Stromversorgung mit Einphasen- und Drehstrom - All

STROMVERSORGUNGEN
Vor- und Nachteile im Vergleich
Stromversorgung mit
Einphasen- und Drehstrom
Stromversorgung einphasig oder dreiphasig? Beides ist möglich. Der Beitrag macht mit technischen Details vertraut
und zeigt, dass Einphasenstrommodule die wirtschaftlich bessere Lösung für elektronische Systeme sind, die über
Drehstromnetze gespeist werden.
Zur Maximierung der Spannungsübertragung und gleichzeitiger Minimierung des
Leitungsumfangs erfolgt die Stromversorgung in der Regel mit Drehstrom mit
oder ohne Sternpunktanschluss (Bild 1).
Zu beachten ist dabei, dass ein Sternpunkt
üblicherweise mit dem Masseanschluss
der Anlage verbunden wird, der sich nahe
dem Spannungseingang befindet. Drehstromsysteme in Nordamerika werden
meist als Vierleiter-Dreiecksschaltung und
einer Phasenspannung von 208 V/60 Hz
oder 480 V/60 Hz ausgeführt.Gebräuchlich
sind auch Fünfleiter-Sternschaltungen mit
480 V/60 Hz bei einer Sternspannung von
277 VAC oder Fünfleiter-Sternschaltungen
mit 208 V/60 Hz und einer Sternspannung
von 120 VAC. In anderen Teilen der Welt
wird der Netzstrom typischerweise über
eine Fünfleiter-Sternschaltung mit einer
Phasenspannung von 398 VAC und einer
Sternspannung von 230 VAC oder mit einer
Phasenspannung von 380 V und einer
Sternspannung von 220 V erzeugt.
Bild 2 zeigt die Phasenspannungen für
eine 208 VAC-Dreiecksschaltung. Stromrichtungssysteme werden meist so ausgelegt, dass der Strom gleichmäßig aus
jeder Phase abgenommen wird, sodass
weder Leitungen,Verteilertransformatoren
noch Schutzschalter überlastet sind. Die
Lastverteilung für die drei Phasen lässt
sich dadurch erreichen, dass entsprechende
Vorrichtungen separat an die einzelnen
Bild 1: Gebräuchliche Drehstromquellen
Bild 2: Phasenverlauf einzelner Phasenspannungen für ein 208 V/60 Hz-System
Netzmodule mit Drehstromeingang
Bild 3: Stromrichter mit Einphasen- und Drehstromeingang
Phasen angeschlossen werden, sodass ein
Lastausgleich gegeben ist. Alternativ können Stromrichter mit automatischem Phasenausgleich an alle drei Phasen gleichzeitig angeschlossen werden. Bild 3 zeigt
die beiden alternativen Methoden.
Netzmodule mit Einphaseneingang
˘ AUTOR
Alois Heimler ist Key
Account Manager bei der
UR GmbH, Amberg und
hat den Beitrag nach
Unterlagen von Gary
Mulcahy, TDI/USA, überarbeitet.
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Wenn die Module eine gemeinsame Last
speisen, dann muss zwischen die Module
ein Stromteiler geschaltet werden, sodass
bei jeder Phase eine gleich große Leistung
abgenommen werden kann. Stromteiler
können aber auch als unerwünschte Verbraucher fungieren, indem sich zu den einzelnen Modulausgängen Impedanzen in
Reihe summieren. Das bewirkt eine ungleichmäßige Stromteilung zwischen den
Modulen,sodass eine Einheit von einem höheren Strom durchflossen wird als die andere, und deren Ausgangsspannung abfällt, bis der Laststrom wieder dem anderer
Einheiten im System entspricht.Wechselweise kann auch eine erzwungene Einleiter-Stromteilung zum Einsatz kommen,
wobei ein separater Leiter zum Informationsaustausch zwischen den Modulen dient,
sodass die Module ihre Ausgangsspannungen zur Gewährleistung der Stromtrennung entsprechend anpassen können.
Einphasenmodule bieten den Vorteil einfacherer und effizienterer Stromrichterkreise, um aber die Leitungsströme vollständig symmetrisch zu gestalten, müssen
die Stromrichter in dreifacher Ausführung
geschaltet werden. Ein gemeinsamer Nenner zwischen geeigneter Dimension eines
einzelnen Netzmoduls und Gesamtsystemlast ist mitunter schwierig zu finden.
Module mit einem Drehstromeingang bieten den Vorteil einfacher Phasenlastverteilung, wobei die Anzahl der Einspeisungen irrelevant ist (wenn eine fehlertolerante
Redundanz erforderlich ist, müssen mindestens zwei Module vorhanden sein).
Drehstrommodule bringen jedoch den
Nachteil erhöhter Komplexität und verminderter Effizienz und Zuverlässigkeit
mit sich. Wenn die Module eine gemeinsame Last speisen, ist ein Stromteiler weiterhin empfehlenswert, um eine ausgeglichene Belastung der parallel geschalteten
Module zu gewährleisten.
Vergleichende Betrachtung
In diesem Zusammenhang sollen hier einige der Gründe betrachtet werden,warum
Drehstrommodule weniger effizient und
zuverlässig sind. Die Effizienz der Strom-
elektronik industrie 7 - 2007
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richter in Schaltnetzteilen hängt von der
Anzahl der Schaltelemente ab, die für die
Realisierung des Wandlers notwendig sind,
sowie von Strom und Spannung,für die diese Schaltelemente ausgelegt sein müssen. Gleichermaßen ist die Zuverlässigkeit
des Wandlers von der Anzahl der erforderlichen Komponenten sowie von der Belastung abhängig, der diese Komponenten
ausgesetzt werden.
In Bild 4 ist ein typischer Einphasenkonverter abgebildet. Die dargestellte Schaltung wird häufig bei Leistungen oberhalb
von 500 W eingesetzt und umfasst zwei
Wandler: einen mit einer Leistungsfaktorkorrektur und einen zweiten zur galvanischen Trennung und zum spannungsbezogenen Lastausgleich.Vom Eingang zum
Ausgang durchfließt der Strom sechs Schaltstufen: Zwei Dioden in der Brückenschaltung am Eingang, entweder den LFK-Transistor oder die Booster-Diode, zwei primäre
DC/DC-Wandlerschaltelemente und einen
der beiden Ausgangsgleichrichter. Für eine
Eingangsspannung von 277 VAC muss die
Bild 4:Typische Schaltung eines Einphasenmoduls
Bild 5: Drei einphasige LFK-Schaltungen mit Anschluss an eine Drehstromleitung
Spannung aller Halbleiterelemente auf
der Primärseite des Transformators mindestens 600 V betragen, um einen zuver-
lässigen Betrieb zu gewährleisten. Die
Schaltung verwendet eine Spitzenbegrenzung mit einem Widerstand und einem
Bypass-Relais. Diese sorgen für die Begrenzung des aus dem Netz gezogenen
Maximalstromes beim erstmaligen Anschluss des Moduls auf ein sicheres Niveau. Bild 4 zeigt darüber hinaus einen
zwischen LFK-Schaltung und Netzversorgung geschalteten typischen EMI-Filter.
Dadurch werden aus dem Gerät in die
Netzversorgung abgestrahlte elektromagnetische Emissionen begrenzt.
An eine Drehstromleitung angeschlossene Einphasenmodule nutzen zusammen
den Vorteil, dass die LFK-Kapazitäten zur
Speicherung der Ausgangsleistung keinen
gemeinsamen Rückgabepunkt haben. Das
ermöglicht eine freie Implementierung
von DC/DC-Wandlern mit Lasttrennung
im System, wovon die Phasenspannung
der Stromleitung gänzlich unberührt bleibt.
Eine der Schwierigkeiten bei der Realisierung einer aktiven Leistungsfaktorkorrektur aus einer Drehstromleitung ist es, ˘
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Bild 6: Drehstormgleichrichter und Filterkondensator
Bild 8: Modifizierter Vienna Converter
Bild 7: Vienna Converter Drehstrom-LFK
Bild 9: Drehstrom-LFK mit nachgeschalteten
Wandlern
einen Kompromiss zwischen der sich ergebenden Ausgangsspannung und der
Bewahrung der netzbezogenen Phasenspannung zu finden. Zu dieser Problemstellung wurde eine recht aufwändige Lösung entwickelt mit drei einphasigen,
parallel verbundenen LFK-Schaltungen,
wodurch diese drei LFK-Schaltungen keine
gemeinsame Ausgangsleitung teilen. Bild 5
zeigt diesen Punkt.
Zur Realisierung eines gemeinsamen
Rückgabepunkts basieren die dreiphasigen LFK-Schaltungen auf dem DrehstromGleichrichterprinzip. Eine dreiphasige Eingangsgleichrichtung ohne LFK ist in Bild 6
dargestellt. Hier beträgt die Ausgangsspannung für diese Schaltung das Zweifache der Leiterspitzenspannung. Im Fall einer Phasenspannung von 208 Veff ergibt
sich eine Ausgangsgleichspannung von
2 x 208 x √2 = 588 VDC. Die Spannungsto-
leranz für die Stromleitung beträgt darüber hinaus ca. ± 10 % oder 530 bis 650 VDC
entsprechend der Abbildung. Das Ergebnis
versteht sich als Hinweis darauf, dass die
Komponenten für alle nachgeschalteten
Wandler für Spannungen von über 700 V
(800 ... 1 000 V wären empfehlenswert)
ausgelegt sein müssen, oder es müssen
mehrere Komponenten für niedrigere Spannungen in Reihe geschaltet werden. Außerdem muss der Isolationsabstand entsprechend der höheren Spannung (über
das einphasige Modulgehäuse) vergrößert
werden. Eine Schaltung dieser Art erfordert
im Vergleich zu einem einphasigen Modul mehr Platz, mehr Komponenten und
setzt die verwendeten Komponenten erhöhten Belastungen aus.
Bei Einsatz einer Schaltung mit LFK ist die
Situation noch schwieriger. Da LFK-Schaltungen eingangsseitig für einen sinusför-
Topologie
3 Einphasenwandler
2 Drehstromwandler
Anzahl der Netzmodule
3
2
Anzahl der LFK-Schalttransistoren
3
6 (Vienna)
12 (Modifizierter Vienna)
Anzahl der LFK-Booster-Dioden
3
12
Anzahl an Eingangsgleichrichterdioden
12
16 (Vienna)
12 (Modifizierter Vienna)
Po/2
Po/3
Nennleistung der LFK-Schaltungen
Anzahl an Energiespeichergeräten mit 400 V
3
4
Anzahl an 600 V DC/DC-Wandlerschaltungen
3
4
Po/2
Po/2
3
6
Nennleistung der DC/DC-Schaltungen
Anzahl der Schaltungen zur Spitzenbegrenzung
Tabelle 1: Vergleich von Einphasen- und Drehstromansatz
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migen Stromverlauf sorgen, ist in der Regel eine Ausgangsspannung erforderlich,
die höher als der Spitzenwert des Eingangssignals ist. Dadurch kommt es zu
unnötig hohen Spannungen.Typische Drehstrom-LFK-Schaltungen werden in den Bildern 7 und 8 dargestellt.Wie aus der Bild 7
ersichtlich, basiert der Vienna Converter auf
der Verbindung zu einem Drehstrom-Sternpunkt und realisiert somit zwei leistungsfaktorkorrigierte Ausgänge in Reihe. Bild 8 zeigt einen Vienna Converter,
der entsprechend abgeändert wurde, um
mit oder ohne Sternpunktanschluss zu
funktionieren. In beiden Fällen müssen
alle nachgeschalteten Wandler für eine
Eingangsspannung ab 800 VDC ausgelegt
sein oder es müssen mehrere Wandler in
Reihe geschaltet werden. Bild 9 zeigt eine
dafür typische Anordnung.
Eine geeignete Analyse besteht in einem
Vergleich, wobei drei Einphaseneinheiten
in einer 2+1-redundanten Anordnung und
zwei Drehstromeinheiten in einer 1+1-redundanten Anordnung geschaltet werden. Tabelle 1 enthält die Ergebnisse dieses Vergleichs. Aus Tabelle 1 geht deutlich
hervor, dass, obwohl sich ein Drehstromeingangsmodul aus Systemsicht zunächst
einfacher darstellt, es doch in der Schaltung
wesentlich aufwändiger ist. Zusätzlich ist
die Realisierung eines Regelkreises für abgewandelte Vienna Converter weitaus
komplexer als für einphasige Module, was
zu hohen Implementationskosten führt.
Bei Ausfall eines Einphasenmoduls werden die sich ergebenden Phasenströme –
entgegen dem Drehstrommodul – gezielt
gegengeregelt.In einer redundanten Strommodulinstallation erhöhen sich die verbleibenden Ausgangsströme der Module,
um den Modulausfall abzufangen. Besondere Sorgfalt muss bei der Umsetzung
dieses Szenarios auf die Dimensionierung
der Leitungen und der Unterbrechungsschalter gelegt werden, die sich auf das
System auswirkende Gesamtlast hinsichtlich Größe und Kosten ist jedoch meist
gering.
( jj)
˘
infoDIRECT
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