bei: t max 8 * f * * m T WR Filter zwischen WR n otor (in jeer Phase)

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4 Netzgeführte Stromrichterschaltngen In netzgeführten Stromrichtern wird die Wechselspannng des speisenden Netzes nicht nr zr Spannngsbildng af der Asgangsseite bentzt, sondern sie dient ach als treibende