Netzrückwirkungen durch Stromrichter

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1 Netzrückwirkungen durch Stromrichter nicht sinusförmige Stromentnahme (Oberschwingungen) Spannungseinbrüche durch Kommutierungsvorgänge HF-Funkstörungen durch Schaltflanken Einteilung der Stromrichter netzgeführt Brückenschaltung B2(c) 2-pulsig, B6(c) 6-pulsig, B6(c)B6(a) 6-pulsig, 2x B6 antiparallel B6.2S 2-pulsig, 2x B6 in Reihe (Folgeschaltung) B6.2C 2-pulsig, 2x B6 parallel (Saugdrosselschaltung) selbstgeführt Wechselrichter Pulssteller Transistorchopper Power factor correction (PFC) Dierekt Umrichter

2 idealisierte Stromrichtertheorie induktive Last (Gleichstrommaschine) sehr gute Glättung L ; Id = konst Rechteckstrom Fourier Analyse liefert: Grundschwingung h = + Oberschwingungen h = k p ± I h = I /h (Effektivwerte) f h = h f (OS-Frequenz) 30A 0A INetz bei 4 mh INetz bei 60 mh -30A 20ms 30ms 40ms 50ms 60ms 70ms 80ms 20A -I(VL2) 0A Time Stromspitzenwert in A 5. - Oberschwingung bei 4 mh-glättungsinduktivität (250Hz, 4.3A) 0A 5. - Oberschwingung bei 60 mh (250Hz, 3.8A) 20% 0A 0Hz 0.2KHz 0.4KHz 0.6KHz 0.8KHz.0KHz -I(VL2) Frequency oben: unten: Netzleiterstrom I L Oberschwingungsspektrum I L Berechnung der Fourier Koeffizienten ( ) h ( ) i( ωt) = A + A cos h ωt + B sin h ωt 0 2π h h= h= A0 = i( ωt ) dωt Ah = i( ωt) cos( h ωt) dωt 2π π 2π ωt= 0 ωt= 0 2π mit Beachtung von Bh = i( t) sin( h t) d t π ω ω ω Symmetriebedingungen ωt= 0 kann die Berechnung der Koeffizienten nach Betrag und Phase: wesentlich vereinfacht A werden. 2 2 h Ch = Ah + Bh ϕ h = arctan B n 2

3 B2 mit kapazitiver Last 5 VC RL2 L2 4 R2 Schaltbild Standard-Gleichrichter (B2) am Netz mit CENELEC - Normimpedeanz R2 = 0,4 Ω, L2 = 796 µh für XL2 = 0,25 Ω 2 D D3 3 D2 D4 C 0 R. (50 Hz,.7734A) 2.0A (250 Hz, ma).0a (350 Hz, ma) (450 Hz, ma) 0A 0Hz 0.5KHz.0KHz.5KHz I(R2) Frequency 0A 2 400V 0A -0A 0V -400V 0s 0ms 20ms 30ms 40ms 50ms 60ms I(R2) 2 V(5,3) V() Time C = , m C2 = 0.000, m dif= , m oben: unten: Oberschwingungsspektrum I L Netzleiterstrom I L Leistung, Leistungsfaktor Scheinleistung S = U eff x I eff Wirkleistung P Leistungsfaktor λ = P/S Blindleistung Q = U eff xi eff xsin ϕ Verzerrungsblindleistung = s( t) dt = U eff x I eff x cosϕ D= U I eff 40 2 heff h= 2 nicht sinusförmige Stromaufnahme bedeutet schlechter Leistungsfaktor 3

4 Rechtslage und Normensituation Gesetz zur Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMVG) November 992, novelliert am und am EG-Konformitätszeichen CE ab für alle Geräte Europanormen EN 6000-x-x; EN (PDS) EN 550xx-x; u.a. veröffentlicht im Amtsblatt der Regulierungsbehörde Bundesnetzargentur (BNetzA) oder im europäischen Amtsblatt keine Aussagen zur EMV-Wirkung auf biologische Systeme (Elektrosmog); siehe dazu BImschV 26 ¹ vor dem Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post (RegTP) Anwendungsbereich des EMVG CE-Kennzeichnung erforderlich Bauteile, Geräte mit eigenständigen Funktionen (Steckkarten, SPSn, Motoren, Regler, Netzgeräte usw. Systeme, z.b. Computer-Systeme mit Zentraleinheit, Tastatur, Monitor usw. CE-Kennzeichnung nicht erforderlich ANLAGEN, z.b. HiFi-Anlagen oder Windenergieanlagen, die vor Ort zusammengebaut werden; diese Anlagen müssen die einschlägigen Schutzanforderungen erfüllen: alle Geräte sind CE-gekennzeichnet oder Nachweis durch eine zuständige Stelle 4

5 Stromoberschwingungen Beschreibungsgrößen für die Emission Grundschwingung, Oberschwingung Harmonische (harmonic) h, ν oder n als ganzzahlige Vielfache der Netzfrequenz Zwischenharmonische (interharmonic) μ als nicht ganzzahlige Vielfache der Netzfrequenz Verzerrungsfaktor THD (total harmonic distortion) gewichteter Verzerrungsfaktor PHD (partial weighted harmonic distortion) Einschlägige Normen für die Anwendung des EMVG zur Begrenzung der Störwirkungen DIN EN Stromoberschwingungsnorm für alle Geräte mit P > 75 W und I L < 6 A DIN EN DIN EN 5060 Flickernorm Netzqualitätsnorm VDEW/VDN-Richtlinien FGW-Richtlinie eon-richtlinie 5

6 Norm - Verträglichkeitswerte für Spannungs-Oberschwingungen Maßnahmen zur Qualitätsverbesserung bzw. Reduktion der Störwirkungen Heizgeräte mit Sinushalbwellensteuerung Netzteil mit PFC-Eingang Umrichter mit Sinusausgangsfilter Einbau von Funkstörschutzfiltern 6

7 Power-Factor-Correction (PFC) sinusmodulierter Netzstrom durch Pulsweitenmodulation (PWM) 400V 2 2.0A 200V.0A Eingangsspannung Eingangsstrom 0V 0A -200V -.0A -400V >> -2.0A 0s 0.4ms 0.8ms.2ms.6ms 2.0ms V(,2) 0V 2 -I(VSIN) Time Alternative PFC-Steuerverfahren average current mode control peak controlled Vorteile: Sinusförmiger Strom Weitbereichsspannungseingang 7

8 Vorteile des aktiven PFC-Verfahrens hoher Leistungsfaktor λ 0,97-0,99 geringer Oberschwingungsgehalt im niederfrequenten Bereich variabler Spannungs- und Frequenzeingang U V kleines Aufbauvolumen durch reduzierte Magnetik- Volumina erhöhter Energiespeicherinhalt im Zwischenkreis durch höhere Spannung Normen konform, d.h. CE - Zeichen Nachteile des aktiven PFC-Verfahrens komplexer Aufbau höherer Bauteileaufwand reduzierter MTBF höhere Kosten erhöhter EMV Aufwand geringerer Wirkungsgrad 8

9 Prinzip der Regelung zweistufiger Regelkreis überlagert: Spannungsregler für Ausgangsspannung unterlagert: Stomregler für Netzstrom Multiplizierer zwischen Spannungs- und Stromregler zur Sollwertvorgabe für die Stromkurve als Funktion der Eingangsspannung Regler Dimensionierung Stromregler: modifiziertes integral Verhalten zur Unterdrückung des hochfrequenten Rippelstromes durch PWM Führungsgröße î = f(p aus ) Spannungsregler integral Verhalten konstante oder variable Sollwertvorgabe 9

10 PFC am Drehstromnetz, das Vienna-Modul siehe 6-pulsiges IGBT-Modul L L2 L3 Betrieb in ersten und zweiten Quadranten möglich Hochsetzstellerbetrieb durch Phasenkurzschluss realisiert drei Boost-Drosseln erforderlich 0