Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Arcisstraße 21 D 80333 München Email: eat@ei.tum.de Internet: http://www.eat.ei.tum.de Prof. Dr.-Ing. Ralph Kennel Tel.: +49 (0)89 289 28358 Fax: +49 (0)89 289 28336 Blockbetrieb 1
1 Blockbetrieb Das letzte Kapitel befasst sich ausführlich mit dem Verhalten der Maschine an einem 3-phasigen Netz, mit idealer Sinusspeisung. Es wurden die Raumzeiger eingeführt und der Zusammenhang zwischen zeitlicher und räumlicher Abhängigkeit erläutert. In diesem Kapitel wird der einfachste Betrieb der Maschine am Umrichter erläutert. Hierbei bezieht sich einfach allein auf den Umrichter, da dieser lediglich größere Spannungsblöcke schalten muss. In Bezug auf die Zustände in der Maschine ist der Blockbetrieb eine suboptimale Lösung, da die hier verwendete Spannungstrajektorie kaum Ähnlichkeit zur Sinusform besitzt, wodurch kein konstant rotierender Raumzeiger resultiert. Für den praktischen Einsatz ist dieser Umstand zwar nicht ideal, aber aufgrund der Trägheit des Rotor bzw. des dahinter geschalteten Systems, möglich. Die Spannungszustände in der Maschine und am Umrichter werden im Folgenden am Beispiel des 2 Punkt Spannungszwischenkreis Umrichters verdeutlicht. Dieser Umrichtertyp ist gegenüber den Stromzwischenkreisumrichtern und den Direktumrichtern deutlich verbreiteter. Für kleinere und mittlere Leistungen besitzt der Umrichter im Eingang eine ungesteuerte B6- Brücke. Um eine möglichst saubere Gleichspannung im Zwischenkreis zu gewährleisten, wird die pulsierende Gleichspannung mit einem parallel geschalteten Kondensator geglättet. Die Ausgangsspannung wird erzeugt, indem die IGBTs getaktet werden. Die Größe der Ausgangsspannung ist abhängig vom gewählten Pulspausenverhältnis. Wobei im speziellen Fall des Blockbetriebs jeweils immer komplette Halbwellen geschaltet werden. 1.1 Funktionsweise In der folgenden Abbildung ist ein Spannungszwischenkreisumrichter wie oben beschrieben abbgebildet. Abbildung 1.1: Prinzipschaltbild eines Spannungszwischenkreisumrichters Für die weiteren Betrachtungen werden folgende Vereinfachungen getroffen. Das Nullspannungspotential ist konstant und verschiebt sich nicht Die Leistungsschalter sind ideal, es entstehen keine Verluste Die Zwischenkreisspannung ist konstant 2
Im Blockbetrieb sind die Leistungshalbleiter immer 180 am Stück eingeschaltet mit einer Phasenverschiebung von jeweils 120 zwischen den Phasen. Abbildung 1.9 verdeutlicht diesen Zusammenhang im Vergleich zur 3 phasigen Sinusspannung. Die Spannung im Blockbetrieb entspricht der maximalen Ausgangsspannung, die der Wechselrichter erzeugen kann. Demnach sind alle modulierten Signale von der Spannungszeitfläche geringer, als die Spannung im Blockbetrieb. Durch die schlechte Annährung an die Sinusform, resultiert im Blockbetrieb ein Strom der weit von der idealen Sinusform entfernt ist, daher bringt der Blockbetrieb neben dem Vorteil der größt möglichsten Ausgangsspannung einige Nachteile mit sich. Abbildung 1.2: Spannungsblöcke verglichen mit der Grundwelle Mittels der Maschenregel können nun folgende Gleichungen aufgestellt werden. Es handelt sich hierbei um die verketteten Spannungen. u UV (t) = u U0 (t) u V 0 (t); u V W (t) = u V 0 (t) u W0 (t); u WU (t) = u W0 (t) u U0 (t); (1.1) Die Abbildung 1.9 zeigt die Spannungsverläufe, es wird ersichtlich, dass zwischen dem Mittelpunkt der Induktivitäten und dem Umrichtermittelpunkt eine Spannung vorhanden ist, deren Frequenz das Dreifache der Grundwellenfrequenz beträgt. Daher darf keinesfalls der Umrichtermittelpunkt, mit dem Mittelpunkt der Induktivitäten verbunden werden. Diese Spannung resultiert daraus, dass die Summe der drei Strangspannungen immer ungleich Null ist. Bei Betrachtung der Strangspannungen für einen festen Zeitpunkt ist erkennbar, dass immer zwei Spannungen das gleiche Potential besitzen und die dritte invers dazu ist. Aufgrund der Symmetrie der Maschine, sind somit immer zwei Stränge parallel geschaltet und ein dritter dazu in Reihe. Aus der folgenden Zeichnung geht hervor, dass sich daher immer 2/3 bzw. 1/3 der Gesamtspannung am Sternpunkt einstellt. 3
Abbildung 1.3: Spannungsverteilung im Blockbetrieb 1.2 Vertiefung der gezeigten Zusammenhänge Wie bereits beschrieben ist die Ausgangsspannung im Blockbetrieb nicht vergleichbar mit der Ausgangsspannung am Netz. Es soll dargestellt werden, wie eine Wechselspannung mittels des Wechselrichters erzeugt wird, welche Unterschiede zur Netzspannung bestehen und wie dies in der Raumzeigerdarstellung aussieht. Die folgende Abbildung zeigt eine stark vereinfachte Darstellung des Wechselrichters. Stellen Sie einen Zusammenhang zwischen den Zuständen der Ausgangsstufen und der resultierenden Spannung in Raumzeigerdarstellung her. Welche Unterschiede bestehen im kontinuierlichen Betrieb, wenn der Wechselrichter ebenfalls eine Frequenz von 50 Hz modulieren soll. 1.2.1 Grundlagen Die Zustände des Wechselrichters werden durch folgenden Schreibweise vereinfacht dargestellt. u v w u d Abbildung 1.4: Wechselrichter Leiten Sie die möglichen Schaltzustände für den Wechselrichter her, indem Sie die blockförmigen Spannungen mit den sinusförmigen des Netzes vergleichen und vervollständigen sie das Diagramm. 4
Abbildung 1.5: Strangsspannungen Abbildung 1.6: Raumzeiger 5
Die eben aufgeführten Zeiger lauten aktive Zeiger, neben diesen Zeigern gibt es auch die Nullzeiger, welche die Last kurzschließen. Nullzeiger werden im Blockbetrieb nicht verwendet, da im Blockbetrieb die maximal mögliche Spannung ausgegeben wird. Nullzeiger finden dann Verwendung, wenn der Motor nicht mit maximaler Spannung beaufschlagt werden soll, dies wird im nächsten Kapitel näher erläutert. u v w u d Abbildung 1.7: Wechselrichter Folgende zeitliche Abhängigkeit trifft für die Spannungen im Blockbetrieb und der sinusförmigen Netzspannung bei gleicher Grundwelle zu. Abbildung 1.8: zeitlicher Zusammenhang 6
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1.2.2 Ermittlung der Spannungen Zeichnen Sie für den Blockbetrieb die Strangspannnungen, die verketteten Spannungen und die Spannung zum Mittelpunkt. Abbildung 1.9: Prinzipschaltbild eines Spannungszwischenkreisumrichters Berechnung der Sternpunktspannung U M bezogen auf die Nullspannung U 0 des Umrichters. 8
Für die Spannungsverhältnisse an der Last ergeben sich folgende Möglichkeiten: Abbildung 1.10: Spannungsverteilung im Blockbetrieb 9
Tragen Sie alle Spannungen in die nachfolgende Zeichnung ein. Gehen Sie davon aus das sich die Maschine im Blockbetrieb befindet und betrachten Sie die vorgegebenen Sinusschwingungen als Hilfslinien. u U0 u d u V0 t u d u W0 u d u U0 + u V0 + u W0 u UM u UV u VW u UW Abbildung 1.11: diverse Spannungen 10
1.2.3 Unterschiede zum sinusförmigen Betrieb Berechnen Sie den Effektivwert der Grundschwingung der verketteten Spannung im Blockbetrieb. Gehen Sie davon aus, dass der Umrichter mit 400V gespeist wird und unbelastet ist. Welche Bedeutung hat der Effektivwert der Grundwelle für die Maschine? Abbildung 1.12: Integrationsintervalle 11
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Die Ausgangsspannung ist im Blockbetrieb deutlich höher als am Netz, was spricht dagegen den Motor im Volllastbereich immer im Blockbetrieb zu betreiben? Zeichen Sie qualitativ die Stromtrajektorie für eine symmetrische RL- Last für sinusförmigeund blockförmige Anregung 13
Abbildung 1.13: Stromtrajektorien 14