3.4. Zweipuls-Brückenschaltungen (B2-Schaltungen)

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1 3.4. Zweipuls-Brückenschaltungen (B-Schaltungen) Aus vier Dioden kann eine Gleichrichterbrückenschaltung (Graetz-Brücke) aufgebaut werden. Brückenschaltungen können in ungesteuerte, vollgesteuerte und halbgesteuerte Schaltungen eingeteilt werden. ngesteuert: Aufbau mit Dioden Vollgesteuert: Aufbau mit Thyristoren Halbgesteuert: Aufbau mit Thyristoren und Dioden Vollgesteuerte Schaltung i N + V3 i d Bild: 3.: Diodenbrückenschaltung, Zweiweg-Gleichrichtung u N, V4, V3 V4 u d - t R L Zustände: 1. u N > 0, =0, ud = un id = i = iv4 = + in iv3 = i = 0. un < 0, =0, ud = un id = iv3 = i = + i N i = iv4 = 0 i = u /R d N L u N u N Bild 3.3: Verlauf der auftretenden Spannungen und Ströme, induktive Last, 0 Effektivwert bei ungesteuertem Betrieb: ( ω ) 1 = sin t d = de N N 0 Mittelwert der Gleichspannung mit Glättung (Induktiv-ohmsche Last): + 1 di = N sin d di = N cos di = 0,9 N cos = di cos (z.b. 07 V bei 30 V WS und =0) Skript LE04_03a.doc- Ausgabe September 004 Mi 56

2 Mittelwert der Gleichspannung ohne Glättung (Ohmsche Last, lückender Strom): 1 1+ cos di = N sin d = di 1 0,9 cos de Formfaktor : F = = ( bei = 0 : F = 1,11 = 111% ) Welligkeit bei ungesteuertem Betrieb: di w= F 1 = 0,48 = 48% Bild 3.4: Vollgesteuerte, ideale Wechselstrom-Brückenschaltung a) Schaltbild, b) Steuerkennlinie, c) Belastungskennlinie, d) Verläufe Skript LE04_03a.doc- Ausgabe September 004 Mi 57

3 Bild 3.5: Phasenaschnittsteuerung einer vollgesteuerten B-Schaltung Skript LE04_03a.doc- Ausgabe September 004 Mi 58

4 Belastungs- und Steuerkennlinien: Bild 3.6: Kommutierungsvorgang in netzgeführten Stromrichtern a) Schaltbild, b) Belastungskennlinien, c) Verläufe Induktiver Gleichspannungsabfall durch Kommutierung: dx = p f LK I d ; (hier p = ) dx (Relativer induktiver Gleichspannungsabfall: d x = ) di Ohmscher Gleichspannungsabfall: dr = R K I d RK Durchlassspannung der Diode: dv V Belastungskennlinien im Lückbetrieb = Ohmscher Widers tan d im Kommutierungskreis = cos d di dx dr dv Bild 3.7: Belastungskennlinien bei Lückbetrieb und Kommutierungsbetrieb λ=δ=stromflusswinkel In realen Schaltungen bricht die Spannung bei Belastung zusammen! Erforderliche Trafo-Bauleistung der B-Schaltung: Trafoausnutzung als bei der Mittelpunktschaltung, dort S T ST = 1,11 Pd = 1,34 P ) d ( bessere Weitere Vorteile: Brückenschaltungen benötigen nicht zwingend einen Trafo, können somit direkt am Netz betrieben werden, dann aber häufig mit zusätzlicher Kommutierungsdrossel. Skript LE04_03a.doc- Ausgabe September 004 Mi 59

5 3.4.. Halbgesteuerte Schaltung Jeweils zwei Thyristoren und Dioden, dabei zwei Möglichkeiten: 1. Einpolig gesteuerte Schaltung, Reihenschaltung eines Thyristors und einer Diode (Kathoden oder Anoden der beiden Thyristoren bilden einen Gleichstromanschluss, Bezeichnung BHK bzw. BHA, vereinfacht nur BH). Zweigpaar-halbgesteuerte Schaltung (BHZ oder nur BH) i N V3 i d + L d i N V3 i d + L d u N u d u N u d R L R L V4 - V4 - a) b) Bild 3.8: Halbgesteuerte Zweipuls-Brückenschaltungen a) einpolig gesteuerte Schaltung b) zweigpaar-halbgesteuerte Schaltung a) b) u N u N Bild 3.9: Verlauf der auftretenden Spannungen und Ströme Skript LE04_03a.doc- Ausgabe September 004 Mi 60

6 di di =! Für =0: di = 0,9 N ; N = Effektivwert der Netzspannung di Gleichspannungs-Mittelwert: = ( 1+ cos ) bei =: 0 Phasenwinkel der Strom-Grundschwingung: ϕ 1 = nterschiede zur vollgesteuerten Schaltung: 1. Phasenverschiebung ϕ 1 dieser Schaltung ist gegenüber der vollgesteuerten nur die Hälfte! weniger Blindleistungsaufnahme.. Kein negativer Gleichspannungs-Mittelwert möglich, damit kein Wechselrichterbetrieb möglich 3.5. Dreipuls-Mittelpunktschaltung (oder Drehstrom-Mittelpunktschaltung, M3-Schaltung) Aufbau und Betrieb bei Vollaussteuerung Netzgeführte Stromrichter größerer Leistung (ab ca. 10 kw) werden im allg. mit Drehstrom versorgt! Thyristoren wechseln sich in der Stromführung periodisch ab, dabei immer der Thyristor leitend, dessen Anodenpotential gegenüber dem Trafo-Mittelpunkt am höchsten ist. Lage der Zündimpulse bei Vollaussteuerung wird vorgegeben (natürlicher Zündzeitpunkt), Pulszahl p=3 L1 L L3 i L1 i L i L3 Bild 3.30: Dreipuls-Mittelpunktschaltung i p1 i p i p3 u S1 u S u S3 L d V 1 V V 3 i d u d R L Zeitlicher Mittelwert der Gleichspannung (=0): = sin d = ( cos) = ( cos150 ) ( cos 30 di S S S di == 1,17 Gleichstrom: S I d = di R Skript LE04_03a.doc- Ausgabe September 004 Mi 61 )

7 Bild 3.31: Verlauf der auftretenden Spannungen und Ströme bei Vollaussteuerung (=0, natürlicher Zündzeitpunkt, um = 0 30 gegenüber dem 6 Spannungsnulldurchgang verschoben!) Steuerimpulse i S1,i S,i S3 =I d /3 + Wechselanteil sekundäre Strangströme mit Gleichstromanteil in Höhe von I d /3, diese können nicht auf die Trafoprimärseite übertragen werden, Vormagnetisierung des Eisenkerns, konstante magn. Flüsse im Eisen, die gleiche Richtung haben und sich nur in Luft bzw. Trafokessel schliessen können (außer bei Zickzackschaltung). Auch Zunahme des Magnetisierungsstromes! - Scheitelwert der Thyristorsperrspannung: ût = 3 S =,45 S ( S = Effektivwert der sekundären Trafo-Strangspannung) - Bauleistung des Trafos: ST = 1,35 Pd 35% mehr Bauleistung des Trafos notwendig Skript LE04_03a.doc- Ausgabe September 004 Mi 6

8 Betrieb bei Teilaussteuerung Zeitlicher Mittelwert der Gleichspannung (ohne Ableitung): = sin d; = cos mit = 1, 17 di S di di di S Bild 3.3: Dreipuls-Mittelpunktschaltung bei Teilaussteuerung Berücksichtigung der Kommutierungsinduktivitäten Bild 3.33: Dreipuls-Mittelpunktschaltung bei Berücksichtigung der Kommutierungsinduktivität Wenn z.b. I d von T1 auf T übergeht: us1 + us ud = 0; (us1 u S1) Bei M-Schaltung: u d =0! Für die anderen Kommutierungen gilt Entsprechendes. Skript LE04_03a.doc- Ausgabe September 004 Mi 63

9 Dadurch Rückgang des Gleichspannungs-Mittelwertes um: = p f L I ; ( hier p = 3,siehe auch B Schaltung ) dx K d Somit beträgt der Mittelwert der gelieferten Gleichspannung (ohne ohmschen Anteil): = 1,17 cos 3fL I d S K d 3.6. Sechspuls-Brückenschaltungen (Drehstrom Brückenschaltung, B6- Schaltung,) Aufbau und Funktion L1 L L3 V3 V5 d L d R Bild 3.34: Sechspuls- Brückenschaltung V4 V6 I d St Ansteuerautomat Die B6C-Schaltung ist eine besonders häufig eingesetzte und wichtige Schaltung, da: - Geringe Gleichstromwelligkeit, - Symmetrische Belastung des Drehstromnetzes - Geringer Oberschwingungsgehalt Skript LE04_03a.doc- Ausgabe September 004 Mi 64

10 V3 V5 ϕ 0 I d u a L d L M R M u b u c u d = ϕ O ϕ M V4 V6 ϕ Konstruktion der Vorgänge in der B6-Schaltung für Steuerwinkel = 0 0 u/û, i + 3 u d = ϕ 0 ϕ +1.5 ϕ 0 +1 u a u b u c I d 0 V6 V6 V3 V3 V5 V5 V4 V4 ϑ = ω N t 1 ϕ Ventilleitdauer: 10 0 Bild 3.35: Zur Wirkungsweise idealer netzgeführter Gleichrichter, =0 0 und =90 0 (Netz: L N = 0, R N = 0, SR-Abzweig L T = 0, R T = 0, Glättung L d, Symmetrie und Sinusform der Netzspannungen, stationärer Betrieb M = di ) Skript LE04_03a.doc- Ausgabe September 004 Mi 65

11 Konstruktion der Vorgänge in der B6-Schaltung für = 90 0 (B6C) u/û, i +1 u d = ϕ 0 ϕ ϕ 0 0 V5 V5 V3 V3 V5 V5 ϑ = ω N t 1 L =0 0 =60 0 =90 0 =10 0 di0 Gleichrichterbetrieb Wechselrichterbetrieb = = Bild 3.36: Gesteuerte Drehstrom-Brückenschaltung (B6C), Spannungsverläufe bei unterschiedlichem Ansteuerwinkel Skript LE04_03a.doc- Ausgabe September 004 Mi 66

12 Spannungs-Mittelwert bei =0 0 (B6-Schaltung): + /6 6 6 = cosω t dt = sin( /6) sin( di N N N /6 di N [ /6)] = 1,35 ( N =Effektivwert der Netz-Außenleiterspannung) (bzw. di =,34 L,N, L,N=Effektivwert der Netz-Strangspannung) Beispiel: N =400V: di = 1,35 400V = 1,35 = 540,V Spannungs-Mittelwert bei >0 0 (B6C-Schaltung): di = di cos = 1,35 N cos (Steuergesetz) d.h. = 0: cos = 1 di = di ; = 90 0 : cos = 0 di = 0 Trafobauleistung: ST = 1,05 Pd sehr gute Trafoausnutzung da Wicklungsströme geringen Oberschwingungsgehalt besitzen. Schaltung wird aber überwiegend auch ohne Trafo betrieben. Scheitelwert der auftretenden Thyristor-Sperrspannung: ût =,45 N z.b.: = 30V uˆ = 564V L,N T Bei der Thyristoransteuerung müssen immer zwei Thyristoren gleichzeitig gezündet werden. Die tatsächliche Ausgangsspannung d einer Gleichrichterschaltung wird um die Durchlassspannungsabfälle der Ventile F (bei B6C jeweils zwei Ventile in Reihe), durch einen Spannungsabfall am Innenwiderstand des vorgeordneten Netzes R e, der sich aus einem Verlustanteil R e1 und einem Kommutierungsanteil R e zusammensetzt, vermindert. Es gilt das folgende Ersatzschaltbild für das Stellglied: N F dν R e i d L e u d Bild 3.37: Ersatzschaltbild eines Gleichrichters ( dν =Oberschwingungsspannung) di Skript LE04_03a.doc- Ausgabe September 004 Mi 67

13 Halbgesteuerte Sechspuls-Brückenschaltungen (B6H) L1 L L3 N dii di D1 D D3 T1 T T3 d I d R L d Bild 3.38: Halbgesteuerte Sechspuls- Brückenschaltungen, (Reihenschaltung einer gesteuerten und einer ungesteuerten M3- Schaltung) Bild 3.39: Verlauf der Spannungen und Ströme der halbgesteuerten Drehstrombrücke ud = udi ud II i = i i S1 T1 D1 Skript LE04_03a.doc- Ausgabe September 004 Mi 68

14 1+ cos Ausgangsspannung: di = di mit =,34 ; = Strangspannung di LN, LN, di di0 Bild 3.40: Steuerwinkel des vollgesteuerten Stromrichters: (Wechselrichterkippen) Steuerwinkel des halbgesteuerten Stromrichters: Beispiele: Bild 3.41: Schaltplan des Drehstromgenerators mit elektronischem Hybridregler (Quelle: BOSCH) Skript LE04_03a.doc- Ausgabe September 004 Mi 69