Spannungszwischenkreisumrichter (Pulsumrichter)

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Catharina Böhler
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1 Lehrveranstaltung Umwandlung elektrischer Energie mit Leistungselektronik Spannungszwischenkreisumrichter (Pulsumrichter) Prof. Dr. Ing. Ralph Kennel Technische Universität München Arcisstraße München

(Pulsumrichter) Prof. Dr. Ing. Ralph Kennel (ralph.

2 Electrical Energy Conversion by Converters (Power Electronics) Umrichter (wenn Ausgangsfrequenz identisch zu Eingangsfrequenz: Drehstromsteller) Converter if output frequency = input frequency : (AC) Power Controller Gleichrichter Rectifier Inverter Wechselrichter DC/DC Converter Chopper Controller Gleichstromsteller

output frequency = input frequency : (AC) Power Controller Gleichrichter

3 Converters converters Stromrichter power controllers Steller converters Umrichter chopper controller Gleichstromsteller buck converter Tiefsetzsteller (AC) power controller Drehstromsteller boost converter Hochsetzsteller cyclo converter direct converter Direktumrichter matrix converter Matrixumrichter voltage source inverter (VSI) Spannungszwischenkreisumrichter Rectifier Gleichrichter resonance inverter Resonanzumrichter Inverter Wechselrichter link inverter Zwischenkreisumrichter current source inverter (CSI) Stromzwischenkreisumrichter

matrix converter Matrixumrichter voltage source inverter (VSI) Spannungszwischenkreisumrichter Rectifier Gleichrichter resonance

4 Spannungszwischenkreisumrichter (Pulsumrichter) U 0 Motor - - -

5 Spannungszwischenkreisumrichter (Pulsumrichter)

6 Ansteuerungsarten Spannungszwischenkreisumrichter

7 Ansteuerungsarten Spannungszwischenkreisumrichter

8 Spannungsverläufe bei Blocksteuerung u R0 u M0 u RS u R u S u T an der Motorwicklung wird bei Mehrphasenwicklungen die verkettete Spannung wirksam die resultierende Strangspannung im Motor kommt der Sinusform näher als die Strangspannung am Umrichter!!!

verkettete Spannung wirksam die resultierende Strangspannung im

9 symmetrisches und unsymmetrisches Unterschwingungsverfahren symmetrisch unsymmetrisch

10 Pulsmuster einer 3phasigen PWM

11 Strommessung im Unterschwingungsverfahren

12 Raumzeiger(modulation) U Motor

13 Raumzeiger(modulation)

14 Raumzeiger(modulation) freie Wahl des Nullvektors

15 Raumzeiger(modulation) freie Wahl des Nullvektors

16 Raumzeiger(modulation) T INV

17 PWM-Modulatoren Hardware-Realisierung als ASIC oder FPGA

18 Spannungsverläufe bei Pulsbreitenmodulation (PWM) Pulsmuster variieren mit Arbeitspunkt und dem Frequenzverhältnis

19 Spannungsverläufe bei Pulsbreitenmodulation Oberschwingungen in Speisespannungen (Rechteckform)

20 Vergleich : PWM Zweipunkt-Stromregler Vorteil : sehr dynamisch Nachteil : variable Schaltfrequenz

21 PWM-Verfahren

22 PWM-Verfahren ähnliche, aber ungleiche Pulsmuster Unterschwingungsverfahren

23 Raumzeiger(modulation)

24 Differences in PWM methods

25 Unterschwingungsverfahren

26 Zumischen der 3. Harmonischen 1/6 der Grundwellenamplitude

27 Zumischen der 3. Harmonischen 1/4 der Grundwellenamplitude

28 PWM nach Schörner

29 Raumzeigermodulation

30 Erweiterung des Ausgangsspannungsbereichs das Zumischen der 3. Harmonischen ist auch im Unterschwingungsverfahren möglich Zumischen der 3. Harmonischen 1/6 der Grundwellenamplitude Raumzeigermodulation

31 Vergleich von Oberschwingungsspektren zwischen Unterschwingungsverfahren, PWM mit dritter Harmonischer und Raumzeigermodulation Unterschwingungsverfahren PWM mit dritter Harmonischer Raumzeigermodulation

32 Discontinuous PWM Schemes

33 60 Flat Top PWM

34 30 Flat Top PWM

35 Vergleich zwischen Raumzeigermodulation und 30 Flat Top PWM Raumzeigermodulation 30 Flat Top PWM

36 120 Flat Top PWM

37 Vergleich von Oberschwingungsspektren zwischen Raumzeigermodulation und 60 Flat Top PWM Raumzeigermodulation 60 Flat Top PWM

38 Vergleich von Oberschwingungsspektren zwischen Raumzeigermodulation und 60 Flat Top PWM Raumzeigermodulation 60 Flat Top PWM

39 Vergleich von Oberschwingungsströmen

40 kontinuierliche und diskontinuierliche PWM

41 Summary PWM methods

42 Einspeisung Netzseite U 0 Netz without filtering H1 H3 H5 H7 H9 H11 H13 H15 H17 H19 H21

43 Ladestromrichter U 0 Netz - - Stromkurvenform - motoring with optimized filtering regeneration 120 line current line voltage H1 H3 H5 H7 H9 H11 H13 H15 H17 H19 H21

45 Wirkungsgrad in Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung

46 Auslegung Zwischenkreiskondensator U Motor Achtung!!!! es geht nicht um die Blindleistung für die Last!!!

51 Reactive Power Motor (e. g. induction machine) U 0 this is a DC link there is no reactive power by definition induction machines need reactive power for magnetization as the sum of reactive power in all 3 phases is zero ( 0 )!

52 Reactive Power Motor (e. g. induction machine) U 0 where does reactive power come from??? induction machines need reactive power for magnetization as the sum of reactive power in all 3 phases is zero ( 0 )! it is no problem for the inverter to provide it

53 Reactive Power Motor (e. g. induction machine) U with regard to reactive power the inverter is like a marshalling yard (switching station) for trains! as the sum of reactive power in all 3 phases is zero ( 0 )! it is no problem for the inverter to provide it -

54 Reactive Power Motor (e. g. induction machine) U with regard to reactive power the inverter is like a marshalling yard (switching station) for trains! therefore inverters can be used easily for compensating reactive power in grids! especially in regenerative energy applications like wind power farms or solar power arrays! -

55 Auslegung Zwischenkreiskondensator Kriterien Energie : E C = ½ * C * U C 2 Energieschwankungen : E C = ½ * C * [(U C + U) 2 - U C2 ] Kapazität : C = 2 * E C / [ U * (2*U C + U)]

59 Auslegung Zwischenkreiskondensator Netzspannung V Netzspannungsschwankung U = 101 V Beispiel : einphasiges Einspeisen U 0 halbe Netzperiode 10 ms Kapazität : E C = 10 Ws C = 2 * E C / [ U * (2*U C + U)] 10 kw Motor C = µf

60 Auslegung Zwischenkreiskondensator Kriterien Taktfrequenz : C = I * t t / U Netzspannungsschwankungen : C = I * t netz / 2 * U (2 puls-brücke) C = I * t netz / 6 * U (6 puls-brücke) induktive Last

61 Auslegung Zwischenkreiskondensator + + z. B. 420 µf z. B. 100 A z. B. 200 µh U 0 E L = ½ L I = ½ * Ws = 10 6 * 10-6 Ws = 1 Ws

62 z. B. 420 µf Auslegung Zwischenkreiskondensator + + z. B. 100 A z. B. 200 µh U 0 - E C = ½ C U max 2 - ½ C U nenn 2 = ½ C (U 2 max - U nenn2 ) C = 2 * E C / (U 2 max - U nenn2 ) = 2 * 1 / ( ) F = 35 µf - das ist nicht viel

63 Auslegung Zwischenkreiskondensator Kriterien das Abspeichern der kinetischen Energie eines Antriebs ist unrealistisch!!! Abhilfemaßnahmen : schnelle Überwachung und Abschaltung (im µs-bereich) (Folge : Austrudeln des Antriebs) Ballastschalter mit Widerstand im Zwischenkreis (Folge : Abbremsen des Antriebs)

64 Auslegung Zwischenkreiskondensator Vorsicht bei Einsatz großer Kapazitäten (z. B. Elektrolytkondensatoren) die große Kapazität sorgt für sehr geringe Spannungsschwankungen dies bedeutet allerdings einen deutlich erhöhten Wechselstrom (Schaltfrequenz)!!! viele (Elektrolyt-)Kondensatoren sind für eine erhöhte Wechselstrombelastung nicht ausgelegt (siehe Datenblatt)!!! die Wechselstrombelastbarkeit des Zwischenkreiskondensators ist häufig maßgebend für die Auslegung!!! die Kapazität des Zwischenkreiskondensators ist dadurch ggf. größer als rechnerisch notwendig!!!

65 Lehrveranstaltung Umwandlung elektrischer Energie mit Leistungselektronik KFZ spezifische Schaltungen

68 KFZ spezifische Schaltungen Halbleiterbauelemente industrieübliche Umrichtertopologie Reduzierte Anzahl von Halbleiterschaltern Kosten Anzahl der Halbleiterschalter Abstriche bei der Performance! Feldeffekt-Transistoren das war früher (FET) bei den Gleichstrommotor-Kommutatoren auch so!!! Spannungsbereich ausreichend hohe heute Schaltfrequenz : Kosten Kommutator Gesamtbaugröße (Materialeinsatz) Frage : ist zu erwarten, dass zukünftig Kosten Leistungselektronik Siliziumfläche??? kann man etwas tun diesen Prozess (Kostenreduktion) zu beschleunigen? KFZ-typische Umrichtertopologie

69 KFZ spezifische Schaltungen Topologie industrieübliche Umrichtertopologie + + KFZ-typische Umrichtertopologie Strang des Motors parallele Wicklung - Gründe niedrige Spannungsversorgung (nur 1 Schalter in Reihe) weniger Halbleiterschalter (aber : aufwändigere Wicklung)

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