10 Einphasiges bidirektionales Pulsumrichtersystem
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10 Einphasiges bidirektionales Pulsumrichtersystem ~ Eine einphasige, durch Leistungstransistoren mit antiparallelen Freilaufdioden gebildete Vollbrückenschaltung mit Ausgangskapazität und Vorschaltinduktivität kann als Gleichoder Wechselrichterschaltung eingesetzt werden. Ein Beispiel für den Gleichrichterbetrieb findet sich bei Triebfahrzeugen, wo die auch als Vierquadrantensteller bezeichnete Schaltung der Erzeugung einer geregelten Gleichspannung aus der einphasigen Fahrdrahtwechselspannung dient und eine sinusförmige Stromaufnahme sichergestellt. Wechselrichterbetrieb liegt etwa bei der Anbindung regenerativer Energie an das Einphasenwechselspannungsnetz vor, wo die von der Quelle abgegebene Leistung mit sinusförmigem Strom in das Netz gespeist wird. Ziel der Übung ist die Darstellung der Grundfunktion der Schaltung und der bei phasenversetzter Steuerung der Brückenzweige erreichbaren Vorteile. Weiters wird das Systemverhalten für eine Zweipunktregelung des Eingangsstromes und eine Eingangsstromregelung mit konstanter Taktfrequenz untersucht. Abb.10.1: Topologie (1~Inverter). des einphasigen bidirektionalen Pulsumrichtersystems Abb.10.1 zeigt die Topologie des einphasigen bidirektionalen Pulsumrichtersystems. Diese Schaltung erlaubt das Gleichrichten einer einphasigen Eingangswechselspannung U1 auf eine Gleichspannung U2 bzw. das Wechselrichten einer Gleichspannung U2 auf eine Wechselspannung U1 d.h. beide Energierichtungen von DC auf AC sind möglich. Anmerkung: Beachten Sie für diesen Versuch, dass die Amplitude der Wechselpannung U1 nicht höher als 10V sein sollte. 10.1 Gleichrichter mit konstanter Taktfrequenz - Versorgen sie das System mit einer einstellbaren Wechselspannungsquelle (Einphasentrafo) U1 an den Klemmen X4 und X5. - Belasten sie das System auf der Gleichspannungsseite mit einem geeigneten Lastwiderstand RL an den Klemmen X7 und X9. Die Gleichspannungsquelle U2 wird noch nicht benötigt. - Stellen sie die richtige Relaiskonfiguration her. –1– Fachpraktikum Leistungselektronik IE10: Einphasiges bidirektionales Pulsumrichtersystem uD1 1 UO* t U_1* = U*+ uO U_1 = UZK-C * îL1 * iL1 I_1P I_N1* u1 U12-C iL1 s1+ 0 TRI_1 IN_A 1 s1S_A = S1- 1 s2+ S_B = S2+ 0 I_1 = -I1-C 0 uD2 TRI_2 S1+ 1 s20 S2- Abb.10.2: Blockschaltbild zur Erzeugung der Schaltsignale sij der MOSFETs Sij (i = 1,2; j = +,–) für den Betrieb des einphasigen Pulsumrichtersystems mit konstanter Taktfrequenz. Abb.10.3: Schaltungstechnische Realisierung der Erzeugung der Schaltsignale für den Pulsumrichter S_A = S1– = –(S1+) und S_B = S2+ = –(S2–) (Seite 5 in der Gesamtschaltung). In Abb.10.2 ist die Blockschaltung für den Betrieb des Pulsumrichters als einphasiger Gleichrichter mit konstanter Taktfrequenz dargestellt. Der Sollwert des Eingangsstromes wird durch Multiplikation des Spitzenwertes des Eingangsstromes îL1* mit der Netzspannung u1 gebildet. Dadurch wird eine netzspannungsproportionale Führung des Eingangsstromes erreicht. Der Spannungsregler ist als PI-Regler ausgeführt und definiert den Spitzenwert des Eingangsstromes î1 = îL1*. Die Dynamik des Spannungsreglers muss in diesem Fall jedoch reduziert werden (R116 = 1.2K, C58 = 1µF), damit er nicht versucht, die Welligkeit der Zwischenkreisspannung zu reduzieren. Dies hätte eine Verzerrung des Eingangsstromes zur Folge. Die schaltungstechnische Realisierung ist in Abb.10.3 dargestellt. Für den Betrieb als Gleichrichter mit kontinuierlichem Eingangsstrom und konstanter Taktfrequenz muss nun folgende Konfiguration hergestellt werden (Abb.10.4). - R116 = 1.2K, C58 = 1µF - JP1: U*+ (ganz links, Pins 1-2) - JP2: UZK-C (2.Pos von links, Pins 3-4) - JP3: -I1-C (2.Pos von links, Pins 3-4) - JP10: I_N1* (unten, Pins 2-3) –2– Fachpraktikum Leistungselektronik IE10: Einphasiges bidirektionales Pulsumrichtersystem - JP11: -REF (oben, Pins 2-3) - JP12: unten (Pins 1-2) - JP13: unten (Pins 1-2) - JPS1+: auf Position INV1– (2.Pos von unten, Pins 13-14) - JPS1–: auf Position S_A (ganz oben, Pins 1-2) - JPS2+: auf Position S_B (2.Pos von oben, Pins 3-4) - JPS2–: auf Position INV2+ (2.Pos von unten, Pins 13-14) - Die verbleibenden JPSxx ganz unten (GND, Pins 15-16) R116, C58 Abb.10.4: Konfiguration der Jumper für den Betrieb des Pulsumrichters als Gleichrichter mit kontinuierlichem Eingangsstrom und konstanter Taktfrequenz. Beachten sie die zusätzlichen Bauelemente R116 = 1.2K und C58 = 1µF. Abb.10.5 zeigt den Netzstrom i1 und die Netzspannung u1, den vom Ausgangsspannungsregler vorgegebenen Spitzenwert des Netzstromes î1* = îL1* und den Sollwert des Drosselstromes iL1*. Man erkennt eine gute lineare Abhängigkeit des Netzstromes und der Netzspannung, was sich im gemessenen Leistungsfaktor = 1 auch ausdrückt. Durch die Streuinduktivität des vorgeschalteten Stelltrafos und die innere Netzimpedanz weicht die Eingangsspannung von der idealen Sinusform stark ab und ist mit einem hohen Anteil des schaltfrequenten Rippels beaufschlagt. In Abb.10.5 ist daher auch ein Mittelwert avg(u1) über mehrere Perioden dargestellt. Abb.10.6 zeigt den Drosselstrom iL1, die rein schaltfrequente Umrichtereingangsspannung uU (zwischen den Klemmen X1 und X2), deren Mittelwert über mehrere Perioden avg(uU) und die zugehörigen Schaltsignale s1– und s2+. Die Struktur des Systems erlaubt es, positive und negative Ströme und Spannungen auf der Netzseite zu erzeugen und kann damit als Gleichrichter eingesetzt werden. Abb.10.7 und Abb.10.8 zeigen die Schaltsignale s1– und s2+, die resultierende Umrichtereingangsspannung uU und den Drosselstrom iL1 in einem kleineren Zeitbereich von 20µs/DIV. –3– Fachpraktikum Leistungselektronik IE10: Einphasiges bidirektionales Pulsumrichtersystem i1 (Zuleitung) avg (u1) u1 (X4 – X5) îL1* (JP10-1) iL1* (JP10-2-3) Abb.10.5: Netzstrom i1 und -spannung u1, Mittelwert der Netzspannung u1, Netzstromspitzenwert îL1* und Sollwert des Drosselstroms iL1*. iL1 (I5) avg (uU) uU (X1 – X2) s2+ (S2+) s1– (S1–) Abb.10.6: Drosselstrom iL1, Umrichter-Eingangsspannung uU, deren Mittelwert avg(uU), Schaltsignale s1– und s2+. –4– Fachpraktikum Leistungselektronik IE10: Einphasiges bidirektionales Pulsumrichtersystem iL1 (I5) uU (X1 – X2) s2+ (S2+) s1– (S1–) Abb.10.7: Drosselstrom iL1, Umrichter-Eingangsspannung uU, deren Mittelwert avg(uU), Schaltsignale s1– und s2+ im Zeitmaßstab 20µs/DIV. Die linke Lupe in Abb.10.6 kennzeichnet den vergrößerten Zeitbereich. iL1 (I5) uU (X1 – X2) s2+ (S2+) s1– (S1–) Abb.10.8: Drosselstrom iL1, Umrichter-Eingangsspannung uU, deren Mittelwert avg(uU), Schaltsignale s1– und s2+ im Zeitmaßstab 20µs/DIV. Die rechte Lupe in Abb.10.6 kennzeichnet den vergrößerten Zeitbereich. –5– Fachpraktikum Leistungselektronik 10.2 IE10: Einphasiges bidirektionales Pulsumrichtersystem Wechselrichter am Netz mit konstanter Taktfrequenz - Versorgen sie das System mit einer einstellbaren Wechselspannungsquelle (Einphasentrafo) U1 an den Klemmen X4 und X5. - Versorgen sie das System auf der Gleichspannungsseite mit einem geeigneten Netzgerät parallel zum Lastwiderstand RL an den Klemmen X7 und X9. Wählen Sie RL=50Ω. - Stellen sie die richtige Relaiskonfiguration her. Die Blockschaltung, die schaltungstechnische Realisierung und damit die Einstellungen an der Steuerplatine ändern sich nicht. Wenn nun der Sollwert der Zwischenkreisspannung unter dem Istwert, der durch das Netzgerät an den Klemmen X7 und X9 vorgegeben wird, liegt, dann beginnt das System Leistung in das versorgende Netz zurückzuspeisen. Ändern Sie hierzu die Spannung/Leistung des DC-Netzgeräts langsam. Nun sollte zu erkennen sein, dass sich die Stromrichtung plötzlich umdreht (Abb.10.9). Zur Veranschaulichung der Verhältnisse sind auch hier wieder schaltfrequente Details in Abb.10.10 und Abb.10.11abgebildet. ACHTUNG! NETZTRAFO NICHT ABSCHALTEN, DER WECHSELRICHTER VERSUCHT WEITERHIN LEISTUNG AN DAS NETZ ZU LIEFERN!!! Treten sie einen geordneten Rückzug aus dem Wechselrichterbetrieb an, indem sie vorher wieder gleichrichten, das Netzgerät trennen und dann erst die Netzseite abschalten. iL1 (I5) avg (uU) uU (X1 – X2) s2+ (S2+) s1– (S1–) Abb.10.9: Drosselstrom iL1, Umrichter-Eingangsspannung uU, deren Mittelwert avg(uU), Schaltsignale s1– und s2+ für Wechselrichterbetrieb. –6– Fachpraktikum Leistungselektronik IE10: Einphasiges bidirektionales Pulsumrichtersystem iL1 (I5) uU (X1 – X2) s2+ (S2+) s1– (S1–) Abb.10.10: Drosselstrom iL1, Umrichter-Eingangsspannung uU, deren Mittelwert avg(uU), Schaltsignale s1– und s2+ im Zeitmaßstab 20µs/DIV. Die linke Lupe in Abb.10.9 kennzeichnet den vergrößerten Zeitbereich. iL1 (I5) uU (X1 – X2) s2+ (S2+) s1– (S1–) Abb.10.11: Drosselstrom iL1, Umrichter-Eingangsspannung uU, deren Mittelwert avg(uU), Schaltsignale s1– und s2+ im Zeitmaßstab 20µs/DIV. Die rechte Lupe in Abb.10.9 kennzeichnet den vergrößerten Zeitbereich. –7– Fachpraktikum Leistungselektronik 10.3 IE10: Einphasiges bidirektionales Pulsumrichtersystem Gleich- und Wechselrichter mit Zweipunktregelung des Eingangsstromes Belassen sie den Leistungsteil gemäß 10.1 (ohne Netzgerät). UO* t U_1* = U*+ uO U_1 = UZK-C * îL1 * iL1 1 I_1P I_N1* 0 u1 U12-C iL1 s1- I1-C Abb.10.12: Blockschaltbild zur Erzeugung der Schaltsignale sij der MOSFETs Sij (i = 1,2; j = +,–) für den Betrieb des einphasigen Pulsumrichtersystems mit Zweipunktregelung des Eingangsstroms. Abb.10.13: Schaltungstechnische Realisierung der Erzeugung der Schaltsignale S_A = S1– = –(S1+) und S_B = S2+ = –(S2–) (Seite 5 in der Gesamtschaltung). In Abb.10.12 ist die Blockschaltung für den Betrieb des Pulsumrichters als einphasiger Gleichrichter mit Zweipunktregelung der Eingangsströme dargestellt. Der Sollwert des Eingangsstromes wird wieder durch Multiplikation des Spitzenwertes des Eingangsstromes îL1* mit der Netzspannung u1 gebildet. Dadurch wird eine netzspannungsproportionale Führung des Eingangsstromes erreicht. Der Spannungsregler ist als PI-Regler ausgeführt und definiert den Spitzenwert des Eingangsstromes î1 = îL1*. Die Dynamik des Spannungsreglers muss in diesem Fall jedoch reduziert werden (R116 = 1.2K, C58 = 1µF), damit er nicht versucht, die Welligkeit der Zwischenkreisspannung zu reduzieren. Dies hätte eine Verzerrung des Eingangsstromes zur Folge. Die schaltungstechnische Realisierung ist in Abb.10.13 dargestellt. Für den Betrieb als Gleichrichter mit kontinuierlichem Eingangsstrom und Zweipunktregelung des Eingangsstroms muss folgende Konfiguration hergestellt werden (Abb.10.14): –8– Fachpraktikum Leistungselektronik IE10: Einphasiges bidirektionales Pulsumrichtersystem - R116 = 1.2K, C58 = 1µF - JP1: U*+ (ganz links, Pins 1-2) - JP2: UZK-C (2.Pos von links, Pins 3-4) - JPS1+: auf Position INV1+ (2.Pos von unten, Pins 13-14) - JPS1–: auf Position S_E (4.Pos von unten, Pins 9-10) - JPS2+: auf Position S_E (3.Pos von oben, Pins 5-6) - JPS2–: auf Position INV2+ (2.Pos von unten, Pins 13-14) - Die verbleibenden JPSxx ganz unten (GND, Pins 15-16) R116, C58 Abb.10.14: Konfiguration der Jumper für den Betrieb des Pulsumrichters mit Zweipunktregelung des Eingangsstroms. Beachten sie die zusätzlichen Bauelemente R116 = 1.2K und C58 = 1µF. Abb.10.15 zeigt den Drosselstrom iL1, die schaltfrequente Umrichtereingangsspannung uU (zwischen den Klemmen X1 und X2), deren Mittelwert über mehrere Perioden avg(uU) und das zugehörige Schaltsignal s1–. Die Regelung weist für diesen Betriebspunkt Zwei-Level Verhalten auf, d.h. die sinusförmige Eingangsspannung wird hier durch nur zwei Spannungsniveaus nachgebildet. Es ist auch ohne weiteren Zoom zu erkennen, dass die Schaltfrequenz nun nicht mehr konstant ist. Die Schaltzeitpunkte werden so gesetzt, dass ein konstanter Rippel des Eingangsstromes erreicht wird. Durch Hinzufügen eines Netzgerätes an den Klemmen X7 - X9 können sie nun wieder den Wechselrichterbetrieb gemäß Abb.10.16 untersuchen. –9– Fachpraktikum Leistungselektronik IE10: Einphasiges bidirektionales Pulsumrichtersystem iL1 (I5) avg (uU) uU (X1 – X2) s1– (S1–) Abb.10.15: Drosselstrom iL1, Umrichter-Eingangsspannung uU, deren Mittelwert avg(uU), Schaltsignal s1– für Gleichrichterbetrieb mit Zweipunktregelung des Eingangsstroms. iL1 (I5) avg (uU) uU (X1 – X2) s1– (S1–) Abb.10.16: Drosselstrom iL1, Umrichter-Eingangsspannung uU, deren Mittelwert avg(uU), Schaltsignal s1– für Wechselrichterbetrieb mit Zweipunktregelung des Eingangsstroms. – 10 – Fachpraktikum Leistungselektronik 10.4 IE10: Einphasiges bidirektionales Pulsumrichtersystem Wechselrichter im Inselbetrieb Bisher wurde der Wechselrichterbetrieb für Verbindung des Systems mit einem eingeprägten Netz, das den Sollwert der Spannung vorgibt, untersucht. Für Wechselrichter im Inselbetrieb muss dieser Sollwert zur Verfügung gestellt werden. - Belasten sie das System auf der Wechselspannungsseite U1 an den Klemmen X4 und X5 mit einem geeigneten Lastwiderstand. - Versorgen sie das System auf der Gleichspannungsseite mit einem geeigneten Netzgerät an den Klemmen X7 und X9. - Stellen sie die richtige Relaiskonfiguration her. uD1 1 u*1 t U_1* = EXT u1 I_1P s1+ 0 TRI_1 IN_A 1 s1S_A = S1- 1 s2+ 0 U12-C 0 uD2 TRI_2 S1+ S_B = S2+ 1 s20 S2- Abb.10.17: Blockschaltbild zur Erzeugung der Schaltsignale sij der MOSFETs Sij (i = 1,2; j = +,–) für den Betrieb des einphasigen Wechselrichters im Inselbetrieb. Abb.10.18: Schaltungstechnische Realisierung der Erzeugung der Schaltsignale für den Pulsumrichter S_A = S1– = –(S1+) und S_B = S2+ = –(S2–) (Seite 5 in der Gesamtschaltung). In Abb.10.17 ist die Blockschaltung für den Betrieb des Pulsumrichters als einphasiger Wechselrichter im Inselbetrieb mit konstanter Taktfrequenz dargestellt. Der Sollwert der Ausgangsspannung wird durch einen Funktionsgenerator vorgegeben. Er wird mit dem Istwert verglichen und dementsprechend mit zwei Dreiecksignalen uD1 und uD2 verglichen, woraus sich die Schaltsignale sij ableiten. Die schaltungstechnische Realisierung ist in Abb.10.18 dargestellt. Für den Betrieb als Wechselrichter mit kontinuierlichem Eingangsstrom und konstanter Taktfrequenz muss nun folgende Konfiguration hergestellt werden (Abb.10.19). – 11 – Fachpraktikum Leistungselektronik IE10: Einphasiges bidirektionales Pulsumrichtersystem - R123 = 12K - JP1: EXT (3.Pos. von links, Pins 5-6) - JP2: U12-C (3.Pos von links, Pins 5-6) - JP3: entfernen - JP10: I_1P (oben, Pins 1-2) - JP11: -REF (oben, Pins 2-3) - JP12: unten (Pins 1-2) - JP13: unten (Pins 1-2) - JPS1+: auf Position S_A (ganz oben, Pins 1-2) - JPS1–: auf Position INV1+ (2.Pos von unten, Pins 13-14) - JPS2+: auf Position INV2– (2.Pos von unten, Pins 13-14) - JPS2–: auf Position S_B (2.Pos von oben, Pins 3-4) - Die verbleibenden JPSxx ganz unten (GND, Pins 15-16) - Anschluss des Funktionsgenerators zur Erzeugung des Sollwerts R123 Funktionsgenerator Abb.10.19: Konfiguration der Jumper für den Betrieb des Pulsumrichters als Wechselrichter im Inselbetrieb. Beachten sie den zusätzlichen Widerstand R123 = 12K. Abb.10.20 zeigt den Laststrom iL1 und die Ausgangsspannung u1, den vom Funktionsgenerator vorgegebenen Sollwert der Ausgangsspannung u1* und das zugehörige Schaltsignal s1+. Da es sich in diesem Fall um eine ohmsche Last handelt, wird im Folgenden die Ausgangsspannung durch die Umrichterausgangsspannung ersetzt (Abb.10.21). Zur Veranschaulichung ist in Abb.10.22 die Zeitablenkung auf 20µs/DIV eingestellt. – 12 – Fachpraktikum Leistungselektronik IE10: Einphasiges bidirektionales Pulsumrichtersystem Anmerkung: Der Lastwiderstand sollte nicht zu hoch sein (RL=30-50Ω), evt. hilft es, die Reglerdynamik etwas einzuschränken (R116 = 1.2K, C58 = 1µF). iL1 (I5) u1 (X4 – X5) u1* (JP1) s1+ (S1+) Abb.10.20: Laststrom iL1, Istwert der Ausgangsspannung u1, Sollwert der Ausgangsspannung u1* und Schaltsignal s1+ für Wechselrichter im Inselbetrieb mit 50Hz Ausgangsspannung. iL1 (I5) uU (X1 – X2) u1* (JP1) s1+ (S1+) Abb.10.21: Laststrom iL1, Umrichter- Ausgangsspannung uU, Sollwert der Ausgangsspannung u1* und Schaltsignal s1+ für Wechselrichter im Inselbetrieb mit Ausgangsspannung 50Hz - Sinus. – 13 – Fachpraktikum Leistungselektronik IE10: Einphasiges bidirektionales Pulsumrichtersystem iL1 (I5) uU (X1 – X2) u1* (JP1) s1+ (S1+) Abb.10.22: Laststrom iL1, Umrichter- Ausgangsspannung uU, Sollwert der Ausgangsspannung u1* und Schaltsignal s1+ für Wechselrichter im Inselbetrieb mit im Zeitmaßstab 20µs/DIV. Die Lupe in Abb.10.21 kennzeichnet den gezoomten Bereich. iL1 (I5) uU (X1 – X2) u1* (JP1) s1+ (S1+) Abb.10.23: Laststrom iL1, Umrichter- Ausgangsspannung uU, Sollwert der Ausgangsspannung u1* und Schaltsignal s1+ für Wechselrichter im Inselbetrieb mit Ausgangsspannung 100Hz – Rechteck. – 14 – Fachpraktikum Leistungselektronik IE10: Einphasiges bidirektionales Pulsumrichtersystem iL1 (I5) uU (X1 – X2) u1* (JP1) s1+ (S1+) Abb.10.24: Laststrom iL1, Umrichter- Ausgangsspannung uU, Sollwert der Ausgangsspannung u1* und Schaltsignal s1+ für Wechselrichter im Inselbetrieb mit Ausgangsspannung 100Hz – Dreieck. Mit dem gegenständlichen System lassen sich nicht nur sinusförmige Ausgangsspannungen, sondern auch z.B. eine Rechteckspannung (Abb.10.23) oder eine Dreieckspannung (Abb.10.24) erzeugen, soweit es die Dynamik zulässt. – 15 –
