Universität Stuttgart. Institut für. zu 3. ens zwei. der (Steuerverfahren) Modulationsverfahren. Abschnitt 3 Blatt 1

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1 Universität Stuttgart zu 3 Einführende Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe Prof. Dr.-Ing. Jörg Roth-Stielow Bemerkungen zu Modula ationsverfahren Schaltungen nach Abschnitt 2: Mindeste ens zwei Schaltzustände, von denen der interessierendee Effekt unterschiedlich beeinflusst wird. Gewünschtes Maß für den interessierenden Effekt wird dadurch eingestellt, dass die Verweildauern in den verschiedenen Schaltzuständen geeignet gewählt werden. Realisierung dieser Maßnahme ist Aufgabe aller Modulationsverfahren. Zwei Gruppen von Modulationsverfahren: Modulationsverfahren ohne Berücksichtigung der Systemantwort (Steuerverfahren) Modulationsverfahren mit Berücksichtigung der Systemantwort (Regelverfahren) Unterlagen zur Vorlesung Leistungselektronik 1 Abschnitt 3 Blatt 1

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3 Beispiel-Schaltung zur Erläuterung von Modulations- Einwegventil verfahren für Steller mit einem ein- und ausschaltbaren Batteriee TSSS nach Ankerkreis einer fremderregten Gleichstrommaschine Unterlagen zur Vorlesung Leistungselektronik 1 Abschnitt 3.1 Blatt 1

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5 Diagramme zum Verfahren der Pulsweitenmodulation beim Tiefsetzsteller Unterlagen zur Vorlesung Leistungselektronik 1 Abschnitt 3.1 Blatt 2

6 zu Pulsweitenmodulation (beim TSS) Vorteile: günstige Geräuschverhältnisse, sofern f 1 P = oberhalb der TP (menschlichen) Hörgrenze einfache Steuerlogik sehr einfach zu einer Regelung erweiterbar Nachteile: Schaltfrequenz auf starren Wert festgelegt; Schaltfrequenz und Schaltverluste daher höher als im Mittel unbedingt nötig Schaltverhalten und nicht vernachlässigbare Schaltzeiten der Ventile erfordern Einhaltung von T gmin und T omin Folge: stetig verstellbar nur im Bereich τ gmin U E τ gmax U oder E= 0 (Dauer-AUS) bzw. E= U (Dauer-EIN) Unterlagen zur Vorlesung Leistungselektronik 1 Abschnitt 3.1 Blatt 3

7 Diagramme zum Verfahren der beim Tiefsetzsteller Zweipunktregelungg Systemantwortt zwingend erforderlich. i = Kommandostrom k Steuergesetz: i = i = i k i k 1 2 i 1 2 Δi + Δ V sperren V einschalten Bei einer Variation von i (Kommandostrom) und T P = T + T. g o n k verändern sich T, g To Unterlagen zur Vorlesung Leistungselektronik 1 Abschnitt 3.1 Blatt 4

8 zu Zweipunktregelungg (beim TSS) Vorteile: Schwankungsbreite des Stroms einfache Steuerlogik ausgezeichnete Dynamik i ist konstant Eigenschaft: i kann = I i k ; Abhilfe: Bypass-Integrierer (sorgt für i = I soll ) Nachteile: Geräuschverhältnisse kritisch wegen variablem T keine Gewährleistung von einfachen Form) n Tgmin breitbandiges Störspektrum (EMV) P = T und Tom min (in dieser g + T o Unterlagen zur Vorlesung Leistungselektronik 1 Abschnitt 3.1 Blatt 5

9 Diagramme zum Verfahren der Schaltzustandsänderung beim Zeitdiskreten Tiefsetzsteller Unterlagen zur Vorlesung Leistungselektronik 1 Abschnitt 3.1 Blatt 6

10 zu Zeitdiskrete Schaltzustandsänderung (beim TSS) Vorteile: Gewährleistung von Tgmin = TA und Tomin = TA Schaltfrequenz nach oben begrenzt Störunempfindlich; hohe Zuverlässigkeit auch bei komplexen Schaltungen durch zentralen Takt; einfache Schutz- und Verriegelungslogik realisierbar Ausgezeichnete Dynamik Nachteile: Geräuschverhältnisse ungünstiger als bei PWM mit f 1 P = oberhalb der (menschlichen) Hörgrenze TP breitbandiges Störspektrum (EMV) Unterlagen zur Vorlesung Leistungselektronik 1 Abschnitt 3.1 Blatt 7

11 Diagramme zum Verfahren "Current-Mode" beim Tiefsetzsteller Beispiel: Einschalten durch Takt-Impulse, Ausschalten, wenn i = i k Hinweis: so nur stabil für E < U. 1 2 Unterlagen zur Vorlesung Leistungselektronik 1 Abschnitt 3.1 Blatt 8

12 Bei Rollenvertauschung, also Einschalten, wenn i = i k und Ausschalten durch Takt-Impulse Hinweis: so nur stabil für E > 2 1 U. Unterlagen zur Vorlesung Leistungselektronik 1 Abschnitt 3.1 Blatt 9

13 Diagramme zu den Verfahren Pulsfolgemodulation sowie Pulslückenmodulation beim Tiefset tzsteller Unterlagen zur Vorlesung Leistungselektronik 1 Abschnitt 3.1 Blatt 10

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15 Unterlagen zur Vorlesung Leistungselektronik 1 Beispiel-Schaltung für die Erläuterung von Modulations- verfahren bei der AHBS Abschnitt 3.2 Blatt 1

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17 Diagramme zur PWM ohne Nutzung der Freilaufzustände bei der AHBS Unterlagen zur Vorlesung Leistungselektronik 1 Abschnitt 3.2 Blatt 2

18 Diagramme zur PWM mit Nutzung der Freilaufzustände bei der AHBS Unterlagen zur Vorlesung Leistungselektronik 1 Abschnitt 3.2 Blatt 3

19 PWM mit Nutzung der Freilaufzustände bei der AHBS Steuergesetz: ust > udr V T leitet ust < udr V T sperrt ust < udr V H ust > udr V H relative Leitdauer von V T und V H : ûdr + u τ st g = 2 uˆ Schaltmuster von V T und V H sind um 1 Dr 2 T gegeneinander versetzt. ust > 0 τ 1 g > Wechsel zwischen den Zuständen 2 Speisen und Freilauf ust < 0 τ 1 g < Wechsel zwischen den Zuständen 2 Freilauf und Rückspeisen für ust = uˆ Dr e= U für ust = 0 e= 0 für ust = uˆ Dr e= U Dazwischen jeweils linearer Zusammenhang u e = E = st U (2-3.2) û Dr P Unterlagen zur Vorlesung Leistungselektronik 1 Abschnitt 3.2 Blatt 4

20 Zusammenfassung: Vergleich Dauer eines Schaltspiels von V T und H Schwankungsbreite von e Periodendauer des Wechselanteils in e und i Schwankungsbreite von i Sätze: 1. Können vom Stellglied mehr als zwei diskrete Werte von e eingestellt werden, so sollten üblicherweise alle Werte genutzt werden. 2. Das momentan gewünschte e sollte so eingestellt werden, dass zwischen jenen Werten e μ und e ν hin- und hergewechselt wird, die diesem e benachbart sind. 3. Kann ein bestimmter Wert von e über mehrere Schaltzustände eingestellt werden, so sollten diese symmetrisch genutzt werden. Unterlagen zur Vorlesung Leistungselektronik 1 Abschnitt 3.2 Blatt 5

21 Diagramm zum Vergleich PWM mit dreieckförmigem Referenzsignal und PWM mit sägezahnförmigem Referenzsignal Unterlagen zur Vorlesung Leistungselektronik 1 Abschnitt 3.2 Blatt 6

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23 Dreipunktregelung bei der AHBS Erweiterung der Zweipunktregelung (vgl ) Systemantwort also zwingend erforderlich Δ i k = Kommandostrom Δ i i = innere Schwankungsbreite Δ i a = äußere Schwankungsbreite ( Δ ia >Δ ii > 0) Steuergesetz: a) i = ik +Δ ia: Freilauf Rückspeisen b) i = ik Δ ii: Rückspeisen Freilauf c) i = ik Δ ia: Freilauf Speisen d) i = ik +Δ ii: Speisen Freilauf e) für Freilauf ist alternierend Freilauf oben und Freilauf unten einzustellen Schwankungszonen des Stromes i: für e> 0: ik Δia i ik +Δ ii für e< 0: ik Δii i ik +Δ ia Wenn i i stört Bypass-I-Regler (vgl ) k Vor- und Nachteile dieser Dreipunktregelung auch ansonsten wie Zweipunktregelung (vgl ) Unterlagen zur Vorlesung Leistungselektronik 1 Abschnitt 3.2 Blatt 7

24 Diagramme zur Dreipunktregelung bei der AHBS Unterlagen zur Vorlesung Leistungselektronik 1 Abschnitt 3.2 Blatt 8