ENERGIETECHNISCHESPRAKTIKUM I Versuch 9: Wechselrichter

ENERGIETECHNISCHES PRAKTIKUM I
Versuch 9:
Wechselrichter mit Pulsdauermodulation
1 EINLEITUNG.......................................................................................................2
2 PULSDAUERMODULATION BEI SPANNUNGSSTEUERUNG...................................5
3 LITERATUR ........................................................................................................9
4 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG ............................................................................10
4.1 Zeitunabhängige und dreiecksförmige Steuerspannung ............................................... 10
4.1.1 Idealer Schalter .................................................................................................... 10
4.1.2 Lastverhalten........................................................................................................ 10
4.2 Sinusförmige Pulsdauermodulation .............................................................................. 10
4.2.1 Transistor- und Diodenströme ............................................................................. 10
4.2.2 Modulationsgrad .................................................................................................. 11
4.2.3 Grundfrequenztaktung ......................................................................................... 12
4.2.4 Stromschwankung................................................................................................ 12
5 ÜBERSICHT ÜBER EINIGE PSPICE BEFEHLE ...................................................13
5.1 Schematics..................................................................................................................... 13
5.2 Probe.............................................................................................................................. 13
1 Einleitung
2
4X][TXcd]V
Wechselrichter dienen zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung. Sie
werden eingesetzt, wenn zur Speisung eines Wechselstromverbrauchers nur eine
Gleichspannungsquelle zur Verfügung steht, z. B. eine Batterie, oder wenn die
Wechselspannung des Netzes in eine Wechselspannung anderer Frequenz, Amplitude oder
Phasenzahl umgerichtet werden soll. Der Wechselrichter muß dann mit einem Gleichrichter
zusammengeschaltet werden. Die Gesamtschaltung bezeichnet man als Umrichter. Die
gleichstromführende Verbindung von Gleich- und Wechselrichter nennt man Zwischenkreis.
Im Zwischenkreis muß ein Filter für die Glättung der Gleichgrößen sorgen. Bild 1 zeigt einen
solchen Umrichter. Das Zwischenkreisfilter besteht hier aus einem Kondensator. Die
Eingangsspannung des Wechselrichters ist eine weitgehend konstante Gleichspannung Udc .
Er wird deshalb als spannungseinprägender Wechselrichter (oder U-Wechselrichter)
bezeichnet.
Bild 1.1:
Drehstromantrieb mit spannungseinprägendem Umrichter
In Bild 1.1 wird aus der zweiphasigen Netzwechselspannung wieder eine dreiphasige
Wechselspannung erzeugt. Da die Frequenz der erzeugten Wechselspannung frei einstellbar
ist, eignet sich dieser Umrichter zur Speisung drehzahlverstellbarer Drehstromantriebe.
Hierbei ist besonders die Verwendung der einfachen und robusten Asynchronmaschine
interessant, die damit anstelle einer Gleichstrommaschine in drehzahlverstellbaren Antrieben
eingesetzt werden kann [1]
Da die Asynchronmaschine stets ein induktives Verhalten hat, ist sie nicht in der Lage, die
Führung des Wechselrichters zu übernehmen. Sie kann nicht wie eine übererregte
Synchronmaschine oder ein kapazitiv wirkendes Netz die von einem last- oder netzgeführten
Stromrichter benötigte induktive Blindleistung zur Verfügung stellen. Der maschinenseitige
Stromrichter in Bild 1.1 muß ein selbstgeführter Stromrichter sein, d. h. seine steuerbaren
Ventile müssen zünd- und löschbar sein. Hierfür kommen Transistoren, IGBTs, GTOThyristoren und Thyristoren (die nur zündbar sind) mit Löscheinrichtung in Frage.
Die Drehzahl einer Asynchronmaschine ist im sinnvollen Betriebsbereich näherungsweise
proportional zur Speisefrequenz geteilt durch die Polpaarzahl:
N ≈ fs / p .
1 Einleitung
3
Um im gesamten Drehzahlbereich maximales Drehmoment zu ermöglichen, muß der Fluß in
der Maschine immer so groß wie möglich gehalten werden. Dazu ist die Amplitude der
speisenden Wechselspannung im Grunddrehzahlbereich etwa proportional zur Speisefrequenz
zu verstellen:
Uˆ s ~ f s .
Eine sinusförmige Wechselspannung mit frei einstellbarer Amplitude kann der
spannungseinprägende Wechselrichter natürlich nicht liefern. Da sich der Strom in der
Asynchronmaschine durch die Streuinduktivitäten bedingt aber nicht sehr schnell ändern
kann, genügt es, der Maschine durch schnelles Takten des Wechselrichters eine nur "im
Mittel" sinusförmige Spannung zur Verfügung zu stellen. Der Wechselrichter wird dann als
Pulswechselrichter bezeichnet. Mit dem Verfahren der Pulsdauermodulation PDM (auch
als Pulsweitenmodulation (PWM) bezeichnet) gelingt es, eine in Frequenz und Amplitude
einstellbare Grundschwingung zu erzeugen, mit der die Asynchronmaschine im gesamten
Drehzahlbereich gespeist wird. Durch die Filterwirkung der Streureaktanzen in der Maschine
haben die Oberschwingungen nur geringen Einfluß.
In diesem Versuch sollen das Prinzip der sinusförmigen Pulsdauermodulation erklärt und ihre
Realisierung und Eigenschaften untersucht werden.
Der in Bild 1.1 gezeigte Pulswechselrichter wird so gesteuert, daß jede Zuleitung zur
Maschine entweder mit dem positiven oder dem negativen Pol des Zwischenkreises
verbunden wird. Für die Untersuchung des Steuerverfahrens kann der Wechselrichter in
einem Ersatzschaltbild Bild 1.2 durch ein Schaltermodell beschrieben werden, das aus einem
Umschalter für jede Leitung zur Maschine besteht.
Bild 1.2:
Ersatzschaltbild des Antriebes mit Asynchronmaschine und spannungseinprägendem Wechselrichter
Die Asynchronmaschine wird durch Induktivitäten und Gegenspannungen ersetzt. Die
Wechselrichtereingangsspannung Udc wird auf zwei konstante Gleichspannungsquellen Uq
aufgeteilt.
Für die Untersuchung des Prinzips der sinusförmigen Pulsdauermodulation genügt die
einphasige Betrachtung. Im Versuch wird ein Wechselrichterzweigpaar mit einer R-L-Last
untersucht Bild 1.3 Spannungen und Ströme des dreiphasigen Wechselrichters können durch
Überlagerung der einphasigen Größen bestimmt werden. Dabei ist zu beachten, daß durch
1 Einleitung
4
drei teilbare Teilschwingungen der Spannung keine Ströme in der Maschine zur Folge haben,
wenn deren Sternpunkt nicht angeschlossen ist.
Bild 1.3:
Einphasiger Wechselrichter
Der Schalter S repräsentiert ein Wechselrichterzweigpaar. Dieses besteht aus 2 abschaltbaren
Halbleitern und 2 Rückarbeitsdioden (siehe auch Bild 1.1). Je nach Stellung des Schalters ist
die Spannung an der Last Us = +Uq oder Us = -Uq. Hierdurch wird der Strom Is in der Last
auf- oder abgebaut (Bild 1.4).
Bild 1.4:
Darstellung der Schaltzustände des Wechselrichters
b) Is fällt
a) Is wächst
Die Entscheidung, ob Schalterstellung a oder b vorliegen soll, wird durch eine Steuerung oder
durch eine Regelung festgelegt.
2 Pulsdauermodulation bei Spannungssteuerung
5
! ?d[bSPdTa\^Sd[PcX^]QTXB_P]]d]VbbcTdTad]V
Bei der sogenannten Spannungssteuerung besteht die Aufgabe des Pulswechselrichters mit
seiner Steuerung darin, die konstante Eingangsspannung so in bipolare Pulse
unterschiedlicher Dauer umzurichten, daß die Amplitude und die Frequenz der dabei
auftretenden Spannungsgrundschwingung beliebig vorzugebende Werte annehmen. Die
zusätzlich auftretenden Oberschwingungen sollen hierbei auf die angeschlossene Last eine
geringe Wirkung ausüben. Bezüglich des Stromes wirkt sich besonders vorteilhaft aus, daß
die Last im allgemeinen eine Induktivität enthält und daher wie ein Tiefpaßfilter wirkt. Bei
gegebener Grundschwingung reduziert sich der störende Oberschwingungsstrom mit der
Anzahl der dauermodulierten Pulse je Periode, da die am stärksten störenden
Oberschwingungen Frequenzen haben, die ungefähr gleich der Schaltfrequenz des Schalters
sind. Je größer der Abstand zwischen Grund- und Schaltfrequenz ist, desto besser ist die
Filterwirkung der Last.
Um eine mögliche Erzeugung einer geeigneten Schaltfunktion s(t) zu zeigen, ist Bild 1.3
erweitert worden (Bild 2.1).
Bild 2.1:
Wechselrichter für Pulsdauermodulation mit Schaltfunktion s(t)
Die Schaltfunktion s(t) wird bei dieser Steuerung, die Natural Sampling genannt wird,
dadurch gebildet, daß eine Dreiecksfunktion konstanter Amplitude sD mit einer Sinusfunktion
s~ verglichen wird
s ~ (t ) > s ∆ (t )
⇒
s (t ) = 1
⇒
Us = +Uq ,
s ~ (t ) < s ∆ (t )
⇒
s (t ) = 0
⇒
Us = −Uq .
2 Pulsdauermodulation bei Spannungssteuerung
Bild 2.2:
6
Pulsdauermodulation nach dem Natural-Sampling Verfahren
Modulationsgrad m = 0,8; Taktzahl zT = 10
Die Sinusfunktion wirkt dabei als Referenzsignal für die Amplitude 1Ûs und die Frequenz
fs = 1/T der gewünschten Grundschwingung am Wechselrichterausgang. Solange die
Amplitude der Sinusfunktion s~ die der Dreiecksfunktion sD nicht überschreitet, gilt
Uˆ s = U q ⋅ s ~ / s ∆ .
1
Hierbei wird das Verhältnis der Signalamplituden als Modulationsgrad m = s~/sD
bezeichnet. Die Frequenz der Dreiecksfunktion ist gleich dem Mittelwert der Wechselrichterschaltfrequenz: f = f Sch . Das Verhältnis der Schaltfrequenz zur Grundfrequenz wird als
Taktzahl zT bezeichnet (zT = f Sch /f s = f /f ~ ) .
Erhöht man die Amplitude der Sinusfunktion auf Werte größer als die Amplitude der
Dreiecksfunktion, so wird der Modulationsgrad m > 1; man spricht von Übermodulation. In
diesem Bereich fallen Schnittpunkte der beiden Funktionen weg, d.h., es finden weniger
Umschaltungen statt und es verringert sich die Taktzahl (zT = f Sch /f s < f /f ~ ) .
Im Grenzfall wird nur noch zweimal pro Periode umgeschaltet. Man spricht dann von
Grundfrequenztaktung. Die Spannungsamplitude 1Ûs erreicht hierbei ein Maximum und
beträgt 1Ûs = (4/p) Uq (Bild 2.3).
2 Pulsdauermodulation bei Spannungssteuerung
Bild 2.3
7
Spannung Us an der Last und ihre Grundschwingung bei Grundfrequenztaktung
Die auf die Spannung Uq bezogene Amplitude der Grundschwingung der Lastspannung 1Ûs
als Funktion des Modulationsgrades m ist im Bild 2.4 für zT “ Š zu sehen.
Im Modulationsbereich m < 1 besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der Grundschwingungsamplitude und dem Modulationsgrad. Im Bereich der Übermodulation verläuft
die Spannungsamplitude asymptotisch gegen den Grenzwert, der bei Grundfrequenztaktung
auftritt.
Bild 2.4
Grundschwingung der Ausgangsspannung als Funktion des Modulationsgrades
m (zT “ Š)
2 Pulsdauermodulation bei Spannungssteuerung
8
Bei sehr kleinen Taktzahlen zT < 9, die hier nicht näher untersucht werden, kann eine von
Bild 2.1 abweichende Pulsbildung günstiger sein, da Schalt- und Grundfrequenz nahe
beieinander liegen und deshalb die Filterwirkung der Last nicht mehr sehr gut ist. Es werden
in der Regel feste Pulsmuster bzw. deren Schaltwinkel benutzt. Die Schaltmuster können
dabei nach bestimmten Kriterien optimiert werden. Man kann zum Beispiel die
Umschaltwinkel so festlegen, daß minimale Verluste durch die Oberschwingungen auftreten.
Für die Spannungssteuerung mit der PDM gibt es integrierte Schaltkreise (ICs), die alle
Schaltfunktionen der PDM für den Betrieb einer Asynchronmaschine am Pulswechselrichter
liefern [2]. Mit diesen ICs kann eine Steuerung sehr leicht aufgebaut werden. Da die
~
Grundschwingung der Spannung 1U s , f s bei einer gesteuerten PDM eindeutig festgelegt
~
~
werden kann, läßt sich der Fluß, der der Beziehung Φ ~ 1U s /f s genügt, beliebig vorgeben.
Man kann daher die Asynchronmaschine ohne Rückführung am U-Wechselrichter betreiben.
Ebenso ist der Parallellauf mehrerer Maschinen ohne weiteres möglich.
(
)
3 Literatur
9
" ;XcTaPcda
[1]
H.-Ch. Skudelny, "Stand und Entwicklungstendenzen
Drehstromantriebe", etz, Bd. 102 (1981), H. 22, S. 1150-1154
drehzahlgeregelter
[2]
H.W. Lütgens, "Frequenzumrichter mit sinusbewerteter Pulsdauermodulation für die
Steuerung 3-phasiger Asynchronmaschinen 0..200 Hz", Feinwerktechnik & Meßtechnik 88
(1980) 4, S. 183-188
4 Versuchsdurchführung
10
# ETabdRWbSdaRWUWad]V
Der Versuch wird mit Hilfe von PSpice V8 simuliert. Mit diesem Simulationsprogramm ist es
möglich das elektrische Verhalten von Schaltungen am Rechner zu simulieren. Es besteht im
wesentlichen aus zwei Programmteilen. Schematics dient zur Eingabe der zu untersuchenden
Schaltung. Sie kann wie bei einem Layoutprogramm gezeichnet werden.
Der Programmteil PSpice Probe dient zur Ausgabe und Darstellung aller Signale der
Schaltung. Probe verhält sich ähnlich wie ein Speicheroszilloskop. Es bietet eine flexible und
übersichtliche Darstellungsmöglichkeit aller Spannungen und Ströme. Die Bedienung des
Programms wird während des Versuchstermins erklärt. Eine Kurzübersicht der Befehle
befindet sich in Kapitel 5.
#
4.1.1
ITXcd]PQWx]VXVTd]SSaTXTRZbUˆa\XVTBcTdTab_P]]d]V
Idealer Schalter
Öffnen Sie PSpice V8 Schematics und laden Sie „Versuch Schalter“. Die Amplitude der
Dreieckspannung ist auf 10 V und ihre Frequenz auf 500 Hz eingestellt. Stellen Sie bei
verschiedenen Werten der zeitunabhängigen Spannung (Vst-gleich), einzustellen unter
„Parameters: Ug“, die Schaltfunktion hinter dem Komparator dar. Untersuchen Sie die
Funktionsweise der Schaltung!
4.1.2
Lastverhalten
Laden Sie „Versuch Lastverhalten“. Untersuchen Sie bei verschiedenen Werten der Last
(RLast und LLast), das Verhalten der Schaltung. Welche Werte für R und L ergeben einen
Mittelwert des Stromes von 10 A mit einer überlagerten Wechselstromamplitude von 1 A
(Spitze-Spitze) bei einem Modulationsgrad von m = 0,5 im eingeschwungenen Zustand.
R=
#!
4.2.1
L=
BX]dbUˆa\XVT?d[bSPdTa\^Sd[PcX^]
Transistor- und Diodenströme
Laden Sie „Versuch Ströme“. Stellen Sie die GTOströme I(GTOS1) und I(GTSO2), und die
Diodenströme I(DS1) und I(DS2), sowie den Strom in der Last dar. Untersuchen Sie durch
welche Bauteile bei gegebenem Vorzeichen von Lastspannung und -strom leiten und tragen
Sie die Ergebnisse in die Tabelle 4.1 ein.
ULast > 0
ILast > 0
ILast < 0
Tabelle 4.1:
Leitzustände der Halbleiterschalter
ULast < 0
4 Versuchsdurchführung
4.2.2
11
Modulationsgrad
Laden Sie den „Versuch Modulation“. Zu untersuchen ist die Abhängigkeit der Grundschwingungsamplitude 1 Iˆs vom Modulationsgrad für fs = 10 Hz, f∆ = 500 Hz und
m = 0; 0,25; 0,5; 0,75; 1; 1,5; 2 und 3. Die Abhängigkeit ist in der folgenden Tabelle und im
Diagramm einzutragen. Erläutern Sie die Unterschiede zwischen dem Spitzenwert des
kurzeitgemittelten Laststrom Iˆsm (zu messen mit "Cursor" in Probe) und der Grundschwingungsamplitude 1 Iˆ (zu finden im OUT-File in Schematics unter Analysis/Examines
Outfile).
m
0
IˆS / A
0
IˆS / A
0
1
0,25
0,5
0,75
1,0
1,5
2,0
3,0
Tabelle 4.2:
Grundschwingungsamplitude in Abhängigkeit des Modulationsgrades
Bild 4.1:
Grundschwingungsamplitude in Abhängigkeit des Modulationsgrades
4 Versuchsdurchführung
4.2.3
12
Grundfrequenztaktung
Ermitteln Sie den Modulationsgrad, bei dem der Übergang zur Grundfrequenztaktung
beginnt. (fs = 10 Hz und 25 Hz, f∆ = 500 Hz). Stellen Sie den Laststrom I(L1) im
Übermodulationsbereich dar. Lesen Sie die Grundschwingungskomponenten des Laststromes
1ˆ
I s aus dem 'OUT-File'. Die 'Center frequency' muß (unter Analysis/Setup/Transient) an die
Grundschwingung angepaßt werden.
m
1
Iˆs /A
fs = 10 Hz
fs = 25 Hz
Tabelle 4.3:
4.2.4
Übergang zur Grundfrequenztaktung
Stromschwankung
Untersuchen Sie die Abhängigkeit der Stromschwankung ∆Is für Is = Iˆs , fs = 10 Hz und
m = 0,5 von der Schaltfrequenz fSch. Reduzieren Sie hierzu die maximale Schrittweite bei
Frequenzen über 500 Hz (unter Analysis/Setup/Transient/Step Ceiling) auf 0.01 ms.
Überlegen Sie warum das nötig ist.
f Sch /kHz
0,5
1,0
1,5
2,0
I s /mA
Tabelle 4.4:
Stromschwankung in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz
5 Übersicht über einige PSpice Befehle
$ tQTabXRWcQTaTX]XVT?B_XRT1TUTW[T
$
BRWT\PcXRb
File/Open
Lädt eine neue Simulation (Schaltung)
Analysis/Simulate oder F11 startet die Simulation
Analysis/Setup
Art der Simulation
unter Transient/Step Ceiling kann man
die max. Schrittweite einstellen
unter Transient/Fourier kann eine Fourieranalyse gestartet
werden. Die Ergebnisse liegen im OUT-File
Analysis/Examine Output
Anzeige des OUT-Files.
(Am Ende erscheinen z. B. die Fourier Komponenten)
Draw/Get_New_Part
oder Strg-G
neues Bauteil auswählen
Draw/Wire oder Strg-W
Bauteile verbinden
Edit/Attributes oder
Doppelklick auf Bauteil
Einstellung von Parametern
$!
?a^QT
View/Area oder Ctrl+A
Vergrößert Bildausschnitt
View/Fit oder Ctrl+N
Normaler Bildausschnitt
Trace/Fourier
Fourieranalyse der Kurve
Tools/Cursor/Display
Cursor zum Anfahren von
verschiedenen Punkten auf der Kurve
Trace/Add
Menü zur Auswahl der darzustellenden
Meßwerte
Plot/Add Plot
neues Koordinatensystem zur Darstellung
von Meßwerten
Plot/X bzw. Y Axis Settings Einstellung von X bzw. Y Achse, z. B den
Wertebereich, lineare oder log Teilung
Tools/Display_control
Mark_data_points
die tatsächlich simulierten Punkte darstellen
13