5.3. Selbstgeführter Wechselrichter Aufgabe: Umformung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung mit frei einstellbarer Frequenz, vielfach auch frei einstellbarer Spannungshöhe. Unterscheidung: -Schaltungen mit eingeprägtem Gleichstrom (Strom-Wechselrichter oder I-Wechselrichter) -Schaltungen mit eingeprägter Gleichspannung (Spannungs-Wechselrichter oder U-Wechselrichter) 5.3.1 Spannungs-Wechselrichter Gleichspannungs-Zwischenkreis wird mit einem Kondensator stabilisiert. Dadurch ist auch ein Blindleistungsaustausch bei induktiven Verbrauchern möglich. 5.3.1.1. Einphasiger Spannungs-Wechselrichter (W2C) Aufbau: Identisch zum Vierquadranten-Gleichstromsteller, aber mit Wechselstromverbraucher als Last (ohmscher-induktiver Verbraucher), veränderter Ansteuerung i d U d + - D1 D2 T1 T3 D3 i L L R T2 u L T4 D4 Bild 5.13: Einphasiger Spannungs- Wechselrichter Bild 5.14: Zeitliche Verläufe von Ausgangsspannung und -strom t t Wechselspannung: Rechteckförmig (Blockbetrieb) Wechselstrom: Verlauf entsprechend Last, d.h. bei großer Zeitkonstante T=L/R nahezu dreieckförmig, bei kleinem T nahezu rechteckförmig Erklärung zu Bild 5.14: Zustand 1: (0 < t < T/2) T1 und T4 leitfähig Zustand 2: (T/2 < t < T) T2 und T3 leitfähig Skript Le04_05a.doc- Ausgabe September 2004 i 99
Leistungshalbleiter werden paarweise im Gegentakt zueinander geschaltet, d.h. Ansteuerverfahren mit Zweipunktverhalten (Spannung am Verbraucher wird zwischen den beiden Polaritäten +U d und U d hin und her geschaltet) + U d /2 N U d /2 Z Bild 5.15: Schaltermodell eines einphasigen WR mit Zweipunktverhalten t= 0: Laststrom i L negativ, von Spule L über Dioden D1 / D4 gegen Speisespannung U D angetrieben, Transistoren T1 / T4 sind zwar angesteuert, aber noch stromlos. Es gilt: ul = U d; id1 = id4 = i L Der Laststrom i L wird nach e-funktion mit der Zeitkonstanten τ=l/r kleiner. t= t 1 : i L =0, danach Übernahme durch T1 / T4, es gilt: ul = U d; it1 = it4 = il t= T/2: T1 / T4 werden ausgeschaltet, Spule L treibt Strom über D2 / D3 gegen U d weiter, i L nimmt nach e-funktion ab, es gilt: ul = U d; id2 = id3 = i L t= t2: i L ändert Richtung und geht von D2 / D3 auf T2 / T3 über, es gilt: ul = U d; it2 = it3 = i L t= T: T2 / T3 werden ausgeschaltet, danach T1 / T4 eingeschaltet, Spule L hält Laststrom aufrecht, der über D1 / D4 gegen U d fließt. Periodisch auftretender Energierücktransport von der Spule zum Gleichspannungszwischenkreis immer dann, wenn Dioden Strom führen (Lieferung von Blindleistung). Steuerung der Spannungshöhe: 1) Verzögerte Ansteuerung der Transistoren T3/T4 (T1/T2 werden nach wie vor unverzögert angesteuert) Ansteuerung nach dem Schwenkverfahren nur Spannungsabsenkung, Aber: Oberschwingungsgehalt in u L kann sehr groß werden, daher nur in einem begrenzten Stellbereich einsetzbar! t Bild 5.16: Spannungsverlauf beim Schwenksteuerverfahren Skript Le04_05a.doc- Ausgabe September 2004 i 100
2) Pulsung der Ventile innerhalb einer Periode Pulswechselrichter mit den Pulsverfahren - Pulsamplitudenmodulation (PA) Eingangsspannung U d wird verstellt, z.b. durch einen steuerbaren Gleichrichter (B6C, B2C,...) - Pulsbreitenmodulation (PW), Erzeugung durch Dreieck-Rechteck-odulation Nachteile des Blockbetriebs : Nichtsinusförmige Spannungen und Ströme, Vermeidung durch: 1. PW mit Sinusbewertung Erzeugung durch Dreieck-Sinus-odulation 2. Raumzeigermodulation (siehe LV Automatisierte Elektroantriebe ) +U Z Bild 5.17: Strom- und Spannungsverlauf bei sinusbewerteter Pulsbreitensteuerung, Zweipunktverhalten t Nahezu sinusförmige Stromverläufe, Stromhöhe steuerbar -U Z Bild 5.18: Zur Arbeitsweise des Pulswechselrichters mit Zweipunktverhalten Frequenz der Spannung u St : Pulsfrequenz Frequenz der Spannung u R : Grundfrequenz Skript Le04_05a.doc- Ausgabe September 2004 i 101
- Verringerung der Höhe der Referenzspannung: Laststrom wird kleiner - Wenn die Pulsfrequenz (Frequenz der Spannung u St ) ein ganzzahliges Vielfache der Grundfrequenz ist (Frequenz der Spannung u R ) stellt die erzeugte Grundschwin gung der Wechselspannung eine Unterschwingung der pulsfrequenten Spannung dar Unterschwingungsverfahren - Wenn Frequenzen von u St und u R so gewählt werden, dass deren Verhältnis eine ungerade Zahl darstellt negative Halbschwingung gleiche Kurvenform wie positive keine geradzahlige Harmonische 2. Übergang zum Dreipunktverhalten Drei-Level-Wechselrichter (Spannung am Verbraucher wird zwischen den Potentialen +U d /2, 0 und U d /2 hin und her geschaltet) + U d /2 N U d /2 Z U Z t Bild 5.19: Schaltermodell eines selbstgeführten einphasigen Wechselrichters mit Dreipunktverhalten (Dreipunkt-WR) sowie Strom- und Spannungsverlauf Bild 5.20: Zur Arbeitsweise des Pulswechselrichters mit Dreipunktverhalten Skript Le04_05a.doc- Ausgabe September 2004 i 102
Verringerung der Dauer aller Spannungsimpulse Höhe des Laststroms nimmt ab damit Veränderung der Frequenz und Spannungshöhe möglich. erke: Beim Einphasen WR führen unterschiedliche Ansteuerverfahren zum Zweipunkt-WR bzw. Dreipunkt-WR. 5.3.1.2. Dreiphasiger Spannungs-Wechselrichter (W6C) Soll symmetrischer dreiphasiger Drehstrom erzeugt werden, so müssen drei 4QS bereitgestellt werden, bei denen aber eine Brückenhälfte entfallen kann, (Summe der Strangströme ist Null!). Wechselrichter bestehen daher aus drei Halbbrücken. Anwendung: Überwiegend für drehzahlregelbare Drehstromantriebe + V1 V3 V5 f S, U S, I S u - U d v w V4 V6 V2 Zündmuster vom Rechner Bild 5.21: Dreiphasiger Spannungs-Wechselrichter, V1 - V6: Transistor-Schalter mit Freilaufdioden Skript Le04_05a.doc- Ausgabe September 2004 i 103
180 0 360 0 V4 V6 U Z (variabel) V1 V3 V1 V2 V3 V4 V5 V6 U UV ωt V2 V5 U VW U Z v U VW U VN U UV U WU U WN N U UN w U WU u U UN U = U U U = U U U = U U UV UN VN VW VN WN WU WN UN U VN 1/3U Z 2/3U Z Bild 5.22: Zur Arbeitsweise des Spannungs-Wechselrichters bei Blocksteuerung Effektivwert der gesamten verketteten Spannung: 2 /3 12 π 2 2 UUV = Ud dϑ Ud 0,816 d 2π = = U 3 0 Effektivwert der Grundschwingung der verketteten Spannung: 6 UUV1 = Ud = 0,78 U d π U WN I U I V I W Effektivwert der gesamten Strangspannung: 2 /3 2 /3 2 12 π π Ud 1 2Ud 2 UN = ϑ ϑ d 0,471 d 2π + 3 2π = = U 3 3 0 0 U d d U Skript Le04_05a.doc- Ausgabe September 2004 i 104
Effektivwert der Strangspannungsgrundschwingung: 2 U d Strangstrom bei ohmscher Last: I L = 3 R 5 U d Strangstrom bei induktiver Last: I L = 3 18 f L U 2 = U = 0, 45 U π UN1 d d Bild 5.23: Entstehung der Ausgangsspannung bei einem dreipulsigen Pulswechselrichter Skript Le04_05a.doc- Ausgabe September 2004 i 105
Dreiphasiger Spannungs-Wechselrichter mit Dreipunktverhalten Für größere Leistungen: Spannungs-Wechselrichters mit Dreipunktverhalten Vorteil: Spannung bzw. Strom können dem sinusförmigen Verlauf besser angenähert werden. Drei Potentiale können angenommen werden: +U d /2; -U d /2 und 0 T1 + U d / 2 T2 U d - T3 U d / 2 T4 Bild 5.24: Aufbau eines dreiphasigen Spannungs-Wechselrichters mit Dreipunktverhalten Funktionsbeispiel (für Leiter 1) - Leiter 1 hat Plus wenn T1 und T2 ein-, T3 und T4 ausgeschaltet sind - Leiter 1 mit verbunden wenn T2 und T3 ein-, T1 und T4 ausgeschaltet sind - Leiter 1 hat inus wenn T3 und T4 ein-, T1 und T2 ausgeschaltet sind -Ansteuerung der Leistungshalbleiter meist nach dem Raumzeiger- odulationsverfahren Skript Le04_05a.doc- Ausgabe September 2004 i 106
+ + U d /2 U d /2 N U d /2 U d /2 N 3 p 3 p Zweigspannung gegen N Außenleiter spannung Strangspannung gegen p des DAS Raumzeiger der Ständerspannung u s im ständerfesten KOS Anzahl der Zustände Bild 5.25: Schaltermodell eines gepulsten selbstgeführten Wechselrichters mit Spannungs-Zwischenkreis links: Zweipunkt-WR; rechts: Dreipunkt- WR Skript Le04_05a.doc- Ausgabe September 2004 i 107
5.3.2. Strom-Wechselrichter 5.3.2.1. Dreiphasiger Strom-Wechselrichter mit abschaltbaren Ventilen Strom-Wechselrichter: Durch Drosselspule im Zwischenkreis wird dem Verbraucher ein Strom eingeprägt; Anwendung vorwiegend für Drehstrommotore Wechselrichter + - U d L T1 T2 T3 f S, U S, I S u v w Asynchronmaschine ~ ~ ~ Bild 5.26: Aufbau eines dreiphasigen Strom- Wechselrichters mit abschaltbaren Leistungshalbleitern T4 T5 T6 Stromfluss darf durch die Ansteuerung nicht unterbrochen werden, bei der Stromkommutierung entstehen Überspannungen durch die Drosselspule L Gefährdung der Ventile Schutzbeschaltung mit 3 Kondensatoren notwendig! T1 T2 T3 T4 T5 T6 +1 Takt Nr. (je 60 0 ) 1 2 3 4 5 6 1 i su /I d Bild 5.27: Zeitablaufdiagramm eines ungepulsten Strom- Wechselrichters mit 120 0 Leitdauer der Ventile 2 π Einschaltung 3 0 ωt -1 +1 0-1 i sv /I d ωt +1 0 i sw /I d ωt -1 Skript Le04_05a.doc- Ausgabe September 2004 i 108
Ebenso wie beim Spannungs-Wechselrichter ist auch beim Strom-Wechselrichter ein Pulsbetrieb möglich. 5.3.2.2. Dreiphasiger Strom-Wechselrichter mit konventionellen Thyristoren (Phasenfolgelöschung) C 1 -C 6 : Zur Thyristorlöschung (Kommutierungskondensatoren) Bild 5.28: Zeitlicher Verlauf von Strangspannung und Strangstrom beim dreiphasigen, mit konventionellen Thyristoren ausgerüsteten Strom- Wechselrichter, Beispiel für Spannung u 1 und Strom i 1 Funktion der Phasenfolgelöschung am Bsp. des Stromübergangs von T 1 nach T 3 : U C abhängig vom Laststrom I d, Lastinduktivität L, Kommutierungskondensatoren C 1 -C 6, Verkettete Spannung u 12 Skript Le04_05a.doc- Ausgabe September 2004 i 109
5.4. Zwischenkreis-Wechselstromumrichter (Umrichter) Umrichter (oder Zwischenkreis-Wechselstromumrichter): Der für die Wechselrichterschaltung benötigte Gleichstrom wird aus einem Gleichrichterschaltung gewonnen. Anwendung: Hauptsächlich drehzahlregelbare Drehstromantriebe Bild 5.29: Prinzipaufbau eines Frequenzumrichters Zwischenkreis: Energiespeicher für den Verbraucher (otor) Unterteilbar in Umrichter mit Gleichspannungs- und Gleichstromzwischenkreis Zwischenkreistypen: 1) Der Zwischenkreis, der die Spannung des Gleichrichters in einen Gleichstrom umformt. b) Der Zwischenkreis, der die pulsierende Gleichspannung stabilisiert bzw. glättet und dem Wechselrichter zur Verfügung stellt. c) Der Zwischenkreis, der die konstante Gleichspannung des Gleichrichters variabel macht. Skript Le04_05a.doc- Ausgabe September 2004 i 110
Bild 5.30: Umrichterverfahren Stromgeführter Umrichter: CSI (1 + 3 + 6) Puls-Amplitudenmodulierter Umrichter: PA (1 + 4 + 7) (2 + 5 + 7) Puls-Weitenmodulierter Umrichter: PW/VVCplus (2 + 4 + 7) Bild 5.31: Konstruktionsprinzipien bei Umrichtern Wichtige Vorteile des Zwischenkreis-Umrichter gegenüber dem Direkt-Umrichter: besseres Blindleistungsverhalten Entkopplung der Oberschwingungen und Freizügigkeit in der Ausgangsfrequenz. Diese wird nur durch die Steuerung und die Eigenschaften der Bauelemente begrenzt. Frequenzumrichter für hohe Ausgangsfrequenzen sind daher stets Zwischenkreisumrichter. Skript Le04_05a.doc- Ausgabe September 2004 i 111
5.4.1. Wechselstromumrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreis (voltage source inverter, VSI) Zwischenkreis mit eingeprägter Gleichspannung, überwiegend angewendet Bild 5.32: Aufbau von Gleichspannungszwischenkreisen L1 L2 L3 L1 L2 L3 L1 L2 L3 G G G Z S W 3~ W W 3~ 3~ a) b) c) Bild 5.33: Wechselstromumrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreis a) mit steuerbarem Gleichrichter (G) am Eingang, -Verstellbare Ausgangsspannung durch steuerbaren Netzstromrichter -Steuerblindleistung bei Teilaussteuerung -Welligkeit der Zwischenkreisspannung -Totzeit bis zur nächsten Spannungsverstellung (siehe Kap. 3.6) b) mit einem Gleichstromsteller (S) im Zwischenkreis, c) mit einem Pulswechselrichter (W) im Ausgang Skript Le04_05a.doc- Ausgabe September 2004 i 112
netzseitiger Gleichrichter motorseitiger Wechselrichter (VSI) T 1 T 2 T 3 L T T 1 T 3 T 5 C d U d T 4 T 5 T 6 u s u w v 3 T 2 T 4 T 6 Ansteuerung GR Ansteuerung VSI Bild 5.34: Umrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreis Der Strom für die agnetisierung des otors wird vom Kondensator im Zwischenkreis des Frequenzumrichters zur Verfügung gestellt. Der agnetisierungsstrom ist ein Blindstrom, der vom Kondensator zum otor hin und her fließt Netz 1: f N, U N 3 3 I W = Netzstromrichter (NSR) I B I S Netz 2: f s, U s = 3 3 3 aschinen-sr (SR) I S ϕ I W I B I S = IW cosϕ Bild 5.35: Ströme im Frequenzumrichter Es wird vom Netz nur der Wirkstrom (IW) aufgenommen. Deshalb ist der Ausgangsstrom des Frequenzumrichters immer größer als der Eingangsstrom. Zusätzlich zu dem Wirkstrom, werden die Verluste (IVerlust) vom Netz aufgenommen. Beispiel: Der Leerlaufstrom eines vierpoligen 1,1 kw-otors ist 1,6 A. Der Ausgangsstrom des angeschlossenen Frequenzumrichters wird ca. 1,6 A betragen und der Eingangsstrom im Leerlauf wird annähernd Null sein. Die otorenhersteller geben normalerweise den cos ϕ des otors bei Nennstrom an. Bei einem niedrigen Wert von cos ϕ (z.b. Reluktanzmotor) wird der otornennstrom bei gleicher Leistung und Nennspannung nach der Gleichung I = I cosϕ größer sein. S W Skript Le04_05a.doc- Ausgabe September 2004 i 113
Bild 5.36: Gleichspannungszwischenkreis mit variabler Spannung 5.4.2. Wechselstromumrichter mit Gleichstrom-Zwischenkreis (current source inverter, CSI) Zwischenkreis mit eingeprägtem Gleichstrom Bild 5.37: Variabler Gleichstromzwischenkreis netzseitiger Gleichrichter L d motorseitiger Wechselrichter (CSI) T 1 T 2 T 3 L T T 1 T 3 T 5 I d T 4 T 5 T 6 i s u w v 3 T 2 T 4 T 6 Ansteuerung GR Ansteuerung CSI Bild 5.38: Struktur eines Drehstromantriebs mit Umrichterspeisung durch einen CSI Kennzeichen: - Netzstromrichter ist gesteuert (variable Gleichspannung) - Glättungsdrossel im Zwischenkreis (wandelt Gleichspannung in variablen Gleichstrom) - aschinenstromrichter ist Strom-Wechselrichter Umkehrung der Polarität der Zwischenkreisspannung möglich, dadurch ohne zusätzlichen Aufwand otor- und Generatorbetrieb der elektrischen aschine möglich. C F Skript Le04_05a.doc- Ausgabe September 2004 i 114