Netzgeführte Stromrichterschaltungen

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1 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 Kraft beim Wechsel der Stromführng (Kommtierng) innerhalb der Halbleiterventile. Beim Zünden eines Folgeventils mit höherer, positiver Sperrspannng setzt atomatisch ein Kommtierngsvorgang ein, der das noch leitende Ventil stromlos macht. Da die Netzspannng für jedes einzelne Ventil nr während einer halben Periode als Triebkraft für die Kommtierng zr Verfügng steht, ist der Assteerbereich begrenzt. Als Halbleiterventile kommen in netzgeführten Stromrichterschaltngen Thyristoren nd/oder Dioden zm Einsatz. Netzgeführte Stromrichter sind die am häfigsten eingesetzte Stromrichter variante, da sie direkt an das fast überall vorhandene Wechsel- bzw. Drehstromnetz angeschlossen werden. Sie speisen entweder direkt einen Gleich- oder Wechselstromverbracher oder aber dienen als Versorgngsglied für weitere Stromrichterstfen, z. B. in Freqenzmformern. Ihr Leistngsspektrm reicht von einigen Watt in Netzteilen bis über GW in der Hochspannngsgleichstromübertragng (HGÜ). Wegen der vielen positiven Eigenschaften werden hete praktisch nr noch Brücken schaltngen (B2, B6) asgeführt. Die Mittelpnktschaltngen (M, M3, M6) sind wegen des Erfordernisses eines Transformators für das moderne Energiemanagement nicht mehr von Interesse. Je nach Asführngsform können netzgeführte Stromrichterschaltngen die mwandlngsmerkmale eines Gleichrichters (AC/DC), Wechselrichters (DC/AC) oder mrichters (AC/AC) erfüllen. So entspricht z. B. eine einfache Diodenbrücke einem Gleichrichter mit fester Asgangsspannng, eine halb gesteerte Dioden-Thyristorbrücke einem Gleichrichter mit variabler Asgangsspannng, eine voll gesteerte Thyristorbrücke einem variablen Gleich- nd Wechselrichter nd schließlich eine voll gesteerte Thyristor-Doppelbrücke einem Vierqadrantenstromrichter (mkehrstromrichter) oder einem Wechselspannngsmrichter (Direktmrichter). Bei der genaeren Betrachtng nd Beschreibng netzgeführter Stromrichterschaltngen mss zwischen den idealen Eigenschaften nd den Einflüssen drch den sog. Lück- nd Kommtierngsbetrieb nterschieden werden. Insbesondere der Lückbetrieb drückt sich drch enorme Nichtlinearitäten in der Steerfnktion des Stromrichters as, da hierbei eine starke Kopplng zwischen der Ein- nd Asgangsseite aftritt. Da der Afba einer einphasigen Brückenschaltng (B2)

2 06 4 Netzgeführte Stromrichterschaltngen relativ einfach nd übersichtlich ist, sollen die komplizierten Vorgänge beim Lücken nd bei der Stromübergabe (Kommtieren) znächst dafür berechnet nd dann af die dreiphasige Brückenschaltng übertragen werden. 4. Wechselstrom-Brückenschaltng (B2) Die Bezeichnng B2-Stromrichter gibt an, dass es sich m eine zweiplsige Brücken schaltng handelt, die im nteren Leistngsbereich bis max. 3 kw in Netzteilen, Ladegeräten nd Gleichstromantrieben eingesetzt wird. Die B2-Schaltng entspricht formal der Reihenschaltng zweier M2-Schaltngen. Da sie beide Gleichstromanschlüsse am Asgang bildet, macht sie einen Stromrichtertransformator mit Mittenanzapfng af der Netzseite überflüssig. Der Anschlss der Wechselstrom-Brückenschaltng erfolgt in der Regel zwischen einem Aßenleiter nd dem Netralleiter ( L = 230 V). In Asnahmefällen können B2-Stromrichter zr Leistngssteigerng ach zwischen zwei Aßenleitern ( L = 400 V) betrieben werden. nter der Plszahl p oder Plsigkeit versteht man die Anzahl der periodischen Vorgänge in der Gleichspannng während einer Periode des Wechselstrom netzes. m Verwechslngen bei einer Forier-Zerlegng der Stromrichtergrößen z vermeiden, mss man sich deshalb bei harmonischen Analysen entweder für die Netzfreqenz f oder für die Grndschwingngsfreqenz f af der Gleichstromseite als Bezgsfreqenz entscheiden. Dabei gelten für den B2-Stromrichter die Beziehngen: p 2 4f Gleichstromkreis, 2f Wechselstromkreis. (4.) Üblicherweise wählt man die Netzfreqenz als Bezgsgröße, d. h., f = 2f = 00 Hz im Gleichstromkreis nd f = f = 50 Hz im Wechselstromkreis. Wegen des sinsförmigen Spannngsverlafs af der Netzseite, müssen bei Leistngsbetrachtngen nr die Oberschwingngsanteile des nichtsinsförmigen Netzstroms gemäß Kapitel berücksichtigt werden. Dies lässt sich rechentechnisch noch leicht bewältigen nd messtechnisch einfach nachvollziehen. Hingegen sind af der Gleichstromseite Spannng nd Strom verzerrt, sodass eine harmonische Analyse der Leistng einen hohen mathematischen Afwand erforderlich macht (vgl. Kapitel ). Asgehend vom idealen Verhalten einer ngesteerten nd einer voll gesteerten B2-Schaltng, sollen im Folgenden die komplizierten, nichtlinearen Zsammenhänge des Lück- nd Kommtierngsbetriebs abgeleitet nd die daras resltie-

3 4. Wechselstrom-Brückenschaltng (B2) 07 renden Steerfnktionen näher disktiert werden. Da netzgeführte Stromrichter in der Regel Gleichstromverbracher speisen, kommt bei diesem Stromrichtertyp dem arithmetischen Mittelwert besondere Bedetng z. 4.. ngesteerter Betrieb Der sog. ngesteerte Betrieb eines netzgeführten Stromrichters liegt vor, wenn sämtliche Halbleiterventile als Leistngsdioden asgeführt sind. Bild 4. zeigt das zgehörige Schaltbild sowie die Strom- nd Spannngsverläfe nter der idealisierten Vorassetzng, dass ein vollkommen glatter Gleichstrom fließt. Wegen der hohen Welligkeit der Gleichspannng lässt sich dies nr theoretisch drch die Annahme einer nendlich großen Glättngsindktivität im Gleichstromkreis erreichen. In den nachfolgenden Kapiteln wird diese vereinfachte Betrachtngsweise allerdings Schritt für Schritt der Realität angepasst. Die Gleichspannngsbildng geschieht drch periodisches Drchschalten diagonaler Diodenpaare (D) in den Nlldrchgängen der Netzspannng. Das heißt, für die positiven Spannngshalbschwingngen werden D, D2 leitend, nd die negativen Halbschwingngen schalten D3, D4 afgrnd ihrer entgegengesetzten Schaltngsanordnng so drch, dass sie am Asgang positiv erscheinen. Dieses sog. mklappen ist ein wesentliches Merkmal der B2-Schaltng gegenüber der Wechselwegschaltng (W). a) b) i L L d di D D4 i d L d D3 D2 di M Verbracher c) û L di = 0 i I d L d = 0 L i d = 0 2 D, D2 D3, D4 D, D2 = I dn I d I d i L t Bild 4. ngesteerte, ideale Wechselstrom-Brückenschaltng a) Schaltbild, b) Belastngskennlinie, c) Verläfe

4 08 4 Netzgeführte Stromrichterschaltngen Dadrch ergibt sich eine Grndschwingngsfreqenz von 00 Hz im plsierenden Gleichstromkreis. Für den arithmetischen Mittelwert der plsierenden Gleichspannng folgt mit Gl. (2.0) der Ansatz: 2 di ˆ sin td t û. (4.2) 0 Diesen höchsten, arithmetischen Mittelwert, den ein netzgeführter B2-Stromrichter im Idealfall an seinen Klemmen abgeben kann, bezeichnet man als ideelle Leerlafgleichspannng: ˆ di 2 L 0,9 L. (4.3) Am 230-V-Wechselstromnetz errechnet sich die ideelle Leerlafgleichspannng z 207 V. m den Formfaktor nd die Welligkeit der plsierenden Gleichspannng angeben z können, mss znächst deren Effektivwert nach Gl. (2.8) ermittelt werden: ˆ 2 ˆ sin d L. (4.4) 0 2 d,eff t t Dieses Ergebnis zeigt, dass der Effektivwert einer Größe nr von den Zeitflächen nd nicht von deren Vorzeichen abhängt. Das Verhältnis von gesamtem Effektivwert zm arithmetischen Mittelwert (Gleichanteil) ergibt gemäß Gl. (2.7) den Formfaktor der plsierenden Gleichspannng: F d,eff, % Formfaktor. (4.5) di As dem Formfaktor wiederm lässt sich sofort der zgehörige Wert für die Welligkeit mithilfe von Gl. (2.9) berechnen: w 2 F 0,48 48 % Welligkeit. (4.6) Der Vollständigkeit halber sei noch einmal daran erinnert, dass der Formfaktor bei einer vollkommen glatten Gleichgröße eins nd die Welligkeit nll betragen. Da die plsierende Gleichspannng eine Mischgröße mit Gleich- nd Wechselanteil ist, lassen sich über eine Forier-Reihendarstellng ach die Effektivwerte der Harmonischen mathematisch ableiten. Für die Forier-Koeffizienten folgt:

5 4. Wechselstrom-Brückenschaltng (B2) 09 a b m m 2ˆ, für m 2,4,6,8,, 2m 2m 0, (4.7) wobei b m generell nd a m für ngerade Ordnngszahlen nicht existieren. Über Gl. (2.) folgt schließlich für die Effektivwerte der Harmonischen: d, m 4ˆ, für m 2,4,6,8, (4.8) m m Da der ideale Gleichstrom nr as einem Gleichanteil I d besteht, entfällt eine harmonische Zerlegng nach Forier. Af der Wechselstromseite ist die Spannng ideal sinsförmig, weshalb nr der blockförmige Wechselstrom einer harmonischen Analyse nterzogen werden mss. Daz kann Gl. (2.22) verwendet werden, wenn die Blocklänge af = gesetzt wird: I L, m Id IL, für m,3,5,7,. m m (4.9) Während die geradzahligen Harmonischen im Netzstrom nicht enthalten sind, nehmen die ngeradzahligen Harmonischen mgekehrt proportional zr Ordnngszahl ab. Dieser hohe Oberschwingngsanteil schlägt sich in einem schlechten Grndschwingngsgehalt nieder, der über Gl. (2.23) errechnet werden kann: g i Id IL 0,9. (4.0) I I L,eff d Wegen der Einschaltzeitpnkte der Dioden in den Nlldrchgängen der Netzspannng ist der Verschiebngsfaktor der Grndschwingng cos immer eins, sodass in ngesteerten Brücken mit rechteckförmigem Netzstrom der Leistngsfaktor immer gleich dem Grndschwingngsgehalt g i ist. Für den Fall einer Gegenspannng im Gleichstromkreis oder eines welligen Gleichstroms ändern sich diese Zahlenverhältnisse. Die Belastngskennlinie des idealen, ngesteerten B2-Gleichrichters besteht gemäß Bild 4. as einer Waagerechten, weshalb die Einsatzmöglichkeiten dieses Stromrichtertyps sehr beschränkt sind. In der Regel finden Netzgleichrichter in sog. Netzgeräten, Feldgleichrichtern von Gleichstrommaschinen ( f = 200 V) sowie als Eingangsgleichrichter in Freqenzmformern Verwendng.

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