Selbstgeführte Stromrichter
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5. Selbstgeführte Stromrichter Selbstgeführte Stromrichter benötigen keine fremde Wechselspannungsquelle zur Kommutierung. Die Kommutierungsspannung wird von einem zum Stromrichter gehörenden Löschkondensator zur Verfügung gestellt oder heute meistens durch ein ausschaltbares Stromrichterventil gebildet. Selbstgeführte Stromrichter werden für alle Arten der Umwandlung elektrischer Energie sowie für Energiefluss in einer oder in beiden Richtungen ausgeführt. 5.1 Gleichstromsteller Ein Halbleiterschalter für Gleichstromkreise lässt sich nicht nur zum Ein- und Ausschalten zu beliebigen Schaltzeitpunkten einsetzen. Wenn man ihn periodisch im Takt einer bestimmten Schaltfrequenz einschaltet und ausschaltet, so lässt sich auf diese Weise die Leistungsaufnahme einer Last aus einer Gleichspannungsquelle (Batterie) steuern bzw. "stellen". Einen solchen Stromrichter nennt man Gleichstromsteller. Beim Gleichstromsteller werden abschaltbare Stromrichterventile verwendet; je nach Größe der zu steuernden Leistung sind dieses MOS-Feldeffekttransistoren, IGBT's oder GTO's. Die Grundschaltung des Gleichstromstellers ist der Tiefsetzsteller mit passiver Last. Die folgenden Gleichungen gelten für idealen Schalter und ideale Diode. Imax iD ia iN S Imin iN IAV ia iD U0 R ua D uL L TE TA t TS U0 ua uL Tiefsetzsteller mit passiver Last uL UAV und Zeitverläufe SSAUS EIN Für periodischen Betrieb gilt im Bereich 0 t i a (t) U0 R e-TA 1- e -1 e- t -TS i a (t) - t TE: 1 (5.1) Für periodischen Betrieb gilt im Bereich TE t U 0 1 - e-TE R 1 - e -TS SSAUS EIN TS: t - TE e (5.2) Aus den Gln. (5.1 u. 5.2) lassen sich die arithmetischen Mittelwerte der Spannung ua und des Stromes ia berechnen. TE TE U 0 (5.3) U AV U0 IAV TS TS R G. Schenke, 9.2014 Leistungselektronik FB Technik, Abt. E+I 63 Von weiterer Bedeutung ist die Schwankungsbreite des Stromes ia: I I max - I min U 0 1 - e -TA R 1 - e -TS 1 - e-TE (5.4) Auf das Zeitverhalten des Stromes ia nimmt das Verhältnis der Periodendauer TS zur Zeitkonstanten der Last Einfluss. Je kleiner das Verhältnis TS ist, desto genauer lassen sich die e-Funktionen durch gerade Strecken ersetzen. Steuerverfahren Das Verhältnis TE/TS kann als Steuergröße verwendet werden. Unterschieden wird zwischen der Pulsbreitensteuerung, bei der TS konstant ist und TE verändert wird, und der Pulsfrequenzsteuerung, bei der TE oder TA konstant ist und TS verändert wird. Bei beiden Steuerverfahren werden die Umschaltzeitpunkte des Gleichstromstellers vorgegeben und die Betriebsgrößen, wie die Schwankungsbreite des Stromes ia stellen sich ein. Gleichstromsteller können auch dadurch gesteuert werden, dass der Strom ia gemessen wird und daraus die Umschaltzeitpunkte abgeleitet werden. Es liegt eine Zweipunktregelung des Stromes vor, wenn der Gleichstromsteller geöffnet wird sobald ia den Wert Imax und er geschlossen wird, wenn ia den Wert Imin erreicht. Mit diesem Steuerverfahren wird die Stromschwankungsbreite I vorgegeben. Bei der Pulsbreitensteuerung ändert sich die Stromschwankungsbreite I mit der Aussteuerung; bei einer mittleren Aussteuerung erreicht sie ihren größten Wert. Bei TE/TS = 0,5 beträgt die maximale Stromschwankungsbreite Imax: U 0 1 - e- TS 2 R 1 e - TS 2 I max (5.5) Bei der Pulsfrequenzsteuerung wird mit steigender Aussteuerung die Stromschwankungsbreite I kleiner. Bei der Zweipunktregelung des Laststromes tritt die kleinste Periodendauer TSmin beim arithmetischen Mittelwert IAV = 0,5 · U0/R auf. Sie beträgt: U I R TSmin 2 ln 0 (5.6) U0 - I R Bei der Zweipunktregelung des Stromes ist der Aussteuerbereich begrenzt, da Imax den Wert U0/R nicht überschreiten und Imin den Wert Null nicht unterschreiten kann. Bei vielen praktischen Anwendungen kann die Last als Gegenspannung mit einer idealen Induktivität angenommen werden (Gleichstrommaschine). Man kann Schaltungen als Tiefsetzoder Hochsetzsteller mit Gegenspannung realisieren. Für die weiteren Betrachtungen wird eine konstante Spannung U0, ein idealer Schalter S und eine ideale Diode vorausgesetzt. S iN ia iD U0 uL L ua D UAV G. Schenke, 9.2014 Tiefsetzsteller mit Gegenspannung Leistungselektronik FB Technik, Abt. E+I 64 Imax ia Imin ia Imax TE TA t TS TE TA t TS U0 U0 ua ua UAV UAV t uL t uL U0 t U0 -UAV t SAUS S- SEIN AUS SEIN SAUS S- SEIN AUS SEIN nicht lückender Strom lückender Strom Zeitverläufe beim Tiefsetzsteller mit Gegenspannung Bei nicht lückendem Strom gilt für den Tiefsetzsteller mit Gegenspannung im Bereich 0 t TE: U 0 - U AV i a (t) I min (5.7) t L Im Bereich TE t TS gilt: U i a (t) I max - AV t - TE (5.8) L Für den arithmetischen Mittelwert des Stromes IAV gilt: 1 IAV (5.9) I max I min 2 Für die Stromschwankungsbreite I ergibt sich: U 0 - U AV I I max - I min TE (5.10) L Die Grenze für den nicht lückenden Strom wird erreicht, wenn Imin den Wert Null erreicht. Bei lückendem Strom gelten die Gln. (5.7 - 5.10) nicht! Soll aus einer konstanten Spannungsquelle U0 ein Verbraucher mit einer Spannung, für dessen arithmetischen Mittelwert UAV > U0 gilt, eingespeist werden, dann wird der Hochsetzsteller mit Gegenspannung verwendet. Es gilt: TA U0 (5.11) U AV TS Im Intervall 0 < t TE wird die Induktivität aufgeladen und im Intervall TE < t TS wird sie entladen. Sie stellt die notwendigen Augenblickswerte der Spannung für die Stromführung zur Verfügung. G. Schenke, 9.2014 Leistungselektronik FB Technik, Abt. E+I 65 Imax ia L i0 uL D i0 Imin iGS uS UAV U0 S TE TA t TS UAV uS U0 t Hochsetzsteller mit Gegenspannung und Zeitverläufe U0 uL UAV t SAUS S- SEIN AUS SEIN Mit Gleichstromstellern lassen sich auch Schaltungen zur Drehrichtungsumkehr und/oder Energierichtungsumkehr realisieren. Dieses ist der Mehrquadrantenbetrieb mit dem Gleichstromsteller. Voraussetzung für die Nutzbremsung ist, dass die Einspeisung in der Lage ist, die Energie auch aufzunehmen. Gleichstromsteller für Vierquadrantenbetrieb (Treiben und Bremsen der Gleichstrommaschine in beiden Drehrichtungen) können als Brückenschaltungen aufgebaut werden. I1 S1 D3 LK1 S2 LK2 D2 Rechtslauf: Motorbetrieb (1. Quadrant) S4 U2 und I2 weisen in eine Richtung. Der Ausgangskreis ist Verbraucher. D3 S2 D4 S3 D2 U1 I1 D1 D4 S3 U2 I2 L I1 S1 LK1 LK2 U1 I1 D1 I2 _ + U2 _ S2 und S3 werden gelöscht. Die Spule erzeugt eine Induktionsspannung und schaltet D3 und D2 S4 durch. U2 polt sich um, der Ausgangskreis wirkt als Erzeuger. + L Gleichstromsteller für Vierquadrantenbetrieb G. Schenke, 9.2014 Leistungselektronik FB Technik, Abt. E+I 66 I1 S1 LK1 D3 S2 S3 D2 LK2 U1 D1 I1 I2 _ + U2 _ + D4 Rechtslauf: Generatorbetrieb (2. Quadrant) Die Generatorspannung und die SelbstS4 induktionsspannung addieren sich und schalten D1 und D4 durch. Der Ausgangskreis ist Erzeuger. L I1 S1 LK1 D3 S2 U1 D1 I1 S3 D2 U2 I2 LK2 D4 S1 und S4 werden durchgeschaltet. S4 In der Drossel wird magnetische Energie gespeichert. Der Ausgangskreis wirkt als Verbraucher. L Gleichstromsteller für Vierquadrantenbetrieb 5.2 I-Umrichter Kennzeichen des I-Umrichters (Stromzwischenkreis-Umrichter) ist ein netzgeführter Teilstromrichter, ein Gleichstromzwischenkreis und ein fremdgeführter Teilstromrichter mit eingeprägtem Gleichstrom. In der praktischen Ausführung bestehen I-Umrichter netzseitig aus einer vollgesteuerten B6Schaltung (B6) mit netzseitiger Drehstromdrossel (ND) als Kommutierungsinduktivität, die einen einstellbaren Gleichstrom Id durch die Induktivität der Zwischenkreisdrossel (ZD) in den nachgeschalteten I-Stromrichter (WR, fremdgeführter Stromrichter mit eingeprägtem Gleichstrom) mit Phasenfolgelöschung einprägt. Der maschinenseitige Stromrichter arbeitet als selbstgeführter Wechselrichter. Die Technik der Phasenfolgelöschung mit sechs Kondensatoren erlaubt ein Ein- und Ausschalten der Thyristoren, so dass der Gleichstrom Id in 120°-Stromblöcken in jedem Wicklungsstrang fließt. ZD Id WR B6 i1 ND L1 i2 L2 i3 M 3~ L3 Sechspulsiger I-Umrichter mit Phasenfolgelöschung G. Schenke, 9.2014 Leistungselektronik FB Technik, Abt. E+I 67 Die Maschine stellt je Phase eine Wechselspannungsquelle mit Induktivität und ohmschen Widerstand dar. Sie ist Bestandteil des Kommutierungskreises und muss mit dem Wechselrichter des Umrichters abgestimmt sein. Die 6 Kommutierungskondensatoren müssen so dimensioniert sein, dass keine unzulässigen Spannungserhöhungen entstehen. Der vom I-Umrichter zyklisch aufgeschaltete Strom lässt in der angeschlossenen Maschine ein sprungförmig umlaufendes Ständerfeld einstellbarer Frequenz entstehen. Ohne Mehraufwand im Leistungsteil ist ein Vierquadrantenbetrieb möglich. Mit einer Spannungsumkehr im Zwischenkreis durch Wechselrichteransteuerung des netzseitigen B6-Stromrichters bei unveränderter Stromrichtung kann eine Rückspeisung von Bremsenergie ins Netz erfolgen. Durch Änderung der Ansteuerfolge beim maschinenseitigen Stromrichter erzielt man Drehrichtungsumkehr, was einen Wechsel in der Drehrichtung bewirkt. Für Drehstromantriebe mit I-Umrichtern können Normmotoren verwendet werden, wobei Zusatzverluste eine Leistungsminderung um 10 bis 15 % erfordern. Der typische Frequenzbereich liegt bei 2 Hz bis 87 Hz. Bei niedrigen Frequenzen wird der Rundlauf der Asynchronmaschine durch Zwischentaktung erreicht. i1 Strangströme bei gepulstem i2 Betrieb des I-Stromrichters i3 Durch die rasante Entwicklung bei den abschaltbaren Stromrichterventilen hat der I-Umrichter an Bedeutung verloren. Bei neuen Stromrichteranlagen wird er nicht mehr eingesetzt. 5.3 Frequenzumrichter Kennzeichen des Frequenzumrichters ist ein ungesteuerter, netzgeführter Teilstromrichter, ein Zwischenkreis mit nahezu konstanter Gleichspannung und ein selbstgeführter Wechselrichter (Pulswechselrichter). Selbstgeführte Wechselrichter bestehen heute im unteren Leistungsbereich aus LeistungsMOSFET's, bei mittleren Leistungen aus IGBT's und bei T1 T4 D1 D4 Ud hohen Leistungen aus IGCT´s oder GTO's. Selbstge2 führte Wechselrichter für eine einphasige Last bestehen Ud T3 T2 D3 D2 aus 4 abschaltbaren Ventilen mit jeweils antiparalleler Ud schneller Diode. 2 1 U12 2 Last Einphasiger Wechselrichter G. Schenke, 9.2014 Je zwei diagonal angeordnete abschaltbare Stromrichterventile werden für die Grundfunktion gleichzeitig angesteuert. Diese wechseln sich periodisch mit den beiden anderen abschaltbaren Stromrichterventilen entsprechend der gewünschten Frequenz ab. Leistungselektronik FB Technik, Abt. E+I 68 Bei ohmscher Last führen nur die abschaltbaren Stromrichterventile den Strom. Tritt auf der Lastseite Blindleistung auf, so sind auch die Dioden (Rücklaufzweige) periodisch an der Stromführung beteiligt. Bei Umkehr der Energierichtung übernehmen die Dioden die Stromführung. Soll die Wechselspannung unabhängig von der Gleichspannung Ud verändert werden, so kann dies mit der Aussteuerung nach dem Schwenkverfahren oder nach dem Pulsverfahren erfolgen. Bei der Aussteuerung nach dem Schwenkverfahren werden Wechselspannungen zweier ungesteuerter Wechselrichter phasenversetzt addiert, wobei die Wechselspannung der beiden Wechselrichter um den Winkel gegeneinander versetzt sind. u10 0 u20 0 u12 T1 T1 T3 T4 T2 180° T2 u10 0 u20 0 u12 Ud 0 t 0 T1 180° T1 T3 T4 T4 T2 180° Ud t Vollaussteuerung Teilaussteuerung Spannungsverstellung nach dem Schwenkverfahren Durch die Verkürzung der Spannungsblöcke wird die Grundschwingungsamplitude der Ausgangsspannung verringert, so dass sich die Oberschwingungen mehr hervorheben. Aus diesem Grund kann dieses Verfahren der Spannungssteuerung nur in einem begrenzten Stellbereich eingesetzt werden. Bei der Aussteuerung nach dem Pulsverfahren werden die Stromrichterzweige in jeder Periode der Grundschwingung mehrfach gezündet und gelöscht. Durch das Pulsverfahren ergibt sich eine Folge einzelner Stromfluss- und Sperrzeiten im Stromrichterzweig, deren Verhältnis den Effektivwert der Ausgangsspannung bestimmt. Je nach Schaltung sind entweder nur zwei Spannungszustände +Ud und -Ud möglich oder drei Spannungszustände +Ud, 0 und -Ud. Pulsverfahren mit drei Spannungszuständen werden heute fast ausschließlich eingesetzt, da sie den Vorteil haben, dass die Energie nicht unnötig zwischen der angeschlossenen Maschine und dem Gleichspannungszwischenkreis pulsiert. Meistens wird nicht mit konstantem Einschaltverhältnis = TE/(TE + TA), sondern die Dauer der angelegten Spannungsblöcke dem Verlauf des sinusförmigen Sollwertes angepasst, so ergibt sich eine gute Annäherung an die Grundschwingung. Die nach dem Pulsverfahren so erzeugte Grundschwingung der Ausgangsspannung wird auch Unterschwingung genannt. G. Schenke, 9.2014 Leistungselektronik FB Technik, Abt. E+I 69 Beim Pulsverfahren treten an der Maschine außer der Grundschwingung nur Oberschwingungen der gewählten Pulsfrequenz fp, deren Seitenbänder abhängig von der Grundschwingung und noch höhere Harmonische auf. Der Maschinenstrom ist nahezu sinusförmig. Te Te u Ud u Ud 0 0 t Ta t Ta zwei Spannungszustände: +Ud und -Ud drei Spannungszustände: +Ud, 0 und -Ud Te u Ud 0 Ta nach Sinusfunktion veränderliches Einschaltverhältnis u1 t Spannungssteuerung nach dem Pulsverfahren Sinus-PWM-Modulation bei hoher Frequenz Sinus-PWM-Modulation bei kleiner Frequenz G. Schenke, 9.2014 Leistungselektronik FB Technik, Abt. E+I 70 Je höher die Pulsfrequenz fp gewählt wird, um so besser gleicht sich der Laststrom i der Grundschwingung an und die Oberschwingungsverluste in der Last (Asynchronmaschine) gehen zurück. Bei sinusbewerteter Pulsweitenmodulation muss die Spannungszeitfläche unter der sinusförmigen Grundschwingung gleich der entsprechenden Zeitfläche der Ausgangsspannung des Pulswechselrichters sein. Bei vorgegebener Pulsfrequenz fp kann die Einschaltdauer TE(t), bezogen auf den Pulsmittenzeitpunkt t, aus nachfolgender Gleichung berechnet werden: 1 2 fp t TE (t) U d (5.12) û sin t dt 1 t2 fp Für TE(t) gilt dann: û Ud f TE (t) U d sin(2 f t) sin f (5.13) fp Der Strom stellt sich bei ohmsch-induktiver Last nahezu sinusförmig ein. Im Bereich t0A sei die Spannung an der Last u(t) = Ud. Für den Laststrom i gilt: Ud R i(t) U i(t 0A ) - d R - t < t0E t - t 0A e (5.14) Im Bereich t0E t < t1A ist die Spannung dann an der Last u(t) = 0. Für den Laststrom i gilt: - i(t) t - t 0E (5.15) i(t 0E ) e u12 Ud Spannungsverlauf u12(t) an der Last mit Schaltzeitpunkten t0A t0E t1A In der Praxis finden häufig Wechselrichter mit Drehstromausgang und ohmsch-induktiver Last Anwendung. D1 D2 D3 V1 V2 Ud D4 D5 D6 V4 V5 V3 1 L1 R1 2 L2 R2 3 L3 R3 V6 Wechselrichter mit Drehstromausgang G. Schenke, 9.2014 Leistungselektronik FB Technik, Abt. E+I 71 0° 60° 120° 180° 240° 300° 360° V1 V2 V3 V4 V5 V6 Zündzyklus der Ventile V1 - V6 beim Wechselrichter mit Drehstromausgang ohne Pulsung t t0 t1 i2 u12 i2 u12 D1 D5 V1, V5 V1, D2 D2 D4 V2, V4 V4, D5 Spannungsverlauf u12 und Verlauf des Stromes i2 beim Wechselrichter mit Drehstromausgang ohne Pulsung t t0 t1 Im Allgemeinen speist beim Frequenzumrichter der netzseitige, ungesteuerte Stromrichter (Dioden in B6-Schaltung und bei S < 2 kVA in B2-Schaltung) über eine Glättungsdrossel den Zwischenkreiskondensator C mit nahezu konstanter Gleichspannung Ud ein. Wegen des ungesteuerten Gleichrichters entsteht keine Steuerblindleistung und man arbeitet über den ganzen Stellbereich mit einem guten Grundschwingungsverschiebungsfaktor cos 1 im speisenden Netz. Zur Stützung des Zwischenkreises können Batterien herangezogen werden, die eine Überbrückung bei Netzausfällen ermöglichen. Der Zwischenkreis lässt sich außerdem als Gleichspannungs-Sammelschiene ausbilden, an die mehrere, voneinander unabhängige Pulswechselrichter angeschlossen sein können. Der maschinenseitige Pulswechselrichter schaltet Spannungsblöcke variabler Breite (Pulsbreitenmodulation) auf die Maschinenklemmen, so dass sich eine sinusförmige Grundschwingung der gewünschten Frequenz bildet. Beim Pulswechselrichter in Drehstrom-Brückenschaltung ist bei sinusförmigem Stromverlauf und symmetrischer Last die Summe der aufgenommenen Phasenleistungen auf der Wechselstromseite konstant. In der Grundschaltung ist beim Frequenzumrichter nur Motorbetrieb möglich, wobei durch Vertauschen der Phasenfolge bei der Ansteuerung der abschaltbaren Stromrichterventile des Pulswechselrichters eine Drehrichtungsumkehr entsteht. Für den Bremsbetrieb wird meistens ein ohmscher Widerstand über einen Widerstandsschalter (Chopper) im Zwischenkreis vorgesehen. Mit hohem Zusatzaufwand ist auch Energierückspeisung ins Netz bei Bremsbetrieb möglich. Hierzu sind zwei antiparallele netzgeführte Stromrichter erforderlich (ggf. mit Anpasstransformator). G. Schenke, 9.2014 Leistungselektronik FB Technik, Abt. E+I 72 Beim Frequenzumrichter wird die Zwischenkreisspannung durch den Pulswechselrichter mit einer hohen Taktfrequenz – vorwiegend 8 kHz oder 16 kHz – auf die Maschine geschaltet, ein nahezu sinusförmiger Maschinenstrom wird so angestrebt. Bei transistorisierten Umrichtern kann die Pulsfrequenz bis zu 100 kHz betragen. Ld RB 3~ ASYM Lk C L1 L2 L3 Gleichrichter Zwischenkreis Pulswechselrichter Frequenzumrichter mit Widerstandsschalter und angeschlossener Asynchronmaschine vertikal: Ch1: Strangspannung u1: 100 V/DIV Ch2: Strangstrom i1: 10 A/DIV horizontal: Zeit t: 5 ms/DIV Netzspannung u1 und -strom i1 des Frequenzumrichters G. Schenke, 9.2014 Leistungselektronik FB Technik, Abt. E+I 73 vertikal: Ch1: Außenleiterspannung uU-V: 200 V/DIV Ch2: Strangstrom iU: 10 A/DIV horizontal: Zeit t: 5 ms/DIV Maschinenspannung uU-V und -strom iU bei Leerlauf vertikal: Ch1: Außenleiterspannung uU-V: 200 V/DIV Ch2: Strangstrom iU: 10 A/DIV horizontal: Zeit t: 5 ms/DIV Maschinenspannung uU-V und -strom iU bei Belastung G. Schenke, 9.2014 Leistungselektronik FB Technik, Abt. E+I 74 5.4 Schaltnetzteile Spannungswandler dienen als Stromversorgungen für die unterschiedlichsten Geräte. Grundsätzlich unterscheidet man netzgespeiste Schaltregler und Gleichspannungswandler. Bei den Gleichspannungswandlern werden Wandler mit elektrischem Speicher (C) als sogenannte Ladungspumpe und mit magnetischem Speicher (L) als Sperr-, Fluss- oder Gegentaktflusswandler eingesetzt. Die Wandler mit magnetischem Speicher können als Abwärts-, Aufwärtsoder Inverswandler realisiert werden. Neben diesen „klassischen“ Schaltreglern gibt es noch die Resonanzregler, auf die hier nicht näher eingegangen wird. Die netzgespeisten Stromversorgungen werden in Längsregler (alte Technik, hier nicht behandelt) eingeteilt. Letztere werden sekundär oder primär schwingungen werden in neuen Netzgeräten auch eingesetzt. Elektronische Schaltungen mit Trafo + Gleichrichter + und getaktete Wandler für 230-V-Netze getaktet. Zur Reduzierung von NetzoberPFC-Schaltregler (Power-Factor-Corrector) Spannungswandler Trafo, Gleichrichter Längsregler Getaktete Wandler fürs 230-V-Netz DC/DCWandler elektrischer Speicher PFC primär getaktet sekundär getaktet Ladungspumpe Sperrwandler magnetischer Speicher Flusswandler Gegentaktflusswandler Übersicht über elektronische Spannungswandler Ladungspumpe Dieser Wandler wird auch „Switched-Capacitor Voltage Converter“ genannt. Als Energiespeicher wird ein Kondensator verwendet. Auf diesen Kondensator Cp wird periodisch elektrische Ladung „gepumpt“, d.h. er wird auf die Eingangsspannung Ue aufgeladen und anschließend wird er auf die Ausgangsspannung Ua entladen. Mit einer einstufigen Ladungspumpe kann die Eingangsspannung verdoppelt werden oder sie kann invertiert werden. Der Aufbau kann grundsätzlich diskret erfolgen oder mit einem entsprechenden IC. Die Schaltungen arbeiten üblicherweise bei f 16 kHz mit symmetrischem Tastverhältnis. Die Schaltungen sind nur für kleine Ausgangsströme geeignet. Sie sind extrem platzsparend und preiswert realisierbar. Bei der Schaltung zur SpannungsS1 S3 S4 verdopplung sind die Schalter S2 und S3 Ue C e in der ersten Halbperiode geschlossen. Cp S2 Ca Ua Der Kondensator Cp wird auf Ue aufgeladen. In der zweiten Halbperiode Schaltung zur Spannungsverdopplung werden S1 und S4 geschlossen und Cp entlädt sich in den Ausgangskondensator Ca. Die Ausgangsspannung Ua ist damit um die Kondensatorspannung höher als Ue. Bei niedrigem Ausgangsstrom ist Ua = 2·Ue. G. Schenke, 9.2014 Leistungselektronik FB Technik, Abt. E+I 75 Ue S1 S4 Ce S2 Cp S3 Ca Ua Bei der Schaltung zur Erzeugung von negativen Hilfsspannungen wird Cp mit geschlossenen Schaltern S1 und S3 auf Ue aufgeladen. Danach werden S2 und S4 geschlossen und Cp entlädt sich in den Ausgangskondensator Ca. Schaltung zur Erzeugung einer negativen Spannung Abwärtswandler Der Abwärtswandler ist der einfachste Wandler von allen Schaltungen. Er wandelt die Eingangsspannung in eine kleinere Ausgangsspannung um und hat damit die gleiche Funktion wie Längsregler bei höherem Wirkungsgrad. Der Abwärtswandler kann einen Wirkungsgrad von > 96 % erreichen. Bei Kosten optimierten Schaltungen beträgt < 80 %. L T iT Ue iD uS Ce iL iC Cu Abwärtswandler Ia Ua Ca RV D optioneller Umschwingkondensator Cu zur Reduzierung der Schaltverluste Wie bei allen Wandlertypen muss man grundsätzlich zwischen dem Betrieb mit nicht lückendem Spulenstrom und dem Betrieb mit lückendem Spulenstrom unterscheiden. uS Ue Ua 0 uS Ue Ua tein iL Ia T taus iD Ia 0 iL ILmin Ia 0 t T t taus ILmax ILmax iD ILmin Ia 0 t ILmax I I 0 iT Ia ILmax tein I I 0 0 t tFluss t ILmax iT ILmin Ia 0 t ILmax I I t t Betrieb mit nicht lückendem Spulenstrom Betrieb mit lückendem Spulenstrom Spannungs- und Stromverläufe beim Abwärtswandler G. Schenke, 9.2014 Leistungselektronik FB Technik, Abt. E+I 76 Für die weiteren Betrachtungen werden die Eingangsspannung Ue und die Ausgangsspannung Ua als konstant vorausgesetzt und der Umschwingkondensator Cu wird nicht berücksichtigt. Für den Abwärtswandler mit nicht lückendem Strom gilt für die Ausgangsspannung Ua: t ein t (5.16) Ua Ue U e ein t ein t aus T Die Induktivität L kann über den Stromrippel I = ILmax – ILmin, das Induktionsgesetz und die Definition der Induktivität berechnet werden. Der Stromrippel I ist für die Einschaltdauer t ein und die Ausschaltdauer taus gleich groß. Der Ladevorgang der Spule und Gl. 5.16 ergeben die Dimensionierungsvorschrift für die Induktivität L: L t I UL Ue t ein I Ua Ue Ua Ua I f T Ua I Ue 1- Ua Ue (5.17) Der Ausgangskondensator Ca ist so zu dimensionieren, dass die Ausgangsspannung als eine Gleichspannung mit einem kleinen überlagerten Wechselanteil betrachtet werden kann. Durch den Verbraucher fließt ein nahezu reiner Gleichstrom Ia, der dem Gleichanteil von iL entspricht. Der Wechselanteil von iL entspricht dem Kondensatorstrom iC. Der Wechselanteil der Gleichspannung hat den Spitze-Spitze-Wert uaSS. Für den Kondensatorstrom gilt: I t ein I I t aus iC t für 0 t und i C t für 0 t (5.18) t ein 2 2 t aus 2 Damit kann der Spitze-Spitze-Wert uaSS berechnet werden: u aSS 1 Ca t ein 2 0 I t ein t dt 1 Ca t aus 2 I 2 0 I t aus t dt I T 8 Ca (5.19) Unterschreitet der Mittelwert des Ausgangsstromes den Wert I/2, dann liegt lückender Spulenstrom iL vor und Gl. 5.16 bis 5.19 gelten nicht mehr. Für den lückenden Betrieb des Abwärtswandlers gelten folgende Zusammenhänge: I I Ue Ua L und Ua L (5.20) t ein t Fluss Aufwärtswandler Beim Aufwärtswandler wird die Eingangsspannung in eine größere Ausgangsspannung umgewandelt. Dazu wird die Induktivität L während der Einschaltzeit t ein bei leitendem Transistor T an die Eingangsspannung Ue geschaltet, wodurch iL ansteigt. In der Sperrphase taus des Transistors T fließt der Strom über die Diode auf die Ausgangsseite. Da die Energieübertragung in der Sperrphase des Transistors erfolgt, heißt dieser Wandler Sperrwandler. Für den Aufwärtswandler mit nicht lückendem Strom gilt für die Ausgangsspannung Ua: t t T Ua Ue ein aus (5.21) Ue t aus t aus D L Ie Ue iL Ce G. Schenke, 9.2014 iD iT uS T Ia Ca Ua Leistungselektronik RV Aufwärtswandler FB Technik, Abt. E+I 77 uS Ua uS Ua Ue 0 Ue 0 taus T t tein iL Ie iL ILmin Ie 0 t iD Ie I Ia 0 ILmax iD ILmin Ie 0 t iT Ie I 0 tein T t taus ILmax I I 0 ILmax tFluss ILmax iT ILmin Ie 0 t ILmax Ia t ILmax I t t Betrieb mit nicht lückendem Spulenstrom Betrieb mit lückendem Spulenstrom Spannungs- und Stromverläufe beim Aufwärtswandler Für die verlustfreie Schaltung gilt für den Ausgangsstrom Ia bei ausreichender Glättung durch den Ausgangskondensator Ca und nicht lückendem Spulenstrom iL: t Ia Ie aus (5.22) T Bei gegebenem Stromrippel I kann in Abhängigkeit von Eingangs-, Ausgangsspannung und Arbeitsfrequenz f = 1/T des Wandlers die Induktivität L angegeben werden: L Ue I f 1- Ue Ua (5.23) Der Wechselanteil der Ausgangsgleichspannung uaSS (Spitze-Spitze-Wert) ist abhängig vom Ausgangsgleichstrom Ia, vom Ausgangskondensator Ca und von der Einschaltzeit t ein: u aSS Ia t ein Ca (5.24) Bei lückendem Spulenstrom iL gilt für den Eingangsstrom Ie und den Ausgangsstrom Ia: I t ein t Fluss I t Fluss Ie Ia 2 T 2 T Die Ausgangsspannung Ua ist jetzt auch abhängig von dem Ausgangsstrom Ia: Ua Ue 2 U e2 t ein 2 L Ia T G. Schenke, 9.2014 (5.25) (5.26) Leistungselektronik FB Technik, Abt. E+I 78 Inverswandler Seinen Namen verdankt der Inverswandler der Eigenschaft, dass er die positive Eingangsspannung in eine negative Ausgangsspannung wandelt. D T Ie Ue iT iL uL Ce L iD Ia Ca Ua Inverswandler RV Während der Einschaltzeit tein liegt an der Induktivität L die volle Eingangsspannung Ue. Die Diode sperrt. Die Spannungen uL und Ue sind gleich groß und der Strom iL steigt linear an. Während der Ausschaltzeit taus ist der Transistor T gesperrt und der Spulenstrom iL fließt über die Diode. Die Induktivität L liegt an der negativen Ausgangsspannung Ua (siehe Spannungspfeil in der Schaltung des Inverswandlers) und der Strom iL nimmt linear ab. Am Ende von taus wird der Transistor T eingeschaltet und der Spulenstrom iL kommutiert von der Diode zurück auf den Transistor. uL Ue 0 uL Ue 0 Ua t tein T Ua taus iL ILmax I tein T taus iL ILmax ILmin 0 0 t iD I 0 ILmax iD ILmin Ia 0 t iT I t ILmax I Ia 0 t I Ia Ia tFluss ILmax iT ILmin Ie 0 t ILmax I t t Betrieb mit nicht lückendem Spulenstrom Betrieb mit lückendem Spulenstrom Spannungs- und Stromverläufe beim Inverswandler Für den nicht lückenden Spulenstrom gilt: I I t Ue L Ua L Ua U e ein (5.27) t ein t aus t aus G. Schenke, 9.2014 Leistungselektronik FB Technik, Abt. E+I 79 Bei gegebenem Stromrippel I kann in Abhängigkeit von Eingangs-, Ausgangsspannung und Arbeitsfrequenz f = 1/T des Wandlers die Induktivität L angegeben werden: Ua Ue Ua Ue 1 I f L (5.28) Für den kleinsten Ausgangsstrom Ia lückt der Spulenstrom iL nicht, wenn Gl. 5.29 eingehalten wird. 2 Ia I (5.29) t aus f Bei lückendem Spulenstrom iL gelten für die Spannungen und Ströme folgende Beziehungen: I I I t ein I t Fluss Ue L Ua L Ie (5.30) Ia t ein t Fluss 2 T 2 T In der Praxis wird der lückende Betrieb durch geeignete Maßnahmen - kleine Last oder durch Abschaltung - häufig vermieden. Sperrwandler Zur Potentialtrennung und zur Spannungsumsetzung wird beim Sperrwandler ein Transformator eingesetzt. Für die weiteren Betrachtungen wird ein idealisierter Transformator vorausgesetzt und Verluste in den Bauelementen werden nicht berücksichtigt. 1:ü iT Ie Ue iS L uS Ce Ia Ca Ua RV Sperrwandler T Trafo Wenn der Transistor leitet (tein), wird der Strom durch die Hauptinduktivität des Transformators erhöht. Er speichert Energie in seiner Hauptinduktivität, genauso, wie es die Induktivität L beim Aufwärtswandler tut. Primär- und Sekundärwicklung sind auf dem selben Kern aufgebracht und werden deshalb beide vom gleichen magnetischen Fluss durchsetzt. Wenn der Transistor sperrt, kann der Strom primärseitig nicht weiter fließen. Der magnetische Kreis fordert aber einen Stromfluss. Es muss zwangsläufig ein sekundärseitiger Strom unter Berücksichtigung des Durchflutungssatzes fließen. Die Richtung ist in beiden Fällen dieselbe, nämlich vom Wicklungsende mit Punkt zum Wicklungsende ohne Punkt. Die Diode D wird leitend und übernimmt den Stromfluss. Der Strom ist vom Transistor T auf die Diode D kommutiert. Der Stromfluss über die Diode D erfolgt zum Ausgang hin. Es wird in dieser Phase Energie auf die Ausgangsseite geliefert. Die Energieübertragung erfolgt also in der Sperrphase des Transistors. Deshalb heißt der Wandler Sperrwandler. Bei diesem Wandler sind die Kondensatoren Ce und Ca zwingend notwendig, da sowohl eingangs- wie auch ausgangsseitig impulsförmige Ströme eingeprägt sind. Die Kondensatoren müssen so dimensioniert sein, dass Eingangs- und Ausgangsspannung als Gleichspannung betrachtet werden können. G. Schenke, 9.2014 Leistungselektronik FB Technik, Abt. E+I 80 uS Ua uS Ua 0 ü · Ue t taus T 0 ü · Ue tein iT iTmax ü· I tein T taus iTmax ü· I 0 t iS t iT iTmin 0 tFluss iTmax/ü t iS I iTmax/ü I iTmin/ü 0 0 t t Betrieb mit nicht lückendem Trafostrom Betrieb mit lückendem Trafostrom Spannungs- und Stromverläufe beim Sperrwandler Alle Größen des Transformators werden auf die Sekundärseite bezogen. Für die Spannungen der Ein- und Ausgangsgrößen gilt bei nicht lückendem Wandlerstrom: Ue 1 I L ü t ein Ua L I (5.31) t aus Für die Ströme der Ein- und Ausgangsgrößen gilt an der Lückgrenze: I t ein I t aus Ie ü Ia (5.32) 2 T 2 T Bei gegebenem Stromrippel I kann in Abhängigkeit von Eingangs-, Ausgangsspannung, Übersetzungsverhältnis ü und Arbeitsfrequenz f = 1/T des Wandlers die Hauptinduktivität L angegeben werden: 1 U a ü Ue L (5.33) I f Ua ü Ue Für lückenden Wandlerstrom gilt für die Spannungen und Ströme der Ein- und Ausgangsgrößen: 1 I I I t ein I t Fluss Ue L Ua L Ie ü Ia (5.34) ü t ein t Fluss 2 T 2 T Der Sperrwandler ist für kleine bis mittlere Leistungen geeignet. Der Wirkungsgrad Werte bis 70%. erreicht Eintaktflusswandler Der Eintaktflusswandler verhält sich wie ein Abwärtswandler mit vorgeschalteter Spannungsübersetzung durch einen Transformator. Der Schalttransistor T steuert den Transformator magnetisch nur in einer Richtung aus. Zur Entmagnetisierung dient die zweite Primärwicklung und die Diode D1. Der nahezu dreieckförmige Magnetisierungsstrom fließt in der Einschaltzeit tein durch den Transistor T (linear ansteigend) und in der Ausschaltzeit t aus durch G. Schenke, 9.2014 Leistungselektronik FB Technik, Abt. E+I 81 die Diode D1 (linear fallend). Wenn der Transistor T leitet, liegt die mit dem Übersetzungsverhältnis ü transformierte Eingangsspannung an der Sekundärseite des Transformators an. Der Wicklungssinn der ersten Primärwicklung und der Sekundärwicklung sind gleich. Die Diode D2 leitet deshalb zeitgleich mit dem Transistor T. Während tein wird uS = ü · Ue. An der Induktivität L liegt die Spannung uL = ü · Ue – Ua. Die Schaltung verhält sich sonst analog wie der AbwärtsD2 L 1:1:ü wandler. Ie iD2 Ce Ue D3 Trafo iT Ia uS Ca Ua RV iD1 D1 T Eintaktflusswandler iL Bei den idealisierten Betrachtungen der Strom- und Spannungsverläufen wurde der Magnetisierungsstrom vernachlässigt. uS ü · Ue Ua 0 uS ü · Ue Ua tein T 0 t taus iL iLmax I tein T t taus iL iLmax ü· I iLmin 0 0 t iD2 iT/ü tFluss iTmax/ü I t iD2 iT/ü iTmax/ü I iTmin/ü 0 0 t t Betrieb mit nicht lückendem Trafostrom Betrieb mit lückendem Trafostrom Spannungs- und Stromverläufe beim Eintaktflusswandler (ohne Magnetisierungsstrom) Für die Einschaltzeit t ein und die Ausschaltzeit t aus gelten bei nicht lückendem Spulenstrom: t ein : ü U e Ua L I t aus : U a L I (5.35) t ein t aus Die Ausgangsspannung Ua ist bei gegebenen Bauelementen und konstanter Schaltfrequenz f nur von tein abhängig. t Ua ü U e ein (5.36) T Für den Ausgangsstrom Ia gilt an der Lückgrenze: I t aus (5.37) Ia 2 T G. Schenke, 9.2014 Leistungselektronik FB Technik, Abt. E+I 82 Bei gegebenem Stromrippel I kann in Abhängigkeit von Eingangs-, Ausgangsspannung, Übersetzungsverhältnis ü und Arbeitsfrequenz f = 1/T des Wandlers die Hauptinduktivität L angegeben werden: 1 U a (ü U e U a ) L (5.38) I f ü Ue Für lückenden Wandlerstrom gilt für die Ausgangsspannung Ua und den Ausgangsstrom Ia: I t ein I t Fluss Ua L ü Ue Ia (5.39) t Fluss t ein t Fluss 2 T Der Eintaktflusswandler ist für mittlere Leistungen geeignet. Der Wirkungsgrad Werte bis 80%. erreicht Gegentaktflusswandler Der Gegentaktflusswandler – oder einfach Gegentaktwandler genannt – ist für den mittleren und oberen Leistungsbereich geeignet. Mit ihm kann ein Wirkungsgrad von > 90% realisiert werden. D 1 : 1 : ü Ie Gegentaktflusswandler Ue ie Ce L 1 iD1 iL uS Trafo T1 T2 iD2 Ia Ca Ua RV D2 Der Gegentaktflusswandler arbeitet so, dass während t ein einer der beiden primärseitigen Transistoren leitet. Die Transistoren T1 und T2 arbeiten dabei alternierend und jeder realisiert die exakt gleiche tein-Zeit. Dadurch wird der Transformator symmetrisch ausgesteuert. Während taus sperren beide Transistoren und es leiten die Dioden D1 und D2. Durch den symmetrischen Betrieb wird der Trafo in beiden Richtungen ausgesteuert. Es entfällt die Entmagnetisierungswicklung und der magnetische Kreis wird besser ausgenutzt als beim Eintaktflusswandler oder beim Sperrwandler. Die Periodendauer wollen wir für die Sekundärseite definieren: T = tein + taus. Da die Transistoren der Primärseite alternierend arbeiten, ist die Periodendauer bezogen auf die Primärseite doppelt so groß. Für die Sekundärseite jedoch spielt es keine Rolle, ob T1 oder T2 gerade leitet. Damit gelten für die Sekundärseite die Beziehungen (Gleichungen) vom Eintaktflusswandler. Der Magnetisierungsstrom des Wandlers fließt in der Einschaltzeit tein alternierend über T1 oder T2 (nahezu linear steigend) und in der Ausschaltzeit taus über beide Dioden D1 und D2 (nahezu linear fallend). Für die Ausgangsspannung Ua und den Eingangsstrom Ie gelten die Gl. 5.40 bei nicht lückendem Spulenstrom iL. t t Ua ü U e ein Ie ü Ia ein (5.40) T T G. Schenke, 9.2014 Leistungselektronik FB Technik, Abt. E+I 83 uS ü · Ue Ua 0 iL Ia T1 D1 und D2 T2 D1 und D2 T1 leiten leiten leitet leitet leitet tein T t taus iLmax I iLmin 0 t ie ü · Ia ü· I Ie 0 t Spannungs- und Stromverläufe beim Gegentaktflusswandler und nicht lückendem Trafostrom (ohne Magnetisierungsstrom) Getaktete Wandler für 230-V-Netze Bei den Stromversorgungen werden primärgetaktete Wandler, bei denen die Transistoren hohe Spannungen schalten, und sekundärgeschaltete Wandler, bei denen die Transistoren häufig für niedrige Spannungen ausgelegt sind, unterschieden. 230 V ~ DC / DC Ua Primärgetakteter Wandler Bei primärgetakteten Wandlern ist dem DC/DC-Wandler meistens eine ungesteuerte B2Schaltung mit Glättungskondensator eingangsseitig vorgeschaltet. Der DC/DC-Wandler ist als einfacher Abwärts- oder Aufwärtswandler ausgeführt, wenn keine galvanische Trennung erforderlich ist. Häufig ist die Potentialtrennung gefordert, so dass dann der DC/DC-Wandler als Sperr-, Eintaktfluss- oder Gegentaktflusswandler ausgeführt wird. 230 V ~ DC / DC Ua Sekundärgetakteter Wandler Bei sekundärgetakteten Wandlern ist dem DC/DC-Wandler ein Transformator und meistens eine ungesteuerte B2-Schaltung mit Glättungskondensator eingangsseitig vorgeschaltet. Der DC/DC-Wandler ist als einfacher Abwärts- oder Aufwärtswandler ausgeführt. G. Schenke, 9.2014 Leistungselektronik FB Technik, Abt. E+I 84 Leistungsfaktor-Korrekturschaltung (PFC Power-Faktor-Corrector) In der DIN EN 61000-3-2 (VDE 0838-2) sind Grenzwerte für Oberschwingungsströme von Netzgeräten mit Leiterströmen bis 16 A festgelegt. Die Grenzwerte der Oberschwingungsströme für Geräte der Klasse A betragen für die unteren Ordnungszahlen: I2 = 1,08 A, I3 = 2,30 A, I4 = 0,43 A, I5 = 1,14 A, I6 = 0,30 A, I7 = 0,77 A, I8 = 0,23 A, I9 = 0,40 A. Ab einer gewissen Leistungsgrenze können klassische Netzgeräte nicht mehr eingesetzt werden, da der Oberschwingungsstrom dieser Schaltungen zu groß ist. Hier kommen Leistungsfaktor-Korrekturschaltungen mit nahezu sinusförmiger Netzstrom zum Einsatz. D L T 2-PunktRegler CF 230 V ~ CS Ua RL z x Multiplizierer z=x· y y Spannungsregler Uist Usoll PFC-Schaltungsprinzip Am Eingang des PFC-Wandlers liegt die mit der B2-Schaltung gleichgerichtete Netzspannung. Sie verläuft sinusbetragsmäßig, da CF ein Filterkondensator für die hohe Schaltfrequenz des Wandlers darstellt, der bei Netzfrequenz praktisch keinen Einfluss hat. Der Wandler arbeitet als Aufwärtswandler. Die Spannung am Speicherkondensator CS liegt zwischen 350 V und 400 V - sie muss größer sein, als der größte Scheitelwert der Netzspannung -. Mit dem Spannungsregler kann die Ausgangsspannung Ua in engen Grenzen geregelt werden. Das Ausgangssignal y des Spannungsreglers wird mit dem Betrag der aktuellen Spannung x multipliziert. Das Ausgangssignal z des Multiplizierers ist ein sinusbetragsförmiges Signal, das dem 2-Punkt-Regler für den Netzstrom als Sollwert zur Verfügung steht. Der 2-Punkt-Regler steuert den elektronischen Schalter T (IGBT oder FET) mit einem PWM-Signal hoher Schaltfrequenz (bis 100 kHz) an. Integrierte Schaltungen erleichtern den Aufbau von PFC-Wandlern. Neben dem PFC-IC werden nur wenige externe Bauelemente benötigt. Wird eine Gleichspannung unter 350 V gefordert, dann wird ein geeigneter DC/DC-Wandler mit oder ohne Potentialtrennung am Ausgang des PFC-Wandlers angeschlossen. iN ohne PFC iN uN iN mit PFC t Netzspannung uN und Netzstrom iN einer Stromversorgung ohne PFCWandler und mit PFC-Wandler uN G. Schenke, 9.2014 Leistungselektronik FB Technik, Abt. E+I 85
