Man unterscheidet zwischen statischen Wechselrichtern und rotierenden Wechselrichtern.

Transkript

1 Wechselstromsteller 1 / 14 :HFKVHOULFKWHU (LQI KUXQJ:HFKVHOULFKWHU Mit Wechselrichtern wird Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt Die Energierichtung verläuft vom Gleichstrom zum Wechselstromsystem. Man unterscheidet zwischen statischen Wechselrichtern und rotierenden Wechselrichtern. Ein URWLHUHQGHU :HFKVHOULFKWHU kann zum Beispiel aus einer Gleichstrommaschine und einem Synchrongenerator bestehen. Eine Gleichstromquelle speist dabei eine Gleichstrommaschine, die den Synchrongenerator antreibt. Der Generator liefert Wechselstrom an einen angeschlossenen Verbraucher. Wegen des schlechteren Wirkungsgrades und der heute preisgünstigen statischen Wechselrichter findet man diese Art nur noch selten vor. 6WDWLVFKH:HFKVHOULFKWHU sind mit Bauelementen der Leistungselektronik aufgebaut, welche in der Regel im voll durchgesteuertem Bereich betrieben werden. (Schalterbetrieb). 1HW]JHI KUWHXQGVHOEVWJHI KUWH:HFKVHOULFKWHU Wechselrichter, welche synchron zum Netz arbeiten, bezeichnet man als QHW]JHI KUWH :HFKVHOULFKWHU. Geht eine Gleichstrommaschine, welche über eine B2C-Schaltung an das Netz angeschlossen ist in Generatorbetrieb über, wird die von der Gleichstrommaschine abgegebene elektrische Leistung (Gleichstrom) über die B2C-Schaltung (Steuerwinkel α > 90 ) ins Wechselstromnetz zurückgespeist. Die Energierichtung erfolgt vom Gleichstrom zum Wechselstromsystem. Die B2C-Schaltung arbeitet als Wechselrichter. Spannung und Frequenz des Wechselstromnetzes sind fest vorgegeben und sorgen für die Kommutierung des Gleichstromes von einem Stromrichterventil auf das nächste. Wechselrichter, welche unabhängig von einem bestehenden Wechselstromnetz arbeiten (Inselbetrieb) bezeichnet man als VHOEVWJHI KUWH :HFKVHOULFKWHU. Um aus dem Gleichstromnetz ein Wechselstromnetz zu formen, werden die Stromrichterzweige in einem bestimmten Takt angesteuert, um die gewünschte Frequenz zu erzielen.

2 Wechselstromsteller 2 / 14 3ULQ]LSGHV:HFKVHOULFKWHUVPLW2KPVFKHU/DVW Selbstgeführter Wechselrichter in Brückenschaltung mit ohmscher Last Die Gleichspannung U d wird mit wechselnder Polarität durch abwechselndes, paarweises Schalten der diagonalen Schaltern Q1 und Q4 bzw. Q2 und Q3 an den Verbraucher R L gelegt. Am Verbraucher RL entsteht eine rechteckförmige Wechselspannung u 2 mit der Amplitude U d. Die Frequenz mit der Periodendauer T lässt sich durch den Schalttakt steuern. Bei ohmschen Verbrauchern ist der Laststrom i 2 in Phase mit der Spannung u 2 und ebenfalls rechteckförmig. 'LH/HLVWXQJLVWI UDOOH=HLWDEVFKQLWWHSRVLWLY Dies bedeutet, dass die Leistung QXU YRQ GHU *OHLFKVWURPVHLWH ]XU :HFKVHOVWURPVHLWH transportiert wird. Die Schalter Q1 bis Q4 stellen Bauelemente aus der Leistungselektronik dar. Es müssen löschbare Ventile sein, damit der Stromfluss zu einem beliebigen Zeitpunkt unterbrochen werden kann. Anwendung finden z.b. Transistoren, IGBT s, Abschaltthyristoren (GTO) und Thyristoren mit Löscheinrichtungen.

3 Wechselstromsteller 3 / 14 3ULQ]LSGHV:HFKVHOULFKWHUVPLW2KPVFKLQGXNWLYHU/DVW Werden Blindleistungsverbraucher angeschlossen, so ist die Schaltung zu erweitern, denn es muss für die Rücklieferung der Blindleistung vom Verbraucher zur Gleichstromseite gesorgt werden. Dazu werden Rückstromdioden antiparallel zu den Halbleiterventilen geschaltet. =HLWDEVFKQLWW7 Im Zeitabschnitt T1 leiten Q1 und Q4. An der Last liegt die Gleichspannung Ud. Der Strom steigt wegen der Induktivität erst allmählich an. Elektrische Leistung wird von der Gleichspannungsquelle zum Verbraucher transportiert. =HLWDEVFKQLWW7

4 Wechselstromsteller 4 / 14 Im Zeitabschnitt T2 werden die Transistoren Q1 und Q4 gesperrt, Q2 und Q3 eingeschaltet. Durch den Abbau der magnetischen Energie wird in der Induktivität eine Induktionsspannung induziert, welche den Strom in die gleiche Richtung weiter treibt. Dabei werden die Rückstromdioden R2 und R3 leitend. Der Gleichstrom id kehrt seine Richtung um, Die Energie der Induktivität wird in die Batterie zurückgespeist. Der Strom klingt nach einer e- Funktion ab. Trotz Ansteuerung sind die Transistoren Q2 und Q3 stromlos. Sie werden von den Rückstromdioden überbrückt. =HLWDEVFKQLWW7 Der Strom hat den Wert Null erreicht, die Dioden sperren. Nun übernehmen die Transistoren Q2 und Q3. der Laststrom ändert seine Richtung und der Verbraucher nimmt wieder Leistung aus der Stromquelle auf.

5 Wechselstromsteller 5 / 14 Am Verbraucher liegt während einer Periode, sowohl bei induktiver als auch bei ohmscher Last, eine Rechteckspannung mit der Amplitude U d. Der Stromverlauf ist unterschiedlich, je nach Art des Verbrauchers. $QZHQGXQJHQ 3KRWRYROWDLNDQODJHQ Die Solarzellen, die in so genannten Solargeneratoren zusammengefasst sind, erzeugen Gleichstrom, das Versorgungsnetz arbeitet jedoch mit 50 Hz - Wechselstrom. Der erzeugte Gleichstrom muss also vor dem Einspeisen in einen 50 Hz -Wechselstrom (oder Drehstrom) umgewandelt werden. Dazu dienen so genannte Wechselrichter. Der Wechselrichter erzeugt jedoch eine Rechteckspannung. Um den Ausgang des Wechselrichters an das Netz (mit sinusförmiger Spannung) anzupassen verwendet man die 3XOVZHLWHQVWHXHUXQJ (PWM).

6 Wechselstromsteller 6 / 14 Der Wechselrichter arbeitet mit einer höheren Frequenz ( 2kHz bis 15 khz). Die Breite der Rechteckimpulse wird so verändert, dass man einen Spannungsmittelwert erhält, welcher sinusförmig ist. Durch die zusätzliche Induktivität enthält man einen fast sinusförmigen Strom. Eine sinusförmige Spannung erhält man auch durch zusätzliche Filter am Ausgang des Wechselrichters. 869$QODJHQ8QWHUEUHFKXQJVIUHLH6WURPYHUVRUJXQJ Englisch: Französisch: Onduleur (UPS), oder No brake USV-Anlagen werden in Krankenhäusern, Rechenzentren usw. um bei Störungen in deren Stromnetz die Stromversorgung sicherzustellen. Je nach Aufbau schützt eine USV die angeschlossenen Systeme vor folgenden Störungen: Stromausfall Unterspannung Überspannung Frequenzänderungen Oberschwingungen Man unterscheidet zwischen 2QOLQH und 2IIOLQH869$QODJHQ

7 Wechselstromsteller 7 / 14 2IIOLQH869$QODJHQ Netz Filter/ Spannungsregler Gerät ~ Gleichrichter ~ Wechselrichter Normalbetrieb Akkumulatoren bei Netzausfall Im Normalfall wird der Strom durch die USV ohne Spannungswandlung an die angeschlossene Geräte (Rechner) weitergeleitet (eventuell mit Filter und/oder Spannungsregler). Treten Spannungsschwankungen oder Stromausfälle auf, schaltet die Offline - USV automatisch auf Batteriebetrieb um. Die Umschaltung auf Akkubetrieb erfolgt innerhalb von ca. 2-4 ms, also praktisch ohne Unterbruch. 2QOLQH869$QODJHQ Netz ~ ~ Gerät Gleichrichter Wechselrichter Normalbetrieb Akkumulatoren bei Netzausfall Online USV's beliefern den Stromverbraucher (PC / Server) konstant mit künstlicher Spannung. Die Netzspannung dient nur zum Laden der Akkus. Die Spannung wird durch Umwandlung von Wechsel- zu Gleichstrom und wieder zurück vollkommen regeneriert. Bei On-Line USV-Anlagen, arbeitet der Wechselrichter dauernd. Bei Netzausfall tritt am Ausgang keinerlei Unterbrechung auf. Auch werden durch diesen Aufbau sämtliche Störungen aus dem Netz ausgeschlossen. 6RQVWLJH$QZHQGXQJHQ

8 Wechselstromsteller 8 / 14 Versorgung von Geräten, die auf Netzstrom angewiesen, aber nur eine Gleichspannungsquelle, wie zum Beispiel eine Autobatterie, zur Verfügung steht. )UHTXHQ]XPULFKWHU :HFKVHOULFKWHUPLW=ZLFKHQNUHLVXPIRUPHU Ein )UHTXHQ]XPULFKWHU ist ein Gerät, das aus einem Drehstrom (oder Wechselstrom) mit bestimmter Frequenz in einen anderen Drehstrom (oder Wechselstrom) mit veränderter Frequenz und veränderter Spannung generiert. Mit dieser umgerichteten Spannung wird dann der Verbraucher betrieben. Mit dem Frequenzumrichtung wird die Drehzahl von Asynchronmotoren gesteuert. Die I 60 Drehzahl eines Asynchronmotors ist proportional zur Frequenz. ( Q = ). S Im Prinzip besteht der Frequenzumrichter aus: Einem Gleichrichter, der einen Gleichstrom- oder Gleichspannungs-Zwischenkreis speist, Im Zwischenkreis wird die Gleichspannung bzw. der Gleichstrom geglättet. Der Wechselrichter wird aus diesem Zwischenkreis gespeist. Die Höhe der Ausgangsspannung und auch deren Frequenz können in weiten Grenzen geregelt werden. Der Drehstromasynchronmotor gibt ein konstantes Moment ab, wenn er einen konstanten magnetischen Fluss und einen konstanten Strom erhält. Verändert man die Frequenz an einem Asynchronmotor, so verändert sich auch der induktive Blindwiderstand X L des Motors ( ; ~ 2 π I / ). Der induktive Blindwiderstand des Drehstrommotors ändert proportional mit der Frequenz. Um den Strom aber konstant zu halten muss also die Spannung der Frequenz angepasst werden. Das Verhältnis Spannung / Frequenz muss somit konstant bleiben (U/f = konst), d.h. beim Verringern der Frequenz wird proportional die Spannung verringert, und umgekehrt.

9 Wechselstromsteller 9 / 14 %HLVSLHO Motor Nenndaten 230/400 V 50 Hz Sternschaltung, Spannung 400 V, f = 50 Hz = = 8 I 50+] +] Werden also 25 Hz gefahren, muss eine Spannung von 200 V eingestellt werden,( = = 8 ) I 25+] +] bei 5Hz eine Spannung von 40V ( 8 I = = 8 ) 5+] +] (ideal, Verluste sind hier noch nicht berücksichtigt). Wir unterscheiden zwischen 2 Bereichen: 1) f 2 < f N Verringert man die Frequenz f 2 unter die Nennfrequenz f N, nimmt der Blindwiderstand ab und der Motorstrom würde ansteigen, also muss die Spannung angepasst werden, sie muss gesenkt werden. Die Drehmomentkennlinie des Motors bleibt erhalten. 2) f 2 > f N Bei Steigerung der Betriebsfrequenz f2 über die Nennfrequenz hinaus, ist keine Spannungssteigerung mehr möglich (Der Scheitelwert der Ausgangsspannung kann nicht größer werden als die Spannung im Zwischenkreis des Umrichters). Da aber der Blindwiderstand mit zunehmender Frequenz weiter zunimmt, bewirkt das eine Verringerung des magnetischen Flusses (Bereich der Feldschwächung). Der Motor darf nicht mehr voll belastet werden. Die Drehmomentkennlinien zeigen mit zunehmender Feldschwächung eine stärkere Neigung. Das Kippmoment sinkt ab.

10 Wechselstromsteller 10 / 14 Man kennt in der Praxis zwei Arten von Zwischenkreisumformern: GLH6SDQQXQJV]ZLVFKHQNUHLVXPULFKWHU GLH6WURP]ZLVFKHQNUHLVXPULFKWHU 6SDQQXQJV]ZLVFKHQNUHLVXPULFKWHU Gegenwärtig stellt der Pulswechselrichter mit Spannungszwischenkreis die Standardlösung für drehzahlgesteuerte Asynchronmaschinenantriebe im unteren und mittleren Leistungsbereich dar. Spannungszwischenkreisumformer bestehen netzseitig üblicherweise aus einer ungesteuerten *OHLFKULFKWHUVFKDOWXQJ (B6 oder B2). Die Spannung im =ZLVFKHQNUHLV (Gleichstrom) wird durch entsprechend dimensionierte Kondensatoren geglättet. (eingeprägte Spannung). Der :HFKVHOULFKWHr hat die Aufgabe, die Zwischenkreisspannug in eine dreiphasige Wechselspannung umzuformen. Da der Wechselrichter als Eingangsspannung mit einer Gleichspannung versorgt wird, müssen hier abschaltbare Leistungshalbleiter eingesetzt werden. Heute kommen hier vorwiegend IGBTs zum Einsatz. Gleichrichter Spannungszwischenkreis Wechselrichter L1 L2 L3 U V W M /HLVWXQJVWHLOHLQHV6SDQQXQJV]ZLVFKHQNUHLVXPULFKWHUV 6WURP]ZLVFKHQNUHLVXPULFKWHU

11 Wechselstromsteller 11 / 14 Stromzwischenkreisumrichter werden heute vorwiegend bei sehr großen Leistungen im MW - Bereich eingesetzt. Das Leistungsteil von Stromzwischenkreisumrichtern besteht netzseitig aus einer JHVWHXHUWHQ *OHLFKULFKWHUVFKDOWXQJ (B6C-Schaltung). Die Zwischenkreisspannung ist somit variabel. Der Stromzwischenkreisumrichter arbeitet mit eingeprägtem Strom, deshalb wird der Strom I dα im Zwischenkreis mit einer entsprechend dimensionierten Zwischenkreisdrossel geglättet. /HLVWXQJVWHLOHLQHV6WURP]ZLVFKHQNUHLVXPULFKWHUV (LQVWHOOP JOLFKNHLWHQDP)UHTXHQ]XPULFKWHU 6ROOZHUWH Der Sollwert gibt vor, mit welcher Frequenz der Motor betrieben werden soll. Bei den modernen Frequenzumrichtern gibt es verschiedene Möglichkeiten der Sollwertvorgabe: /RNDOHU6ROOZHUW Über die Tastatur der Umrichters kann ein Sollwert lokal vorgegeben werden. $QDORJVROOZHUW Ein Sollwertsignal an den Analogeingängen (Spannung oder Strom). Es gibt zwei Arten von Analogeingängen: Stromeingang, 0-20 ma Stromeingang, 4-20 ma. Spannungseingang, 0-10 V DC. Spannungseingang, V DC. %LQlUVROOZHUW Ein über die serielle Schnittstelle oder Bus-Schnittstelle übertragenes Sollwertsignal. )HVWVROOZHUW Ein definierter Festsollwert, einstellbar zwischen -100 % bis +100 % des Sollwertbereichs. Eine Auswahl von bis zu acht Festsollwerten über die Digitalklemmen ist möglich. (-100% = Maximale Drehzahl Linkslauf; +100% = maximale Drehzahl Rechtslauf) Der Sollwertbereich, Bereich in welchem der Sollwert eingestellt werden kann wird durch die minimale und die maximale Frequenz (Drehzahl) bestimmt. (z.b. 20Hz...80Hz )

12 Wechselstromsteller 12 / 14 5DPSHQ Wird der Sollwert der Ausgangsfrequenz geändert, ändert die Ausgangsfrequenz nicht schlagartig, sondern sie wir allmählich angepasst. Dies gilt sowohl für den Hochlauf als auch für das Abbremsen. Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten können separat eingestellt werden. Die einstellbaren Zeiten sind abhängig vom Gerät (z.b 0,01s ,00s) Die Rampenzeiten müssen an die jeweilige Anwendung angepasst werden. (Bauart und Funktionsweise der Maschine, Trägheit der Last usw.) Wird die Hochlauframpe zu kurz gewählt, kann der benötigte Anlaufstrom zu hoch werden und die Strombegrenzung des Frequenzumrichters wird aktiv. Wird die Verzögerungszeit zu kurz gewählt, (großes Trägheitsmoment) geht der Motor in Generatorbetrieb über. Die Mechanische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt und gelangt über den Wechselrichter in den Zwischenkreis. Bei Spannungszwischenkreisumformern mit nicht gesteuerten Gleichrichtern kann diese Energie nicht in das Netz zurückgespeist werden. Die Spannung im Zwischenkreis steigt an und der Frequenzumrichter schaltet ab. Diesem Problem kann man durch Verwenden vom Bremschopper und Bremswiderständen begegnen. %UHPVHQ *HQHUDWRULVFKHV%UHPVHQPLW%UHPVZLGHUVWDQG Das Bremsen mit Bremswiderstand soll die Spannung im Zwischenkreis bei generatorischem Betrieb des Motors begrenzen. Wenn die Last den Motor antreibt, z.b. beim Runterfahren der Rampe, wird Leistung in den Zwischenkreis zurückgeführt. Da der Zwischenkreis diese Leistung nicht unbegrenzt aufnehmen kann, ist eventuell ein Bremschopper und externem Bremswiderstand vorzusehen. Wird die Spannung im Zwischenkreis zu hoch, wird der Transistor Q 7 impulsweise durchgeschaltet und leitet die überschüssige Energie an den Bremswiderstand ab. '&%UHPVXQJ

13 Wechselstromsteller 13 / 14 Um den Motor abzubremsen kann auch die *OHLFKVWURPEUHPVXQJ verwendet werden. Sie kann bei der Programmierung der Frequenzumrichter aktiviert werden. Hierbei müssen Bremsstrom und Bremszeit definiert werden. (FNIUHTXHQ] Eine Möglichkeit der erhöhten Motorausnutzung ist die Dreieckschaltung mit der (FNIUHTXHQ]I +]. Die Eckfrequenz ist die Frequenz bei welcher der Umrichter die maximale Ausgangsspannung abgibt.) Anhand eines %HLVSLHOHV soll die Wirkungsweise erklärt werden: Der Umrichter hat eine Nenneingangsspannung von 400 V. Der Motor ist gewickelt für eine 6SDQQXQJYRQ99 <+]$XIJUXQGGLHVHU'DWHQZLUGDP8PULFKWHU folgende Einstellung vorgenommen: Y Motorspannung = 230 V, Motornennfrequenz = 50 Hz; der Motor wird in Dreieck geschaltet. Der Frequenzumrichter erreicht die maximale Ausgangsspannung erst bei einer Frequenz von 50 +] 3 = 87+]. Durch Umschalten des Motors von Stern- auf Dreieckschaltung wird die Motorspannung von 400 V nach 230 V herabgesetzt. Der Nennstrom wird um den Faktor 3 erhöht. Bei der Inbetriebnahme, wird der Motor bei der Frequenz von 50 Hz mit seiner Nennspannung von 230V betrieben. Bei der Frequenz von 87 Hz wird er mit 400V gespeist. Dabei wird er die 3 - fache Leistung entwickeln und bis zur Frequenz von 87 Hz ein konstantes Drehmoment abgeben. Bei der Wahl des Frequenzumrichters ist darauf zu achten, dass der Umrichter für den höheren Strom bzw die höhere Leistung ausgelegt ist. 'UHK]DKOUHJOXQJ Die angegebenen möglichen Einstellungen sind nur eine Auswahl der wichtigsten Einstellungen, welche an modernen Frequenzumrichtern vorgenommen werden können. Oft sind in Frequenzumrichtern PID-Regler integriert. In diesem Fall können Schwankungen z.b. durch

14 Wechselstromsteller 14 / 14 Laständerung durch den integrierten Regler ausgeregelt werden. Hierzu ist eine Rückmeldung des Istwertes notwendig. Dies wird durch entsprechende Geber welche an den Frequenzumrichter angeschlossen werden erreicht.