Stellglieder für elektrische Antriebe - antriebstechnik.fh

3.
Stellglieder für elektrische Antriebe
Der Energiefluß der elektrischen Maschinen wird über Stellglieder zu- bzw. abgeschaltet. In
vielen Fällen dienen sie der Steuerung und Regelung dieses Energieflusses und werden zur
Realisierung verschiedener Betriebszustände, wie Anlauf, Drehzahlstellung und Bremsen
eingesetzt. Die Stellglieder müssen der Maschinenart angepaßt sein.
3.1 Übersicht und Einteilung der Stellglieder
Zu den Stellgliedern gehören
•
Schaltgeräte
Leistungsschalter, Schütze
•
konventionelle Stellgeräte
Stelltransformatoren, Stellwiderstände
•
Maschinenumformer
Leonardumformer, Synchronmaschinensätze
•
Stromrichter
Wechsel-/Drehstromsteller, Gleich- und Wechselrichter, Gleichstromsteller und Umrichter
Da Stromrichter vielseitige Stellmöglichkeiten bieten, haben sie die Maschinenumformer weitgehend verdrängt. Stromrichter erzeugen durch Oberschwingungen größere Netzverzerrungen
und haben für verschiedene Aussteuerbereiche einen größeren Bedarf an Grundschwingungsblindleistung.
Leistungselektronische Stellglieder lassen sich nach ihrer Funktion einteilen.
•
Wechselstromsteller zur Veränderung der Wechselspannung ohne Frequenzänderung.
•
Gleichrichter zur Umwandlung von Wechsel- in Gleichspannung. Wechselrichter zur
Umwandlung von Gleich- in Wechselspannung.
•
Gleichstromsteller zur Veränderung des Mittelwertes der Gleichspannung.
•
Umrichter zur Umwandlung von Wechselspannung mit einer Frequenz und Phasenzahl in
eine andere Wechselspannungsart variabler Frequenz und Spannung.
Stromrichter werden auch nach Art und Herkunft der Kommutierungsspannung eingeteilt.
•
kommutierungsfreie Stromrichter sind Schalter und Steller für Wechelstrom.
•
fremdgeführte Stromrichter, bei denen die Kommutierungsspannung nicht vom Stromrichtergerät geliefert wird. Diese wird entweder vom Netz (netzgeführter Stromrichter) oder
von der Last (lastgeführter Stromrichter) zur Verfügung gestellt.
•
selbstgeführte Stromrichter, bei denen der Stromrichter selbst die Kommutierungsspannung
bereitstellt.
Bauelemente für Stromrichter:
Dioden, Netzthyristoren (SCR), Frequenzthyristoren, Triacs, Abschaltthyristoren (GTO),
bipolare Leistungstransistoren, Feldeffekt-Leistungstransistoren, IGBT, MCT.
3.2 Stellglieder für Gleichstromantriebe
Netzgeführte Stromrichter
Für die Energieversorgung von Gleichstrommaschinen im industriellen Einsatz, werden meist
Stromrichterschaltungen eingesetzt, welche die variable Gleichspannung unmittelbar aus der
Kurvenform der Netzspannung bilden. Da bei diesen Stromrichtern die Ansteuerung der
Leistungshalbleiter (Dioden und/oder Thyristoren) netzsynchron erfolgen muß, werden sie netzgeführte Schaltungen genannt. Thyristoren lassen sich durch einen Stromimpuls auf die Steuerelektrode (Gate) während der positiven Halbschwingung der Netzspannung einschalten und haben
bis zum nächsten Stromnulldurchgang die Eigenschaften einer Diode.
Prinzipiell können Mittelpunktschaltungen (M1 und M2 am Wechselstromnetz, M3 und M6 am
Drehstromnetz) oder Brückenschaltungen eingesetzt werden. Besondere Bedeutung haben die
Zweipuls-Brückenschaltung B2 für den Anschluß an das Wechselstromnetz (bis 3 kW) und die
Sechspuls-Brückenschaltung B6 für den Anschluß an das Drehstromnetz (bis 500 kW).
G. Schenke, 3.2003
Automatisierte Antriebe
FB Technik, Abt. E+I
20
- (+)
U1
U2
U3
Ld
Ud
- (+)
GM
Id
+ (-)
+ (-)
Bei der Projektierung eines Gleichstromantriebs muß neben den Nenndaten PN, UN und
nN auch bekannt sein, ob ein Motorbetrieb für
eine oder beide Drehrichtungen und eventuell
eine Nutzbremsung erforderlich ist. Durch die
Beziehungen n ∼ UA/Φ und M ∼ IA · Φ liegt
dabei fest, welche Vorzeichen Ankerspannung,
-strom und Hauptfeld in den verschiedenen
Arbeitsweisen haben.
An einem einfachen netzgeführten Stromrichter, der Dreipuls-Mittelpunktschaltung (M3),
werden im folgenden die charakteristischen Eigenschaften netzgeführter Stromrichter untersucht.
Dreipuls-Mittelpunktschaltung M3
Ohne Berücksichtigung der Kommutierung erhält man für den arithmetischen Mittelwert der
Gleichspannung bei Vollaussteuerung:
3
3⋅ 3
π
U di =
2 U str ⋅ sin =
⋅ U str
(3.1)
3
π
π⋅ 2
Man bezeichnet Udi als ideelle Leerlaufgleichspannung bei ungesteuertem Gleichrichterbetrieb,
die sich unter Vernachlässigung ohmscher und induktiver Spannungsfälle aus der Phasenspannung Ustr auf der Sekundärseite des Stromrichtertransformators ergibt. Für die beim Steuerwinkel α auftretende ideelle Leerlaufgleichspannung Udiα gilt:
U diα = U di ⋅ cos α
(3.2)
Der Mittelwert der Gleichspannung netzgeführter Stromrichter ändert sich nach der cos-Funktion
des Steuerwinkels α.
Der Steuerwinkel kann von Vollaussteuerung bei α = 0° stetig gesteigert werden. Die abgegebene
Gleichspannung ändert sich
u2
u3
u1
u1
dabei entsprechend Gl. (3.2).
ud
Bei α = 90° ist der Mittelwert
0
der Gleichspannung Null. Bei
ωt
weiterer Vergrößerung des
Steuerwinkels über 90° hinaus
0
π/3
-π/3
wird der Mittelwert der Gleichspannung negativ und steigt
α
α
mit zunehmendem Steuerwinu2
u3
u1
u1
kel mit negativem Vorzeichen
ud
weiter an. Bei α = 180° - γ
0
erreicht sie den maximal
ωt
möglichen negativen Mittelwert.
Gleichspannungsbildung bei der M3-Schaltung
Der Bereich mit Steuerwinkeln von α = 0° bis 90° wird Gleichrichterbetrieb und von α = 90° bis
180° - γ mit negativem Gleichspannungsmittelwert wird Wechselrichterbetrieb genannt. Im
Gleichrichterbetrieb erfolgt der Energiefluß vom Drehstromnetz über den Stromrichter zur
Gleichstrommaschine. Im Wechselrichterbetrieb dreht sich die Richtung des Energieflusses.
G. Schenke, 3.2003
Automatisierte Antriebe
FB Technik, Abt. E+I
21
Im Wechselrichterbetrieb muß ein Sicherheitsabstand zum Schnittpunkt der Phasenspannungen
eingehalten werden, deshalb darf der Steuerwinkel α nur bis 180° - γ gesteigert werden. Der
Löschwinkel γ stellt die erforderliche Schonzeit tc für die Thyristoren sicher.
Unter Kommutierung versteht man die Übergabe eines Stromes von einem Stromzweig auf
einen anderen, wobei während der Kommutierungszeit tu beide Zweige Strom führen. Der Verlauf
des Kommutierungsstromes läßt sich aus der Kommutierungsspannung Uk, die bei netzgeführten
Stromrichtern sich als Differenz der sinusförmigen Wechselspannungen zweier miteinander
kommutierender Phasen ergibt, und der im Kommutierungskreis liegenden Impedanzen
berechnen.
π
(3.3)
q
Bei der M3-Schaltung ist die Kommutierungszahl q = 3.
Werden die ohmschen Widerstände im Kommutierungskreis vernachlässigt und wird außerdem
angenommen, daß die Kommutierungsinduktivitäten Lk gleich groß sind, so gilt für den Verlauf
U k = 2U str ⋅ sin
2U k
⋅ (cos α - cos ωt) = i 2 = I d - i1
(3.4)
2ωL k
des Kurzschlußstromes ik (Phasenkurzschluß für tu) im Kommutierungskreis:
Die Kommutierungszeit tu wird Überlappungszeit oder einfach Überlappung u genannt und in
elektrischen Graden angegeben.
Integriert man die Maschengleichung des vereinfachten Kommutierungskreisen über die
Kommutierungszeit tu, so erhält man:
2ωL k ⋅ I d
I
cos(α + u) = cos α = cos α - d
(3.5)
2U k
2I k
ik =
u1
u2
u3
Lk
uk
Lk
Lk
Rk
Rk
Rk
uA1
i1
i2
Ld
ud
GM
i3
Id
M3-Schaltung und Kommutierung bei α = 0°
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FB Technik, Abt. E+I
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ud
u1
u3
u2
0
Kommutierung bei der
M3-Schaltung im
Gleichrichterbetrieb
(α = 30°)
u
α
i1
i
i2
Id
i3
ωt
α = 30°
u1
u3
u2
ud
0
u
α
i
Kommutierung bei der
M3-Schaltung im
Wechselrichterbetrieb
(α = 140°)
γ
i2
i1
i3
Id
ωt
α = 140°
Wird der Stromrichter mit dem Gleichstrom Id belastet, so ergibt sich ein Mittelwert der Gleichspannung Ud am Ausgang, der infolge von Spannungsfällen kleiner ist als Udi. Dieser Spannungsfall setzt sich aus der induktiven Gleichspannungsänderung Dx (Udx), der ohmschen Gleichspannungsänderung Dr (Udr) und der Durchlaßspannung der Stromrichterventile zusammen.
U dα = U di ⋅ cos α - D x - D r - U F
(3.6)
cos α + cos(α + u)
= U di ⋅
- R k ⋅ Id - U F
2
UF
Dr
Udi
Dx
UdN
Ld
Dx
Lk
Dr
Rk
UF
uF
G. Schenke, 3.2003
ud
Ud
0
GM
Id
0
Id
IdN
M3-Schaltung mit linearisierter Belastungskennlinie bei voller Aussteuerung (α = 0°)
Automatisierte Antriebe
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23
Ld
UL
ud
uA
GM
iA
Gleichstromantrieb mit
Stromrichter in
Sechspuls-Brückenschaltung (B6)
Die Bildung der momentanen Stromrichterspannung ud erfolgt nach dem für die DrehstromBrückenschaltung gültigen Diagramm unter der Voraussetzung, daß für den Laststrom stets iA > 0
gilt.
α = 0°
ud
30° α 60°
90°
120°
150°
u
0
Bildung der Gleichspannung
ud bei der B6-Schaltung
Gleichrichterbetrieb
α
ωt
Wechselrichterbetrieb
Bei der Sechspuls-Brückenschaltung (B6, Drehstrom-Brückenschaltung) entsteht der maximale
Mittelwert der Gleichspannung durch die Hüllkurve der Netzspannung UL.
3⋅ 2
U di =
⋅ UL
für B6 - Schaltung
(3.7)
π
Für die Zweipuls-Brückenschaltung (B2, Einphasen-Brükenschaltung) gilt für Udi entsprechendes.
2⋅ 2
U di =
⋅ UL
für B2 - Schaltung
(3.8)
π
Für die Berechnung von Udiα gilt Gl. (3.2) und für die Bestimmung des Mittelwertes der
Gleichspannung Ud (Udα) gilt analog Gl. (3.6); hier muß berücksichtigt werden, daß zwei Ventile
in Reihe geschaltet sind.
Werden keine negativen Gleichspannungen benötigt, so kann man bei den Brückenschaltungen
B2 und B6 die Hälfte der Thyristoren durch Dioden ersetzen und man erhält eine halbgesteuerte
Schaltung. Die Abhängigkeit der Gleichspannung Udiα vom Steuerwinkel α berechnet sich hier
nach Gl.(3.9):
U diα = 1 U di ⋅ (1 + cos α)
(3.9)
2
Sind für einen Gleichstromantrieb beide Drehrichtungen vorgesehen, so muß eine Momentenumkehr und damit bei fester Erregung eine Umpolung des Ankerstromes möglich sein.
Sind stromlose Pausen von rd. 0,2 s möglich, so kann die Umpolung des Ankerstromes mit einem
mechanischen Umschalter erfolgen, ansonsten ist eine Gegenparallelschaltung zweier Stromrichter im Ankerkreis notwendig.
G. Schenke, 3.2003
Automatisierte Antriebe
FB Technik, Abt. E+I
24
Bei Umkehr des Drehmomentes kann die Ankerstromrichtung beibehalten werden, wenn eine
Änderung der Feldrichtung erfolgt. Da die Erregerleistung nur wenige Prozent der Nennleistung
beträgt, kann man diese Lösung mit geringem Zusatzaufwand realisieren. Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß bei jeder Umsteuerung mit Rücksicht auf den Feldabbau eine Pause von 0,5 bis
2,5 s entsteht.
L1
L2
L3
N
iA
L
iA
L
GM
IE
IE
L
L
IE
GM
iA
iA
L
L
iA
GM
iA
IE
IE
a)
b)
c)
a)
b)
c)
Ankerumschaltung mit einem Polwender
Feldumkehr durch zwei Stromrichter
Gegenparallelschaltung zweier Stromrichter im Ankerkreis
Schaltung für Umkehrantriebe
Gleichstromsteller
Während bei allen netzgeführten Stromrichterschaltungen die Bildung der variablen Ankerspannung durch Phasenanschnittsteuerung der Netzwechselspannung erfolgt, arbeitet der Gleichstromsteller bereits mit einer konstanten Gleichspannung am Eingang (z.B. Batterie).
Beim Gleichstromsteller wird durch ein elektronisches Stellglied S die Netzspannung UN mit
möglichst hoher Frequenz fP pulsförmig auf den Antrieb geschaltet. Bei der häufig verwendeten
Pulsbreitensteuerung ist dabei innerhalb der konstanten Periodendauer tP = 1/fP die Einschaltzeit tE
einstellbar. In den Pausen fließt der Ankerstrom IA über einen Freilaufkreis mit der Diode D weiter.
S
L
D
elektronischer Ein-Ausschalter
Glättungsinduktivität
Freilaufdiode
S
iN
L
D
Prinzipschaltung
G. Schenke, 3.2003
tE
tA
iA
tP
UN
uL
uL
iD
UN
iA
iN
iD
UA GM
uL
uA
t
Pulsbreitensteuerung der Gleichspannung UA
Technik eines Gleichstromstellers
Automatisierte Antriebe
FB Technik, Abt. E+I
25
Wenn das Stellglied S während der Zeit tE geschlossen ist, nimmt der Antrieb mit iA = iN Energie
aus dem Netz auf. Die Spannungsgleichung des Kreises lautet:
di
UN = UA + uL
mit u L = L ⋅ A
(3.10)
dt
In der Zeit tA ist das Stellglied S geöffnet; der Strom iA = iD klingt infolge der magnetischen
Energie der Induktivität L nur langsam über den Freilaufkreis ab. Im Freilaufkreis gilt:
UA + uL = 0
(3.11)
Der Ankerstrom schwankt um den Wert ∆i, der um so kleiner ist, je größer die Pulsfrequenz fP
und die Induktivität L gewählt werden.
Als Mittelwert der Spannungsimpulse stellt sich die Ankerspannung UA nach Gl.(3.12) ein.
tE
tE
= UN ⋅
(3.12)
tP
tE + tA
Die Ankerspannung kann so stufenlos zwischen Null und UN variiert werden.
Als Stellglied werden heute vorwiegend eingesetzt:
•
Feldeffekt-Leistungstransistoren und IGBT's bis zu mittleren Leistungen bei hoher
Schaltfrequenz;
•
GTO-Thyristoren bei hohen Leistungen.
Durch Vertauschen der Anordnung von Freilaufdiode und Stellglied kann eine Rücklieferung von
Energie in die Batterie beim Gleichstromsteller erfolgen.
UA = UN ⋅
3.3 Stellglieder für Drehstromantriebe
Drehstromsteller
Die Schaltung eines dreiphasigen Drehstromstellers wird mit drei gegensinnig parallelen
Thyristorpaaren gebildet; diese werden periodisch angesteuert. Bei kleinen Antrieben kann ein
Thyristorpaar durch einen Triac ersetzt werden.
L1
L2
L3
N
1,0
Ieff
I0eff
i1
i2
R
0,6
R
0,2
0
L
L
cosϕ = 1
0,4
i3
R
cosϕ = 0
0,8
L
0
30
60
90 120 150 180
α/°
Steuerkennlinie eines Drehstromstellers
Drehstromsteller mit ohmsch-induktiver Last
Der Steuerwinkel α entspricht dem Winkel zwischen dem Nulldurchgang einer Phasenspannung,
das ist der Nulldurchgang des ungesteuerten ohmschen Dauerstromes einer Phase, und dem
zugehörigen Zündwinkel. Durch Vergrößerung des Steuerwinkels α von 0° auf 150° bei
ohmscher Last und von 90° bis 150° bei induktiver Last kann die Leistungsaufnahme einer
symmetrischen dreiphasigen Last stetig zwischen dem Maximalwert und Null gesteuert werden
G. Schenke, 3.2003
Automatisierte Antriebe
FB Technik, Abt. E+I
26
Pulsgesteuerter Widerstand
Abschaltbare leistungselektronische Ventile können parallel oder in Reihe zu ohmschen
Widerständen R angeordnet werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, den wirksamen
Widerstand R* abhängig vom Einschaltverhältnis λ = TE/T zu verändern. Dieser pulsgesteuerte
Widerstand ist eine Sonderform des Gleichstromstellers. Beim pulsgesteuerten Widerstand in
Parallelschaltung ist zur Glättung des Gleichstromes ein Energiespeicher in Form einer
Induktivität L notwendig. Der wirksame Widerstand R* kann hier zwischen den Werten Null
(Ventil leitend) und R (Ventil gesperrt) stetig verändert werden. Beim pulsgesteuerten Widerstand
in Reihenschaltung kann der wirksame Widerstand R* zwischen R und unendlich verstellt
werden. Als Ventile werden FET´s (kleine Leistung), IGBT's (mittlere Leistung) und GTO's
(große Leistung) eingesetzt.
Direktumrichter
Umkehrstromrichter können zur Umformung von Wechsel- bzw. Drehstrom einer Frequenz f1 in
eine andere Frequenz f2 verwendet werden. Dazu muß man ihre Ausgangsspannung periodisch
umsteuern, und zwar im Takt der geu1 u2 u3
wünschten Ausgangsfrequenz f2. Die Frequenzumformung erfolgt durch direktes
u
Umschalten der Phasenspannungen des
0
Primärnetzes ohne Benutzung eines
Gleichstromzwischenkreises, daher spricht
man von Direktumrichtern. Die Ausgangsfrequenz f2 darf max. 40% der NetzT1
n Kuppen je T 2/2 t
frequenz f1 erreichen.
p
1
T1
T2
Spannungsverlauf beim Trapezumrichter
Beim sogenannten Trapezumrichter, einem Hüllkurvenumrichter, verläuft die Spannung einer
Ausgangsphase auf den Kuppen der Phasenspannungen des speisenden Drehstromnetzes. Zur
Bildung der Ausgangsspannung einer Phase des Trapezumrichters ist ein Umkehrstromrichter,
bestehend aus zwei antiparallelen M3-Schaltungen, erforderlich (insgesamt 18 Thyristoren für
drei Phasen, p1 = 3). Mit diesem Direktumrichter können nur diskrete, nach Gl.(3.13) berechnete
Ausgangsfrequenzen f2 erreicht werden.
p1
f 2 = f1 ⋅
n = 1, 2, 3, .....
(3.13)
p1 + 2 ⋅ (n - 1)
f1
f2
U2
St
u2
Beim Steuerumrichter wird die Ausgangsspannung der beiden gegenparallel arbeitenden
Teilstromrichter sinusförmig ausgesteuert. Die
Steuerwinkel αI und αII müssen während jeder
Halbschwingung der Ausgangsspannung stetig
verändert werden. Jede Ausgangsphase wird
von der Gegenparallelschaltung 6pulsiger Teilstromrichter (B6-Schaltungen) mit insgesamt
36 Ventile gebildet.
Schaltung des Steuerumrichter
f2 M
3~
G. Schenke, 3.2003
Automatisierte Antriebe
FB Technik, Abt. E+I
27
α Gleichrichterbetrieb
uI
0
t
α
Wechselrichterbetrieb
Spannung einer Phase
beim Steuerumrichter
Die abgegebene Ausgangsspannung wird einem vorgegebenen sinusförmigen Sollwert möglichst
gut angenähert. Beide Teilstromrichter arbeiten abwechselnd im Gleich- bzw. Wechselrichterbetrieb. Der Verschiebungsfaktor der Lastseite bestimmt dabei die jeweilige Stromrichtung.
Wegen überwiegender Phasenanschnittsteuerung ist der Blindleistungsbedarf aus dem speisenden
Drehstromnetz beim Steuerumrichter hoch.
Maschinengeführter Wechselrichter
Der lastgeführte Wechelrichter bezieht von der Last, z. B. eine übererregte Synchronmaschine,
seine Kommutierungsblindleistung - Strom muß der Spannung voreilen -. Die Schaltung
ermöglicht im allgemeinen auch eine Umkehr des Energieflusses. Die Schaltung maschinengeführter Wechselrichter, die aus der Hintereinanderschaltung eines netzgeführten Gleichrichters
und eines lastgeführten Wechselrichters mit Synchronmaschine als Last besteht, wird auch Stromrichtermotor genannt. Im allgemeinen
Ld Id
I
II
wird im Gleichstromzwischenkreis eine
Glättungsinduktivität Ld vorgesehen, die
L1
den netzseitigen Stromrichter I vom lastL2
UdII
UdI
seitigen II energetisch entkoppelt.
L3
Maschinengeführter Wechselrichter (Stromrichtermotor)
Der netzseitige Stromrichter I arbeitet im Motorbetrieb der angeschlossenen Synchronmaschine
als netzgeführter Gleichrichter. Er erzeugt die durch Anschnittsteuerung über den Steuerwinkel α
einstellbare Gleichspannung UdI des Zwischenkreises.
Der Strom im Gleichstromzwischenkreis Id wird durch die Induktivität Ld geglättet. Der lastseitige
Stromrichter arbeitet als lastgeführter Wechselrichter. Er erzeugt die Gleichspannung UdII. Da
Wechselrichterbetrieb vorliegt, ist der Mittelwert dieser Gleichspannung negativ. Im stationären
Betrieb ist UdII = -UdI.
Arbeitet die Synchronmaschine als Generator, so muß der Stromrichter II in den
Gleichrichterbetrieb und der Stromrichter I in den Wechselrichterbetrieb umgesteuert werden.
Im Stillstand kann die Synchronmaschine kein führendes Netz auf der Sekundärseite erzeugen, so
daß das Anfahren z.B. durch Auf- und Zusteuern des eingangsseitigen Stromrichters im Takt der
niedrigen Anfahrfrequenz erfolgen kann.
Zwischenkreisumrichter
Zwischenkreisumrichter bestehen aus drei wesentlichen Komponenten, dem netzgeführten
Stromrichter, einem Strom- oder Spannungszwischenkreis und einem selbst- oder lastgeführten
Wechselrichter. Die Schaltung mit lastgeführtem Wechselrichter (Stromrichtermotor) wurde zuvor behandelt.
Kann die Last, z.B. eine Asynchronmaschine, keine Kommutierungsblindleistung bereitstellen, so
muß ein selbstgeführter Stromrichter eingesetzt werden. Die Kommutierungsspannung muß hier
über Löschkreise bereitgestellt werden, oder es müssen abschaltbare Stromrichterventile wie
FET´s, IGBT's oder GTO's eingesetzt werden.
G. Schenke, 3.2003
Automatisierte Antriebe
FB Technik, Abt. E+I
28
Stromzwischenkreis-Umrichter (I-Umrichter)
Beim I-Umrichter liefert der netzseitige Stromrichter in Sechspuls-Brükenschaltung (B6Schaltung) einen durch die Anschnittsteuerung der Thyristoren einstellbaren Gleichstrom Id der
infolge der Induktivität L der Zwischenkreisdrossel für den nachgeschalteten Stromrichter eingeprägt ist (Gleichstromzwischenkreis).
ZD
Der maschinenseitige StromWR
GR
richter arbeitet als selbstgeführter Wechselrichter. Die
Technik der PhasenfolgelöND
L1
schung mit sechs KondenL2
ASYM
satoren erlaubt ein Ein- und
Ausschalten der Thyristoren,
L3
so daß der Gleichstrom Id in
120°-Stromblöcken in jedem
Wicklungsstrang fließt.
Schaltung des Stromzwischenkreis-Umrichters
Die Last (Maschine) ist Bestandteil des Kommutierungskreises und muß mit dem Wechselrichter
des Umrichters abgestimmt sein. Die Kommutierungseinrichtung im Wechselrichter muß sowohl
das Löschen des abzulösenden Thyristors sicherstellen, als auch die in den Streuinduktivitäten der
Maschine gespeicherte Energie aufnehmen können. Die Kondensatoren müssen so dimensioniert
sein, daß keine unzulässigen Spannungserhöhungen entstehen. Durch das zyklische Aufschalten
des Stromes an die Motorklemmen entsteht in der angeschlossenen Maschine ein sprungförmig
umlaufendes Ständerfeld einstellbarer Frequenz.
Für die Funktion der Regelelektronik gibt es je nach den Anforderungen an die Dynamik des
Antriebs unterschiedliche Konzepte. Mit entsprechendem Aufwand lassen sich etwa Stellzeiten
eines Gleichstromantriebs erreichen. Besonders einfach und ohne Mehraufwand im Leistungsteil
ist ein Vierquadrantenbetrieb möglich. Mit einer Spannungsumkehr im Zwischenkreis durch
Wechselrichteransteuerung des netzseitigen 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
allerdings auf Grund der nichtsinusförmigen Ströme und Spannungen erhöhte Stromwärmeund Eisenverluste auftreten. Im allgemeinen genügt es zum Ausgleich, die Leistung um 10 bis
15 % herabzusetzen. Der typische Frequenzbereich liegt bei 2 Hz bis 87 Hz. Bei niedrigen
Frequenzen wird der Rundlauf der Asynchronmaschine durch Zwischentaktung erreicht.
Spannungszwischenkreis-Umrichter (U-Umrichter)
U-Umrichter mit variabler Zwischenkreisspannung bestehen im allgemeinen aus einem
netzgeführten, gesteuerten Stromrichter zur Bildung der variablen Zwischenkreisspannung, einem
Zwischenkreis, bestehend aus Glättungdrossel und Zwischenkreiskondensator, und dem
selbstgeführten Stromrichter (Wechselrichter) zur Bildung der frequenz- und spannungsvariablen
Ausgangsspannung.
Selbstgeführte Wechselrichter bestehen heute fast ausschließlich für alle Leistungsbereiche aus
abschaltbaren Stromrichterventilen, für den unteren Leistungsbereich aus Leistungs-MOSFET's,
für den mittleren Leistungsbereich aus IGBT's und für hohe Leistungen aus GTO's. Selbstgeführte
Wechselrichter für eine einphasige Last bestehen aus 4 abschaltbaren Ventilen mit jeweils
antiparalleler schneller Diode.
G. Schenke, 3.2003
Automatisierte Antriebe
FB Technik, Abt. E+I
29
Ud
2
Ud
Ud
2
T1
D1
T4
D4
T3
D3
T2
D2
1
U12
2
Last
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.
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.
Einphasiger Wechselrichter
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 phasenα
180°
versetzt addiert, wobei die Wechu10
u10
T1
T1
T1
T1
selspannung der beiden Wechsel0
0
T3
T3
richter um den Winkel α gegeneinander versetzt sind.
Durch die Verkürzung der Spanu20
u20 T4
T4
T4
nungsblöcke wird die Grund0
0
T2
T2
T2
schwingungsamplitude der Aus180°
180°
gangspannung verringert, so daß
sich die Oberschwingungen mehr
u12
u
12
U
Ud
hervor heben. Aus diesem Grund
d
kann dieses Verfahren der Span0
0
t
t
nungssteuerung nur in einem begrenzten Stellbereich eingesetzt
werden.
Vollaussteuerung
Teilaussteuerung
Spannungsverstellung nach dem Schwenkverfahren
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 λ = 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. An der
Maschine treten hierbei außer der Grundschwingung nur Oberschwingungen der gewählten
Pulsfrequenz fp und noch höhere Harmonische auf. Der Maschinenstrom ist nahezu sinusförmig.
G. Schenke, 3.2003
Automatisierte Antriebe
FB Technik, Abt. E+I
30
Te
Te
u
Ud
u
Ud
0
0
t
Ta
t
Ta
Zwei Spannungszustände mit +Ud und –Ud
Drei Spannungszustände mit +Ud, 0 und -Ud
Te
u
Ud
0
nach Sinusfunktion
veränderliches Einschaltverhältnis λ
u1
t
Ta
Spannungssteuerung nach dem
Pulsverfahren
Umrichter mit konstanter Zwischenkreisspannung
(Frequenzumrichter, früher Puls-Umrichter genannt)
Frequenzumrichter bestehen im allgemeinen aus einem netzgeführten, ungesteuerten Stromrichter zur Bildung der konstanten Zwischenkreisspannung, einem Zwischenkreis, bestehend
aus Glättungdrossel und Zwischenkreiskondensator, und dem selbstgeführten Pulswechselrichter zur Bildung der frequenz- und spannungsvariablen Ausgangsspannung.
Im allgemeinen speist der netzseitige, ungesteuerte Stromrichter (Dioden in B6-Schaltung und
bei S < 2 kW 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 cosϕ1 im speisenden Netz. Die Netz-Oberschwingungen werden durch die netzseitige Drehstromdrossel begrenzt, so daß der Leistungsfaktor λ > 0,8 erreicht wird. EMV-Filter reduzieren die höheren Frequenzen im Netzstrom auf
zulässige Werte. 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.
L1
L2
netzseitige
Drossel
Gleichrichter
Zwischenkreis
Pulswechselrichter
Schutzdrossel
ASYM
L3
Frequenzumrichter mit konstanter Zwischenkreisspannung
Der maschinenseitige Pulswechselrichter schaltet Spannungsblöcke variabler Breite (z.B.
Pulsbreitenmodulation) auf die Maschinenklemmen, so daß sich eine sinusförmige Grundschwingung der gewünschten Frequenz bildet.
G. Schenke, 3.2003
Automatisierte Antriebe
FB Technik, Abt. E+I
31
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 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.
Beim Frequenzumrichter wird die Zwischenkreisspannung durch den Pulswechselrichter mit
einer hohen Taktfrequenz auf die Maschine geschaltet, ein nahezu sinusförmiger Maschinenstrom
wird so angestrebt. Bei Frequezumrichtern mit IGBT´s ist die Taktfrequenz bis 16 kHz wählbar;
bei Frequenzumrichtern mit FET´s (nur bei kleiner Leistung) kann die Taktfrequenz bis zu
100 kHz betragen.
L1
LN
LF
Dreiphasiger Wechselrichter
für Frequenzumrichter
mit Energierückspeisung
L2
L3
Ud
CF
Statt der sonst bei Frequenzumrichtern verwendeten ungesteuerten Gleichrichterdiodenbrücke
(ungesteuerte B6-Schaltung) zwischen den Netzklemmen und dem Gleichspannungs-Zwischenkreis werden ein dreiphasiger Wechselrichter und ein L-C-L-Filter eingefügt. Dabei ist das
Leistungsstellglied dieses dreiphasigen Eingangsteils wie ein üblicher Puls-Wechselrichter (Ausgangsseite eines normalen Frequenzumrichters) aufgebaut.
Der dreiphasige Wechselrichter mit den Filterdrosseln LF und den Kondensatoren CF stellt eine
steuerbare dreiphasige Spannungsquelle dar. Über die Netzdrosseln LN läßt sich der sinusförmige
Netzstrom frei einstellen (Amplitude und Phasenlage).
Der Regler hält die Zwischenkreisspannung Ud konstant und übernimmt die Netzsynchronisation.
Dazu wird der Wirkstromsollwert IWsoll über ein PI-Glied aus der Differenz Sollwert der
Zwischenkreisspannung und Istwert der Zwischenkreisspannung Ud ermittelt; der Blindstromsollwert wird mit IBsoll = 0 vorgegeben.
Beim "Speisen" (Motorbetrieb) sind die Netzspannung und der nahezu sinusförmige Netzstrom in
Phase. Beim "Rückspeisen" (Generatorbetrieb) sind die Netzspannung und der nahezu
sinusförmige Netzstrom um 180° phasenverschoben.
Vorteile des dreiphasigen Wechselrichters mit L-C-L-Filter für Frequenzumrichter sind:
•
stabilisierte konstante Zwischenkreisspannung,
•
Speisen vom und Rückspeisen in das Versorgungnetz möglich,
•
Leistungsfaktor │λ│ nahe 1, das heißt, fast keine Blindleistungsaufnahme und geringer
Oberschwingungsgehalt,
•
geringer Funkstörspannungspegel.
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Versorgungs- und Rückspeisemodule für Frequenzumrichter (FU) im Verbundbetrieb
Werden mehrere Frequenzumrichter im Verbund als sogenannter Mehrachsenantrieb, wie bei
Robotern betrieben, so kann ein Versorgungs- und Rückspeisemodul den Energieaustausch
zwischen dem Drehstromnetz und der gemeinsamen Gleichspannungsschiene (GleichspannungsZwischenkreis) übernehmen. Der Energieaustausch zwischen den einzelnen Frequenzumrichtern
erfolgt über die Gleichspannungsschiene.
Die Energieversorgung erfolgt
über die ungesteuerte B6-Schaltung. Der Einspeisebetrieb ist
damit in weiten Grenzen und
L1
sogar beim Ausfall einer Phase
Ud möglich. Der Rückspeisebetrieb
L2
erfolgt nur, wenn alle drei
L3
Phasen im Frequenzbereich von
48 Hz ... 62 Hz vorhanden sind.
Versorgungs- und Rückspeisemodul für FU
Der Rückspeisebetrieb setzt automatisch ein, wenn die Gleichspannung den Scheitelwert der
Netzspannung um ca. 20 V überschreitet. Der Rückspeisebetrieb wird eingestellt bei Übertemperatur oder beim Überschreiten der Spitzenbremsleistung. Abhilfe schaffen hier zusätzliche
Bremseinheiten. Dem Versorgungs- und Rückspeisemodul muß eine Netzdrossel oder besser ein
Filter vorgeschaltet werden. Beispielhaft sind die Messungen an einem 15-kW-Asynchronmaschinen-Antrieb mit Versorgungs- und Rückspeisemodul für den Frequenzumrichter.
I1 = 8,3 A
Ud = 550 V
U1 = 233 V
I1 = 5,4 A
Ud = 580 V
400
300
30
300
30
200
20
200
20
100
10
100
10
0
0
0
0
u1 in V
40
40
-100
-10
-100
-10
-200
-20
-200
-20
-300
-30
-300
-30
-40
10 12 14 16 18 20
t in ms
-400
-400
0
2
4
6
8
0
2
4
6
8
i1 in A
U1 = 231 V
i1 in A
u1 in V
400
-40
10 12 14 16 18 20
t in ms
Einspeisebetrieb bei Motorbetrieb
Rückspeisebetrieb bei Generatorbetrieb
Netzstrom i1 und Netzspannung u1 bei n = 500 min-1, M = 60 Nm
I1 = 14,4 A
Ud = 538 V
I1 = 9,6 A
U1 = 235 V
Ud = 581 V
400
300
30
300
30
200
20
200
20
100
10
100
10
0
0
0
0
u1 in V
40
40
-100
-10
-100
-10
-200
-20
-200
-20
-300
-30
-300
-30
-40
10 12 14 16 18 20
t in ms
-400
-400
0
2
4
6
8
0
2
4
6
8
i1 in A
U1 = 230 V
i1 in A
u1 in V
400
-40
10 12 14 16 18 20
t in ms
Einspeisebetrieb bei Motorbetrieb
Rückspeisebetrieb bei Generatorbetrieb
Netzstrom i1 und Netzspannung u1 bei bei n = 1000 min-1, M = 60 Nm)
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33
3.4 Netzrückwirkungen von Stromrichtern
Unter Netzrückwirkungen von Stromrichtern versteht man den Einfluß ihrer Blindleistung und
ihrer Stromoberschwingungen auf das elektrische Netz. Hierdurch wird die Spannung gesenkt
bzw. verzerrt.
Induktive Blindleistung entsteht, wenn infolge der Phasenanschnittsteuerung des Stromrichters
die erste Harmonische des Netzstromes gegenüber der zugeordneten Strangspannung nacheilt. Im
ungesteuerten Bereich (α = 0°) ist das beim Kommutierungsvorgang durch den verzögerten
Stromübergang von einem Ventil auf das andere der Fall. Im gesteuerten Betrieb (α > 0°) wird die
Phasenverschiebung um den Steuerwinkel α vergrößert und damit die vom Stromrichter
aufgenommene Blindleistung erhöht. Nach ihrer Entstehung bezeichnet man diese Grundschwingungsblindleistung Q1 als Kommutierungs- bzw. Steuerblindleistung. Wird der geringe
Magnetisierungsstrom des Stromrichtertransformators vernachlässigt, so gilt für vollgesteuerte
Schaltungen ohne Freilaufdiode (M3, B2, B6):
Q1
2u + sin 2α - sin [2 ⋅ (α + u)]
= sin ϕ1 =
(3.14)
S1
4 ⋅ [cos α - cos (α + u)]
Für den ungesteuerten Betrieb mit dem Steuerwinkel α = 0° und dem Überlappungswinkel u = u0
gilt:
 Q1 
2u 0 - sin 2u 0
 
=
(3.15)
4 ⋅ (1 - cos u 0 )
 S1 α = 0°
S1 = Scheinleistung des Stromrichters für die Grundschwingung
Häufig beträgt der Überlappungswinkel u0 nur wenige Grade, so daß die Kommutierungsblindleistung vernachlässigt werden kann (u = 0°). Aus Gl. (3.14) erhält man:
 Q1 
 
= sin α
(3.16)
 S1 u = 0°
Für den Grundschwingungsverschiebungsfaktor cosϕ1 gilt:
P
cos ϕ1 =
=
S1
Q12
1- 2
S1
(3.17)
0,8
Q1
Udi·Id 0,6
40°
20° 30°
10°
0°
0,4
40°
30°
20°
10°
0°
0,2
γ
-1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2
0,2 0,4 0,6 0,8
Ud
Anfangsüberlappung u0 = 0°; 10°; 20°; 30°; 40°
Udi
∞
∑I
0
Grundschwingungsblindleistung in
Abhängigkeit von der Gleichspannung
für vollgesteuerte Schaltungen
(M3, B6)
Eine weitere Blindleistungskomponente
ist die Verzerrungsblindleistung D.
Wird sinusförmige Netzspannung und
1
nichtsinusförmiger Strom vorausgesetzt,
dann gilt:
2
ν
I1
(3.18)
I
I
ki = Oberschwingungsgehalt (Klirrfaktor) und gi = Grundschwingungsgehalt des Stromes I
ki =
ν=2
G. Schenke, 3.2003
gi =
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34
Die Grundschwingungsscheinleistung S1, die Wirkleistung P, die Oberschwingungsblindleistung
D und die Grundschwingungsblindleistung Q1 werden nach Gl. (3.19) berechnet.
S1 = S ⋅ g i
P = S ⋅ g i ⋅ cos ϕ1 = S ⋅ λ
(3.19)
D = S⋅ ki
Q1 = S ⋅ g i ⋅ s inϕ1
Bei Stromrichtern entstehen sowohl auf der Gleichstrom- als auch auf der Wechselstromseite
Oberschwingungen, die miteinander in Wechselwirkung stehen.
Unter Annahme völliger Glättung des Gleichstromes und Vollaussteuerung entstehen auf der
Gleichstromseite Spannungsoberschwingungen Uvi
(k = 1, 2, 3 ....)
2
U νi = 2 ⋅ U di
mit ν u = k ⋅ p
(3.20)
ν u -1
und auf der Netzseite enthält der Netzstrom neben der Grundschwingung Oberschwingungen Iv
I
(3.21)
Iν = 1
mit ν i = k ⋅ p ± 1
νi
v = Ordnungszahl der Oberschwingung
p = Pulszahl
Maßnahmen zur Verminderung der Netzrückwirkungen
Aus energietechnischen Gründen ist es wichtig, die auftretende Blindleistung und die Oberschwingungen möglichst weitgehend zu kompensieren. Das kann durch eine ventil- und netzseitige Kompensation bzw. Verringerung der Blindleistung geschehen.
Vollgesteuerte Brücken- und Mittelpunktschaltungen benötigen abhängig von der Aussteuerung
eine sehr hohe Blindleistung. Mit der Folgesteuerung von zwei Teilstromrichtern, die meistens
durch Reihenschaltung eines nicht steuerbaren mit einem steuerbaren Stromrichter gebildet wird,
kann der Blindleistungsbedarf reduziert werden. Ein ähnliches Verhalten bezüglich des Blindleistungsbedarfs zeigen halbgesteuerte Brückenschaltungen (B6H) mit und ohne Freilaufdiode.
Q1
Udi·Id
0,8
40°
Verminderung der
Netzblindleistung bei
Folgesteuerung
0°
0,2
γ
-1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2
γ
0
0,2 0,4 0,6 0,8
Ud
Anfangsüberlappung u0 = 0° bzw. 40°
Udi
1
Mit der Reihenschaltung eines ungesteuerten Stromrichters (Gleichrichters) mit einem
nachgeschaltetem Gleichstromsteller kann die Steuerblindleistung weitgehend vermieden werden.
Netzseitig kann die Grundschwingungsblindleistung Q1 mit Kompensationseinrichtungen
erfolgen, die häufig aus regelbaren Kondensatoranlagen bestehen. Bei der Auslegung dieser
Anlagen ist auf Resonanzerscheinungen zu achten, um eine Überlastung der Kondensatoren und
unzulässige Verzerrungen der Netzspannung zu vermeiden. Deshalb werden häufig zu den
Leistungskondensatoren Drosselspulen in Reihe geschaltet, um so die Resonanzlage der Anlage
zu verstimmen. In der Praxis haben sich Resonanzfrequenzen unterhalb der 5. Oberschwingung
bewährt.
Q C = P ⋅ ( tan ϕ - tan ϕ C )
(3.22)
G. Schenke, 3.2003
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35
Die Verzerrungsleistung D kann durch Gruppenschaltungen oder durch netzseitige Saugkreise
verringert werden. Mit zunehmender Pulszahl verringert sich der Oberschwingungsgehalt des
Stromes. Die Amplitude der einzelnen Stromoberschwingung ist von der Belastung und der Ordnungszahl abhängig. Bei Stromrichterleistungen oberhalb von 300 kVA finden deshalb
vorwiegend 12pulsige Schaltungen Anwendung.
Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung der Stromoberschwingungen im Netz besteht durch
Kurzschließen der vom Stromrichter erzeugten Oberschwingungen mit Resonanzkreisen
(Saugkreise).
L1
UL1N
US1
3
2
2
L3
L2
1
3
UStr3
2
IdI
UdI
LS
UdII
IdII
Id
Ud
M
Ld
12pulsige Schaltung aus zwei parallel geschalteten Drehstrombrücken (B6.2/15-Schaltung)
Q
IQ
Un
Iν
IC5
IC7
IC11
IC13
Id
M
250 Hz
ν=5
350 Hz
ν=7
550 Hz
ν = 11
650 Hz
ν = 13
Stromrichter mit abgestimmte Saugkreisen
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