strom 6 - ETH PES
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Professur für Leistungselektronik und Messtechnik Leistungselektronik Prof. Dr. J.W. Kolar Einphasen-Gleichrichterschaltung mit sinusförmigem Eingangsstrom 6 Die Eingangsstufe eines Telekom-Stromversorgungsmoduls soll durch die in Fig.1 gezeigte Schaltung realisiert werden. Das System bezieht damit netzfreundliche, sinusförmige Eingangsströme und kann zudem weltweit, d.h. an unterschiedlichen Netzspannungen betrieben werden. Für den Eingangsspannungsbereich folgt somit U1 = 90Vrms…270Vrms (Europa: 230Vrms), die Ausgangsspannung wird stets auf Ud = 400V geregelt. Für eine nachfolgende Konverterstufe liegen so, unabhängig von der jeweiligen Netzspannung, stets gleiche Verhältnisse vor. uL i' L U1 u’ U1 = 90Vrms …270Vrms Ud = 400V Pd = 3200W fP = 50kHz fNetz=50Hz. iRd DH TH Cd + Rd Ud Fig. 1ph.-PFC Die Schaltfrequenz des Systems wird zu fP = 50kHz gewählt, die Ausgangsleistung betrage Pd = 3200W. 1. a) Berechnen Sie den minimalen Induktivitätswert L der Speicherdrossel für den die Schaltung innerhalb der gesamten Netzperiode im kontinuierlichen Betrieb arbeitet. b) Wie hoch ist die maximal auftretende, lokale Schwankung des Eingangsstromes innerhalb einer Pulsperiode für U1 = 90V und U1 = 270V und wo tritt sie jeweils auf? c) Wie hoch ist für U1 = 90V der auf eine Netzspannungshalbschwingung bezogene Mittelwert des Transistorstromes? Wird der Leistungstransistor bei tiefer Eingangsspannung oder bei hoher Eingangsspannung stärker belastet? 2. a) Welche Kapazität ist für den Ausgangskondensator vorzusehen, damit die Schwankung der Ausgangsspannung (∆uCd,p-p) mit zweifache Netzfrequenz auf 5% von Ud beschränkt bleibt? b) Wie hoch ist der im gegebenen Kondensatorstromeffektivwert? Eingangsspannungsbereich maximal auftretende 3. a) Tragen Sie in Beiblatt 1 für U1 = 230Vrms (unter Weglassung schaltfrequenter Schwankungen) den Verlauf des Stromes in der Speicherdrossel i’, den Verlauf der Eingangsspannung des Hochsetzstellers u’, sowie den Verlauf des lokalen Mittelwertes der Drosselspannung ūL ein. b) Für welchen Stromspitzenwert ist die Speicherinduktivität auszulegen (U1 = 90Vrms…270Vrms)? 4. a) Wie hoch sind die Leitverluste des Konverters bei einer Eingangsspannung von U1rms = 230V, wenn für die Dioden (die 4 Netzdioden und die Ausgangsdiode DH) eine konstante (stromunabhängige) Flussspannung von UF = 1V und für den Leistungstransistor ein Einschaltwiderstand von RDS(on) = 0.1Ω angenommen wird. Professur für Leistungselektronik und Messtechnik Prof. Dr. J.W. Kolar Leistungselektronik b) Welche Wirkungsgradeinbusse des Konverters geht mit diesen Verlusten in erster Näherung einher? 5. Aufgrund eines Netzfehlers sinkt die Netzspannung auf U1 = 75Vrms ab. Welche Leistung kann nun noch geliefert werden, wenn der auf eine Netzhalbschwingung bezogene Mittelwert des Transistorstromes den für U1rms = 90V spezifizierten Wert nicht überschreiten darf? Hinweis: Der Lastwiderstand Rd sei dieser neuen Leistungssituation angepasst, d.h.: Ud sei unverändert. 6. a) Welcher Spitzenwert des Netzstromes würde auftreten, wenn der Ausgangkondensator bei U1 = 270Vrms ohne Zwischenschaltung des Hochsetzstellers direkt an den Ausgang der Diodenbrücke geschaltet werden würde? b) Welcher Maximalwert und welcher Minimalwert der Ausgangsspannung würde dann auftreten? Hinweis: Treffen Sie für die Lösung von 6a) und 6b) die Annahme, dass die Ausgangsbelastung als Konstantstromquelle mit IRd = 8A angenähert wird. Lösungen 1. a) L = 227.8 µH. b) Für U1 = 90V ist ∆i’pp = 7.62 A bei einem Phasenwinkel der Netzspannung von 90° und 270°. Für U1 = 270V ist ∆i’pp = 8.78 A bei einem Phasenwinkel der Netzspannung von 31.6°, 180° - 31.6°, 180° + 31.6° und 360° - 31.6°. c) ITH,avg = 24A. Der Leistungstransistor wird bei tiefer Eingangsspannung stärker belastet. 2. a) Cd = 1.27 mF. b) ICd, rms = 16.7A für U1 = 90V. 3. a) i’*min = 0A, i’*max = 19.68A; u’min = 0V, u’max = 325 V; uLmin = -1.41V, uLmax = 1.41V. b) ÎL = 54.1A ( 50A + Rippel von 7.6A/2) 4. a) PDH = 39.05W (Gesamtverluste an den Netzdioden: 25.05W, Verlust am Transistor: 6W, Verlust an der Ausgangsdiode: 8W) b) ∆η = 1.22% 5. Ptot = 2526W 6. a) Î1 = 84.2A b) Ud,max = 382V, Ud,min = 330V Professur für Leistungselektronik und Messtechnik Leistungselektronik Prof. Dr. J.W. Kolar Beiblatt 1 Strom in der Eingangsinduktivität i′ *(t) 20 10 [A] 0 -10 -20 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 0.016 0.018 0.02 0.018 0.02 Eingangsspannung des Hochsetzstellers u′ (t) 400 300 200 100 [V] 0 -100 -200 -300 -400 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 Lokaler Mittelwert der Spannung an der Eingangsinduktivität uL(t) 4 3 2 [V] 1 0 -1 -2 -3 -4 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 [s] 0.012 0.014 0.016
