Übungsziel: Zusammensetzung der Stromrichterkomponenten zu Umrichterschaltungen.

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1 Übungsziel: Zusammensetzung der Stromrichterkomponenten zu Umrichterschaltungen. Übungsdateien: SIMPLORER: u_umrdr.ssh; u_umrdr_m.ssh; u_umrdr_mf.mdx; u_umrdr_mf.day 19.1 Allgemeines Allgemein findet der Energieaustausch zwischen Erzeugern und Verbrauchern durch Wechselstrom oder als Sonderfall mit der Ausgangsfrequenz Null durch Gleichstrom statt. Oft wird die Energie mit einer festen oder variablen Frequenz gewünscht. Einphasige und dreiphasige Brückenschaltungen bilden die grundlegenden Bauelemente der Umrichter. Bild 19.1: Prinzip des Frequenzumrichters Der am Netz angeschlossene steuerbare oder nicht steuerbare netzgeführte Gleichrichter oder Wechselrichter, verbindet das Netz mit dem Zwischenkreis. Der lastseitige Stromrichter stellt die für die Last erforderlichen Frequenzen, Spannungen und Ströme bereit. Der Zwischenkreis ist ein Energiespeicher. Als Speicher dient entweder ein Kondensator für den Spannungszwischenkreis oder eine Induktivität für den Stromzwischenkreis. Man spricht entsprechend von U- oder I-Umrichter. Die Speicher sind im Idealfall so groß, dass die Gleichspannungen oder der Strom zeitlich konstant sind. In diesem Fall ist das Netz von der Last vollständig entkoppelt. Sie lassen sich unabhängig voneinander steuern. Stromzwischenkreisumric h- ter bieten nur bei größten Leistungen Vorteile und sind deswegen selten. Wegen ihrer häufigeren Einsatzmöglichkeit werden selbstgeführte Wechselrichter behandelt, die an konstanter Gleichspannung liegen. Einige Steuerverfahren sind in den voranstehenden Kapiteln untersucht worden. Die Ausgangsfrequenz und die Spannungsamplitude können durch unterschiedlichste Steuerverfahren geändert werden. Der Laststrom soll trotz der stark verzerrten Wechselspannungen auf der Lastseite möglichst sinusförmig sein. Die SIMPLORER-Version, die speziell mit

2 288 eingeschränkter Funktionalität für dieses Buch entwickelt wurde, stößt bei diesen umfangreichen Schaltungen an Grenzen. Trotzdem kann ein einfaches Netzwerk eines Spannungszwischenkreisumrichters untersucht werden. Für weitere Schaltungsentwicklungen muss auf die Vollversion verwiesen werden. Bild 19.2: Zwischenkreise 19.2 Spannungszwischenkreisumrichter Bisher wurden selbstgeführte Wechselrichter an eine ideale impedanzfreie Gleic h- spannungsquelle angeschlossen. Allgemein sind diese idealen Spannungsquellen durch Gleichrichterschaltungen mit Kondensatoren nur angenähert zu realisieren. Die Größe der Kapazität ist aus Kosten- und Platzgründen begrenzt. Der Mitte l- wert der netz- und lastseitigen Wirkleistungen muss gleich sein (P N = P d = P L ). Die Blindleistungen auf der Netz- und Lastseite Q N und Q L können unabhängig voneinander am Netz oder am Laststromrichter eingestellt werden. Sie arbeiten als unabhängige Blindleistungsquellen oder Senken. Auf der Netzseite wird meist eine ungesteuerte Brücke verwendet. Obwohl der Leiterstrom auf der Netzseite verzerrt ist, bleibt er in Phase mit der Spannung. Die Steuerblindleistung verschwindet. Der Netzleiterstrom besteht aus kurzen hohen Impulsen. Seine Verzerrungsanteile bilden im Zusammenhang mit der sinusförmig angenommenen Netzspannung die Verzerrungsblindleistung. Die Stromform lässt sich mit der zusätzlichen Glä t- tungsdrossel im Zwischenkreis etwas verbessern. Sie bildet zusammen mit der Lastimpedanz und dem Kondensator einen Filter dritter Ordnung, der eine starke Resonanzspitze bei ω Res nach Gleichung (19.1) aufweist. Die Ausgangsfrequenz sollte weit unterhalb der Resonanzfrequenz liegen. Näherungsweise ergeben ungesteuerte Gleichrichterbrücken eine Zwischenkreisspannung vom Scheitelwert der Leiterspannung. Die Gleichspannung hat eine von der Netzfrequenz abhängige Welligkeit. Ihr Mittelwert U d sinkt leicht mit zunehmender Belastung. Der Zwischenkreisstrom hat einen großen Gleichanteil I d, der von der zu übertragenen Wirkleistung abhängt. Der Gleichstrom hängt vom Modulationsgrad, der Amplitude des Leiterstrom auf der Lastseite und von dessen Phasenlage ab. Dem Gleichanteil sind schaltungsabhängige Verzerrungsanteile überlagert.

3 19.3 Simulationsergebnisse 289 Der lastseitige Wechselrichter soll eine einstellbare Spannungsquelle sein. Die Spannungsamplitude wird in der Antriebstechnik nach der geforderten Frequenz geführt. Im Modell ist für diese Aufgabe ein Pulsumrichter angeschlossen. Er muss neben der Wirkleistung auch die Blindleistungen bereitstellen. L + L Kreis L ω Re s = (19.1) LKreisLLC Kreis Bild 19.3: Spannungszwischenkreisumrichter In der Schaltung Bild 19.3 ist das Modell des verwendeten Zwischenkreisumrichters aus Makros aufgebaut. An dem dreiphasigen Netzmakro können durch entsprechende Eingabe der Netzübergangswiderstände die Netzrückwirkungen sichtbar gemacht werden. Die Eingangsschaltung ist eine ungesteuerte Brückenschaltung. Neben ihrem einfachen Aufbau hat sie gegenüber einer gesteuerten Brücke den Vorteil, dass das Netz nicht durch Steuerblindleistung belastet wird. Der Grundschwingungsverschiebungsfaktor cos(ϕ 1 ) ist deswegen ziemlich hoch und damit auch der Leistungsfaktor λ. Diese Brücke lässt keine Stromumkehr zu. Damit ist eine Energie rückspeisung ins Netz von der Lastseite her nicht möglich. Da am Ausgang nur eine ohmsch-induktive Last liegt, kann ohnehin keine Energie in den Zwischenkreis gespeist werden. Die Schaltung kann so nur im ersten Quadranten Energie vom Netz in den Verbraucher leiten. Soll der Vier-Quadrantenbetrieb beim Antrieb einer elektrischen Maschine realisie rt werden, ist die Eingangsbrücke durch eine antiparallele Schaltung zu ergänzen. Damit wird die Stromrichtung im Eingangskreis umkehrbar. Der Wechselrichter wird als selbstgeführter Pulsstromrichter betrieben und durch eine Dreieck-Rechteck-Pulsung mit f p /f = 9 gesteuert Simulationsergebnisse Die Simulation wurde mit der dreiphasigen Last von R L = 5 Ω und L L = 10 mh durchgeführt. Im Vergleich zur Blocksteuerung wird mit einem Modulationsgrad M = 0,5 die Amplitude der Grundschwingung der Ausgangsspannung auf die Hälfte gesteuert.

4 290 Bild 19.4: Strom und Phasenspannung am der Last Bild 19.5: Strom und Spannung im Zwischenkreis Die Strom- und Spannungskurven in Bild 19.4 zeigen die typische Form der Phasenspannung am Ausgang des selbstgeführten Wechselrichters. Die gesamten Effektivwerte sind U L aus = 185 V bei einem Strom von I L aus = 15,5 A. Der Laststrom ist bis auf seinen Verzerrungsanteil sinusförmig. Man sollte nicht von Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung sprechen, da ihre Kurvenformen nicht gleich sind. In der Spannung sind die horizontalen Begrenzungen nicht mehr linear. Der Gleichspannung im Zwischenkreis (Bild 19.5) von U d = 554 V ist eine Wechselgröße der sechsfachen Grundfrequenz überlagert. Die Welligkeit beträgt

5 19.4 Leistungsauswertung 291 w u = 9 %. Sie wirkt auf die Hüllkurven der Ausgangsspannung zurück. Die Grundfrequenz ist hier mit 100 Hz gleich der doppelten Eingangsfrequenz. Der Zwischenkreisstrom setzt sich aus der Summe aller drei Teilströme jeder Phase zusammen. Seine Welligkeit ist w i = 115 %. Es kompensieren sich bei symmetrischer Steuerung und symmetrischer Belastung viele Frequenzanteile. In Bild 19.6 sind zum Vergleich die Phasenspannung auf der Netzseite und der Leiterstrom oszillografiert. Er hat nicht mehr den für die Gleichstromglättung typischen Verlauf. Der Strom tritt in mehr oder weniger breiten Impulsen auf, da es sich um eine Brücke mit gleichstromseitiger Spannungsglättung handelt. Bild 19.6: Strom und Phasenspannung am Eingang 19.4 Leistungsauswertung Die Spannungs- und Stromkurven wurden in die ASCII-Datei u_umrdr_mf.mdx gespeichert und in DAY über die Leistungsanalyse ausgewertet. In Bild 19.7 ist die Leistung einer Phase berechnet worden. Da die Leistungen auf den Wechselseiten sowohl am Eingang als auch am Ausgang des Umrichters bestimmt wurden, müssen die Ergebnisse mit dem Faktor 3 multipliziert werden, um die Dreiphasenleistung zu erhalten. Die Wirkleistungen betragen entsprechend der Analysegenauigkeit P = 3,7 kw.

6 292 Bild 19.7: Eingangsleistung Mit den Ergebnissen der FFT-Analyse der Lastspannung und des Stromes folgen U L1aus = 124,5 V und I L1aus = 15,4 A. Mit dem Phasenwinkel der Grundschwingungen zwischen Strom und Spannung von ϕ 1 = 51 ergibt sich die Wirkleistung mit P = 3 U L1aus I L1aus cos(ϕ 1 ) = 3,61 kw. Die Auswertung über die Leistungsanalyse am Umrichterausgang nach Bild 19.9 ergibt P = 3 1,22 = 3,66 kw. Die Theorie erwartet hier gleiche Ergebnisse. Bild 19.8: Zwischenkreisleistung

7 19.4 Leistungsauswertung 293 Mit dem Verschiebungsfaktor λ = g u cos(ϕ 1 ) = 0,422 nach Bild 19.9 folgt der Grundschwingungsgehalt der Spannung zu g u = 0,67. Weitere Untersuchungen bezüglich einer Unsymmetrie blindleitung, der Einfluss vom Netzrückwirkungen, der Betrieb bei Gegenspannung, die Wirkung von Filtern etc., können auch mit diesem Modell durchgeführt werden. Bild 19.9: Ausgangsleistung