Elektrische Maschinen und Antriebe - ReadingSample - Beck-Shop

Viewegs Fachbücher der Technik
Elektrische Maschinen und Antriebe
Lehr- und Arbeitsbuch
Bearbeitet von
Klaus Fuest, Peter Döring
1. Auflage 2004. Taschenbuch. X, 223 S. Paperback
ISBN 978 3 528 54076 0
Format (B x L): 17 x 24 cm
Weitere Fachgebiete > Technik > Energietechnik, Elektrotechnik > Elektrotechnik
Zu Inhaltsverzeichnis
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7.3 Betrachtungen zur Leistungselektronik
147
7.3.3.3 Gesteuerter Brückengleichrichter bei induktiv-ohmscher Last
Die Schaltung nach Bild 7-37 zeigt eine
vollgesteuerte Zweipuls-Brücken-Gleichrichterschaltung B2C mit ohmsch-induktiver Last. Für ohmsche Last ergibt sich das
Liniendiagramm nach Bild 7-38.
U
ωt
Uo
UAV
ωt
U60
UAV
α
Θ
α
Θ
ωt
α=60°
Bild 7-38 Liniendiagramm zu Bild 7-37 bei
ohmscher Last (α = 0°; α = 60°)
Bild 7-37 Vollgesteuerte B2C-Gleichrichterschaltung
mit RL-Last
Bei einem Phasenanschnittwinkel α = 0° ergibt sich die Spannung Uo mit dem
arithmetischen Mittelwert UAV, wie er für eine ungesteuerte B2-Schaltung typisch ist.
Bei einem Phasenanschnittwinkel α = 60° ergibt sich die Spannung U6o mit dem
arithmetischen Mittelwert UAV, der deutlich unter dem Wert für eine ungesteuerte B2Schaltung zurückbleibt. Man kann also über den Anschnittwinkel den Wert der Gleichspannung steuern.
Für eine ohmsch-induktive Last und einem Phasenanschnittwinkel α = 120° ergibt sich
das Liniendiagramm nach Bild 7-39. Der Gleichstrom Id erreicht nicht die Stromkurve
des eingeschwungenen Stromes I und somit ist der Strom im 1. Stromweg bereits erloschen, wenn der 2. Stromweg zündet. Als Folge treten Stromlücken auf, deren Breite
von den Werten der Last und dem Phasenanschnittwinkel abhängen.
U,I
U2
U,I
I
Id
360°
α = 120°
U2
ωt
I = Id
α=ϕ
Bild 7-39 Liniendiagramm B2C-Schaltung mit
α = 120°
ωt
Bild 7-40 Liniendiagramm B2C-Schaltung α = ϕ
Wird der Phasenanschnittwinkel α gleich dem Phasenverschiebungswinkel ϕ , so ergibt
sich ein Liniendiagramm nach Bild 7-40. Der Gleichstrom Id besteht aus Sinusbögen, die
Stromlücken sind auf Null geschrumpft. Eine weitere Verkleinerung der Phasen-
148
7 Elektronische Antriebstechnik
anschnittwinkel führt zur Überschneidung der Stromverläufe, d. h. zum nichtlückenden
(kommutierenden) Betrieb nach Bild 7-41.
Auswahlkriterien:
URRM =
2 · U2 = US
IFAVM =
2 · ID =
periodische Spitzensperrspannung
2 · IL/2 periodischer Spitzendurchlassstrom
Geht der Laststrom von einem Stromweg auf einen anderen Stromweg über, ohne dass
vorher der Strom im abgebenden Ventil Null geworden ist, so bezeichnet man diesen
Vorgang als Kommutierung. Je nach Ursache spricht man von netzgeführten oder lastgeführten Stromrichtern; zusammen bilden sie die Gruppe der fremd geführten Stromrichter.
Die Ausgangsspannung Ud des vollgesteuerten B2-Stromrichters (B2C) hängt nicht nur
vom Phasenanschnittwinkel α, sondern auch von der Lastart ab.
Bei den Lastarten unterscheide man zwischen Widerstandslast, induktiver Last und aktiver Last. Unter aktiver Last ist das Betreiben eines Stromrichters auf eine Gegenspannung (Akkumulator oder induzierte Spannung Uo eines Gleichstrommotors) zu verstehen.
Die lastabhängigen Steuerkennlinien nach Bild 7-42 beschreiben das Verhältnis von gesteuerter Gleichspannung Udα zu ungesteuerter Gleichspannung Udo bei verschiedenen
Lastarten. Man erkennt, dass die Ausgangsspannung Udα bei idealer induktiver Last bei
einem Phasenanschnittwinkel α = 90° zu Null wird. Wird der Phasenanschnittwinkel
α > 90° bei aktiver Last, so geht der B2-Stromrichter (B2C) in den lastgeführten
Wechselrichterbetrieb über. Dieser Vorgang ist wichtig und wird an der M3C-Gleichrichterschaltung erläutert.
I1 /mA
U/V
8
0
20
6
u1
4
Induktive Last
10
i1
2
Widerstandslast
Induktive Last
0
-0,5
0
-2
Aktive Last
-10
-4
-6
-8
-20
0
10
20
30
40
t/ms
50
Bild 7-41 B2C-Schaltung bei α = 0° mit Stromglättung durch
ohmsch-induktive Last
α
-1,0
Θ
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180
0
180 165 150 135 120 105 90 75 60 45 30 15
Bild 7-42 Steuerkennlinien einer B2CSchaltung
Die Gleichspannung errechnet sich
• bei ohmscher Last
U AVα = U diα =
US
π
(1 + cosα ) U AVα = U diα =
• bei ohmsch-induktiver Last
(δ = α → lückfreier Betrieb)
Wechselrichterbetrieb
0,5
Gleichrichterbetrieb
1,0
Udα
Udo
U AV
(1 + cosα )
2
7.3 Betrachtungen zur Leistungselektronik
U AVα = U diα =
149
2U S
U
(cos δ + cosα ) = S 2 cosα
2π
π
U AVα = U diα = U AV cosα
lückender Betrieb, wenn α > ϕ
nicht lückender Betrieb, wenn α ≤ ϕ
Ventilspannung
URRM > 1,1 · k · US
Ventilstrom
IT = IAV / 2
Bild 7-43
Halb gesteuerter Stromrichter
(B2HK)
Halbgesteuerte Stromrichter entsprechend den Schaltungen in Bild 7-43 (B2HK) und in
Bild 7-44 (B2HZ) können nur als Gleichrichter eingesetzt werden, da die Dioden zu
bestimmten Zeiten wie Freilaufdioden wirken, so dass die Polarität der Gleichspannung
Ud nicht negativ werden kann, reduzieren jedoch die Blindleistung um die Hälfte. Für die
Drehzahlsteuerung von Gleichstrommotoren geringer Leistung ohne Nutzbremsung
können diese Schaltungen verwendet werden.
Bild 7-44
Halb gesteuerter Stromrichter
(B2HZ)
Die Gleichspannung (arithmetischer Mittelwert) errechnet sich zu
U AV = U di = 0,9U 2
U
U AVα = U diα = AV (1 + cosα )
2
7.3.3.4 Gesteuerte Dreipulsmittelpunktschaltung bei
induktiv-ohmscher Last
Bei großen Gleichstromleistungen wird der Gleichstrom dem Drehstromnetz entnommen.
Hier sollen nur beispielhaft die M3C-Gleichrichterschaltung (vollgesteuerte Dreipulsmit-
150
7 Elektronische Antriebstechnik
telpunktschaltung) und die vollgesteuerte Sechspulsbrückengleichrichterschaltung (B6C)
besprochen werden.
Bild 7-45 zeigt eine M3C-Schaltung mit ohmsch-induktiver Last an einem Dy-Transformator mit herausgezogenem Sternpunkt. Bei einem Phasenanschnittwinkel α = 0° arbeitet diese Schaltung quasi als ungesteuerter Gleichrichter M3 (Thyristoren durch Dioden
ersetzt).
Es ist immer das Stromventil leitend, dessen Anoden-Katoden-Spannung das positivste
Potenzial besitzt. Bei idealer Stromglättung ergeben sich Stromblöcke mit einer Länge
von 120°, während die Gleichspannung Ud nur eine sehr geringe Welligkeit aufweist.
Bild 7-45
Vollgesteuerte Dreipulsmittelpunktschaltung M3C mit
ohmsch-induktiver Last
Bei rein ohmscher Last können die Thyristoren V1 bis V3 erst 30° nach dem Nulldurchgang der Sternspannungen gezündet werden, da erst dann die Ventilspannungen
positiv werden. Ein Impulssteuergerät muss je Periode drei um 120° phasenverschobene
Impulse an die Gates liefern.
Bei einem Phasenanschnittwinkel α ≤ 30° arbeitet diese Schaltung bei ohmscher Last
nach Bild 7-46 im nichtlückenden Betrieb, bei einem Phasenanschnittwinkel 30° ≤ α ≤
150° dagegen im lückenden Betrieb.
Ud
Ud
180°
30°
360°
ωt
α
30°
α
180°
360°
ωt
150°
Bild 7-46
M3C-Schaltung bei nichtlückendem Betrieb
Bild 7-47
M3C-Schaltung bei lückendem Betrieb
Ist die Induktivität L nach Bild 7-45 ausreichend groß, so wird Id vollständig geglättet
und es treten keine Lücken auf.
Die Gleichspannung errechnet sich
• bei nicht lückendem Betrieb und ohmscher Last für 0° ≤ α ≤ 30°
U AVα = U diα =
3 3 US
2π
cosα = U AV ⋅ cosα
7.3 Betrachtungen zur Leistungselektronik
151
• bei lückendem Betrieb und ohmscher Last für 30° ≤ α ≤ 150°
U AVα = U diα =
3U S
[1 + cos(α + 30°)] = U AV [1 + cos(α + 30°)]
2π
3
• bei ohmsch-induktiver Last und lückfreiem Betrieb
(vollständig geglätteter Strom aufgrund der Glättungsdrossel)
U AVα = U diα =
Auswahlkriterien:
3 US
cosα = U AV ⋅ cosα
2π
URRM = 6 ◊ U S
URRM > 1,1 · k · √6 · US
IFAVM =
periodische Spitzensperrspannung
2 ◊ ID = 2 ◊ IL / 3
periodischer Spitzendurchlassstrom
Bild 7-48 zeigt den Verlauf von Ud (ω t) bei α1 = 0°, α2 = 30°, α3 = 60° und α4 = 90° im
Gleichrichterbetrieb. Die Spannung Udα wird bei α4 = 90° zu Null.
Bei gleicher Richtung von Strom und Spannung wird eine Gleichstrommaschine als
Motor betrieben. Wird der Phasenanschnittwinkel α > 90°, so wird die Spannung Udα
negativ.
Nun kann sich zwar die Spannung Udα umpolen, nicht jedoch der Strom Id aufgrund der
Stromventile. Die Schaltung geht in den Wechselrichterbetrieb über.
Die bestehenden Strom- und Spannungsverhältnisse sind nur möglich, wenn die angeschlossene Last eine aktive Last ist. Bei unterschiedlichen Richtungen von Strom und
Spannung wird die Gleichstrommaschine als Generator betrieben. Die nunmehr von der
Maschine im Bremsbetrieb erzeugte Energie wird ins Netz zurückgespeist (Nutzbremsung).
Die Schaltung funktioniert nur in dieser Weise, wenn weiterhin das Dreistromnetz angeschlossen ist, da durch diese das periodische Schalten der Thyristoren mitbestimmt wird.
Es handelt sich hier um einen netzgeführten Wechselrichter.
Aufgrund der nicht unendlich kurzen Kommutierungszeit und der Freiwerdezeit der
Stromventile kann der Phasenanschnittwinkel nicht auf α = 180° ausgedehnt werden. Bei
Erreichen der sog. Wechselrichtergrenze erlangen die Thyristoren ihre Sperrfähigkeit
nicht rechtzeitig wieder, so dass mehrere Thyristoren gleichzeitig noch leitend sind.
Dieser Umstand soll hier nicht weiter vertieft werden.
Wechselrichterbetrieb
Gleichrichterbetrieb
α = 30°
α = 0°
U
1
30°
2
3
α = 90°
α = 60°
1
2
3
1
α = 150°
α = 120°
2
3
1
2
3
1
ωt
Bild 7-48 Verlauf der Verbraucherspannung bei verschiedenen Phasenanschnittwinkeln und Übergang vom
Gleichrichter- in den Wechselrichterbetrieb
152
7 Elektronische Antriebstechnik
Das Erreichen der Wechselrichtergrenze führt zu einem sprungartigen Verändern der
Ausgangsspannung, wie in Bild 7-48 für α = 165° dargestellt ist.
Dieser Vorgang wird Wechselrichterkippen genannt. Der maximale Anschnittwinkel
wird häufig auf αmax = 150° durch den Betreiber eingestellt.
Udα
UL2N
U L1N
UL3N
ωt
α = 120°
120°
135°
150°
165°
Bild 7-49
Fremdgeführter Wechselrichterbetrieb mit Kippvorgang bei α = 165°
7.3.3.5 Gesteuerte Drehstrombrückenschaltung bei induktiv-ohmscher Last
Die vollgesteuerte Sechspulsbrückenschaltung B6C nach Bild 7-50 ist auch hinsichtlich
Welligkeit und Transformatortypenleistung vorteilhafter als die M3C-Schaltung. Da hier
ein Sternpunkt nicht erforderlich ist (in der Schaltung nach Bild 7-45 führt er den
gesamten Strom Id) wird diese Schaltung bei höheren Leistungen fast immer verwendet.
Bild 7-50
Vollgesteuerte B6C-Schaltung
mit ohmsch-induktiver Last
Die lastabhängige Steuerkennlinie eines B6C-Stromrichters zeigt Bild 7-51. Die Steuerkurven bei rein induktiver bzw. ohmscher Last liegen in weiten Bereichen übereinander.