10 Einphasiges bidirektionales Pulsumrichtersystem

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 –