Grundlagen der Leistungselektronik
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1 - Grundlagen der Leistungselektronik Grundlagen der Leistungselektronik gllt01q01 1 1 - Grundlagen der Leistungselektronik Impressum An dieser Qualifizierungseinheit haben mitgewirkt Herausgeber: IHK für Oberfranken Bahnhofstr. 23-27 95444 Bayreuth Inhaltliche Konzeption: ets GmbH, Halblech ihk.online&medien.gmbh, Bayreuth Produktion/ Umsetzung: ihk.online&medien.gmbh, Bayreuth Redaktionelle Betreuung: Andrea Nüssel, ihk.online&medien.gmbh Claudia Hohdorf, ets Halblech Rechte: Copyright© ets GmbH, Halblech. Alle Rechte vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form (durch Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren) ohne schriftliche Genehmigung des Herausgebers reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Auch die Rechte der Wiedergabe durch Vortrag, Funk und Fernsehen sind vorbehalten. Text, Abbildungen und Programme wurden mit größter Sorgfalt erarbeitet. 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Diese Erklärung gilt für alle in diesem Lerninhalt ausgebrachten Links und für alle Inhalte der Seiten, zu denen Links oder Banner führen. gllt01q01 2 1 - Grundlagen der Leistungselektronik Impressum.......................................................................................................................................... 2 Firmenvorstellung.............................................................................................................................. 4 Fallstudie ............................................................................................................................................ 5 Leitfragen............................................................................................................................................ 6 1.0 Kapitelübersicht........................................................................................................................... 7 1.1 Blockschaltplan eines Netzteiles ...................................................................................... 8 1.2.0 Der Netztransformator (1) ............................................................................................... 9 1.2.1 Der Netztransformator: Aufbau und Prinzip (2).......................................................... 10 1.3.0 Die Zweipuls-Brückenschaltung B2 (1) ....................................................................... 14 1.3.1 Arbeitsweise der Zweipuls-Brückenschaltung (2) ..................................................... 15 1.3.2 Arbeitsweise der Zweipuls-Brückenschaltung (3) ..................................................... 16 1.3.3 Arbeitsweise der Zweipuls-Brückenschaltung (4) ..................................................... 17 1.4.0 Bauformen von Brückengleichrichtern (1) ................................................................. 18 1.4.1 Brückenschaltung mit Ladekondensator (2) .............................................................. 20 1.4.2 Brückenschaltung mit Ladekondensator (3) .............................................................. 21 1.5.0 Siebschaltungen (1)....................................................................................................... 23 1.6.0 Spannungsstabilisierung mit Z-Diode (1) ................................................................... 26 1.6.1 Spannungsstabilisierung mit Z-Diode (2) ................................................................... 27 1.6.2 Spannungsstabilisierung mit Z-Diode (3) ................................................................... 29 1.6.3 Spannungsstabilisierung mit Z-Diode (4) ................................................................... 31 1.6.4 Spannungsstabilisierung mit Z-Diode (5) ................................................................... 32 1.7.0 Spannungsstabilisierung mit Regelverstärkern (1) ................................................... 33 1.7.1 Spannungsstabilisierung mit Regelverstärkern (2) ................................................... 35 1.8 Stabilisierungsschaltungen mit integrierten Spannungsreglern ................................ 37 1.9.0 Festspannungsregler (1)............................................................................................... 38 1.9.1 Festspannungsregler (2)............................................................................................... 39 1.10 24-V-Netzteil mit stabilisierter Ausgangsspannnung ................................................. 40 1.11 Einstellbare Spannungsregler....................................................................................... 41 2.0 Kapitelübersicht......................................................................................................................... 42 2.1 Gleichstromsteller: Funktionsprinzip............................................................................. 43 2.2 Gleichstromsteller mit Transistoren............................................................................... 44 2.3 Gleichstromsteller mit Thyristoren................................................................................. 45 2.4.0 Ansteuerungsarten für Gleichstromsteller (1)............................................................ 46 2.4.1 Ansteuerungsarten für Gleichstromsteller (2)............................................................ 47 3.0 Kapitelübersicht......................................................................................................................... 48 3.1 Wechselstromsteller: Funktionsprinzip ......................................................................... 49 3.2.0 Phasenanschnittsteuerung mit einem Triac (1) ......................................................... 50 3.2.1 Phasenanschnittsteuerung mit einem Triac (2) ......................................................... 51 3.3 Drehzahlsteuerung beim Universalmotor ...................................................................... 52 3.4 Phasenabschnittsteuerung ............................................................................................. 53 3.5.0 Schwingungspaketsteuerung (1) ................................................................................. 54 3.5.1 Schwingungspaketsteuerung (2) ................................................................................. 55 3.6.0 Wechselrichter (1).......................................................................................................... 56 3.6.1 Wechselrichterprinzip: Spannungs- und Stromverlauf (2)........................................ 57 4.0 Kapitelübersicht......................................................................................................................... 58 4.1 Betriebsarten elektrischer Antriebe................................................................................ 59 4.2 Vierquadranten-Diagramm .............................................................................................. 60 4.3 Zweiquadranten-Betrieb am Beispiel eines Aufzugs.................................................... 61 4.5.0 Frequenzumrichter mit Gleichspannungszwischenkreis (1) .................................... 65 4.5.1 Frequenzumrichter mit Gleichspannungszwischenkreis (2) .................................... 66 4.6 Stromrichterantriebe mit Gleichstrommotor ................................................................. 67 4.7 Industrieller Stromrichter ................................................................................................ 70 Trainingsaufgabe 1 .......................................................................................................................... 72 Trainingsaufgabe 2 .......................................................................................................................... 73 Trainingsaufgabe 3 .......................................................................................................................... 74 Bearbeitung der Fallstudie ............................................................................................................. 75 Vereinfachtes Technologieschema .......................................................................................... 82 Brückengleichrichter - Vergleichsliste .................................................................................... 84 gllt01q01 3 1 - Grundlagen der Leistungselektronik Firmenvorstellung Einleitung Firmenchronik: Die Firma Automatico ist eine traditionsreiche Firma mit langjähriger Erfahrung auf dem Gebiet der Automatisierungstechnik. Sie entstand aus einem Familienbetrieb, der sich mit Maschinen für die Blechumformung befasste. Anfang 1995 wurde auf die stark wachsende Automatisierungstechnik mit der Suche nach Vertriebspartnern reagiert. Heute beschäftigt die Firma Automatico 60 Mitarbeiter, die für viele metallverarbeitende Branchen Automatisierungsmöglichkeiten konstruieren und umsetzen. Produktgeschichte: Von einem reinen Maschinenbauunternehmen entwickelte sich die Automatico in den 90er Jahren zu einer mittelständischen Automatisierungsfirma, was auch zur Umbenennung in den jetzigen Namen führte. Nicht zuletzt bescherte der Wunsch nach mehr Automatisierung der Firma eine große Anzahl neuer Kunden. Schon bei der ersten Herstellung von Blechbearbeitungsmaschinen lag der Firmenschwerpunkt auf der Automatisierung von Fertigungsabläufen der Blechbearbeitung. gllt01q01 4 1 - Grundlagen der Leistungselektronik Fallstudie Einleitung Sprecher: In der Firma Automatico ist am Morgen ein Transportband ausgefallen. Dadurch kommt es zu Verzögerungen im Arbeitsprozess. Bernd Wolf, ein Auszubildender, informiert sich bei seinem Ausbilder, Herrn Huber. Huber: ...das Transportband wird von einem 24-Volt-Gleichstrommotor angetrieben. Wolf: Wissen Sie denn schon, wo das Problem liegen könnte? Huber: Erste Messungen haben ergeben, dass am Ausgang des Netzteils für die Ansteuerung des Motors keine Spannung anliegt. Wolf: Und warum wird dann nicht einfach das Netzteil ausgetauscht? Huber: Wir haben momentan keines im Haus. Daher heißt es jetzt: Fehler genau lokalisieren und beheben. Die Produktion muss weiter laufen. Komm am besten gleich mal mit. gllt01q01 5 1 - Grundlagen der Leistungselektronik Leitfragen Einleitung Die hier zusammengestellten Leitfragen, sollen Ihnen den Einstieg in die Qualifizierungseinheit ermöglichen. Nehmen Sie sich die Zeit und notieren Sie jetzt bitte ganz spontan, was Ihnen als Antwort einfällt. Verwenden Sie das vorbereitete Antwortdokument zur Beantwortung der Fragen. Sie finden das Antwortdokument in den Anlagen am Ende des Skripts. gllt01q01 6 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1.0 Kapitelübersicht 1 Stromversorgung elektronischer Geräte Kapitelbezogene Eingangsfragen: Aus welchen Funktionsbaugruppen besteht ein Netzteil? Wie kann die Ausgangsspannung eines Gleichrichters geglättet werden? Themen: 1.1__Blockschaltplan eines Netzteiles 1.4.1 Brückenschaltung mit Ladekondensator (2)-(3) 1.2.0 Der Netztransformator (1) 1.5.0 Siebschaltungen (1)-(2) 1.2.1 Der Netztransformator: Aufbau und Prin- 1.6.0 Spannungsstabilisierung mit Z-Diode (1)zip (2) (5) 1.2.2 Der Netztransformator: Spannungs- und 1.7.0 Spannungsstabilisierung _____Stromübersetzung (3) _____mit Regelverstärkern (1)-(2) 1.3.0 Die Zweipuls-Brückenschaltung B2 (1) 1.3.1 Arbeitsweise der _____Zweipuls-Brückenschaltung (2)-(4) 1.8__Stabilisierungsschaltungen mit integrierten _____Spannungsreglern 1.9.0 Festspannungsregler (1)-(2) 1.4.0 Bauformen von Brückengleichrichtern (1) 1.10__24-V-Netzteil mit stabilisierter ______Ausgangsspannnung 1.11__Einstellbare Spannungsregler gllt01q01 7 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1.1 Blockschaltplan eines Netzteiles 1 Stromversorgung elektronischer Geräte Zum Betrieb elektronischer Baugruppen und Geräte sind in der Regel Gleichspannungen bzw. Gleichströme erforderlich. Sie werden meistens mit Hilfe eines Netzteils aus dem 230V- bzw. dem 400V-Wechselstromnetz gewonnen. Beim klassischen Netzteil erfolgt die Energieaufbereitung z.B. in folgenden Stufen: Berühren Sie mit der Maus die orange farbigen Begriffe, um weitere Informationen zu erhalten. Transformator: Die Sekundärspannung des Transformators bildet die Betriebsspannung für die nachfolgende Gleichrichterschaltung. Meistens benötigt man kleinere, manchmal aber auch höhere Spannungen. Gleichrichter: Die Wechselspannung, die auf der Sekundärseite des Transformators zur Verfügung steht, wird mit Gleichrichtern in eine Gleichspannung umgewandelt. Wesentliche Bestandteile von ungesteuerten Gleichrichtern sind Dioden, die wie Ventile wirken und bei entsprechender Polung den Strom durchlassen oder unterbinden. Glättung: Die hinter den Gleichrichtern verfügbare Gleichspannung ändert zwar ihre Polarität nicht, sie schwankt aber in ihrer Amplitude noch sehr stark. Sie wird mit Hilfe eines Ladekondensators geglättet. Siebung: Durch eine Nachschaltung von RC- oder LC-Siebgliedern wird die Qualität der Gleichspannung weiter verbessert. Die am Ausgang solcher Siebglieder verfügbare Gleichspannung eignet sich zum Speisen vieler elektronischer Geräte. Stabilisierung: Oft müssen Spannungen unabhängig von den Schwankungen der Netzspannung und unabhängig von den Laststromänderungen konstant sein. In solchen Fällen muss man sie mit elektronischen Schaltungen stabilisieren. gllt01q01 8 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1.2.0 Der Netztransformator (1) 1 Stromversorgung elektronischer Geräte gllt01q01 9 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1 Stromversorgung elektronischer Geräte 1.2.1 Der Netztransformator: Aufbau und Prinzip (2) Ein Transformator besteht im Wesentlichen aus zwei Spulen auf einem gemeinsamen Kern aus magnetisierbarem Material, z.B. Eisen. Der Eisenkern ist zur Unterdrückung von Wirbelströmen aus gegeneinander isolierten Blechen zusammengesetzt. Die Eingangswicklung des Transformators wird auch Primärwicklung, die Ausgangswicklung auch Sekundärwicklung genannt. Der Eingangswicklung führt man durch eine Wechselspannung elektrische Energie zu. Diese Energie wird über den magnetischen Fluss an den Eisenkern weitergegeben. Dadurch wird in der Ausgangswicklung eine Spannung induziert, welche die gleiche Frequenz wie die Eingangsspannung hat. gllt01q01 10 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1 Stromversorgung elektronischer Geräte 1.2.2 Der Netztransformator: Spannungs- und Stromübersetzung (3) Die Eingangswicklung des Transformators wird auch Primärwicklung, die Ausgangswicklung auch Sekundärwicklung genannt. unbelasteter Transformator gllt01q01 Beim unbelasteten Transformator ist das Verhältnis der Spannungen gleich dem Verhältnis der Windungszahlen. Das Verhältnis der Eingangsspannung zur Ausgangsspannung wird dabei als das Übersetzungsverhältnis ü bezeichnet. 11 1 - Grundlagen der Leistungselektronik Aufgabe zur Spannungstrans- Ein Netztransformator mit der Eingangsspannung 230V hat auf formation der Primärseite 950 Windungen. Die Ausgangsspannung soll 46V betragen. Welche Windungszahl muss die Sekundärwicklung haben? belasteter Transformator Beim belasteten Transformator verhalten sich die Ströme umgekehrt wie die Windungszahlen. Da ein realer Transformator auch im Leerlauf primärseitig einen Strom aufnimmt, gelten diese Gleichungen nur näherungsweise. gllt01q01 12 1 - Grundlagen der Leistungselektronik Aufgabe zur Stromtransformation Ein Transformator hat einen Eingangsstrom von 0,4A. Die Eingangswicklung hat 1200, die Ausgangswicklung 150 Windungen. Wie groß ist der Strom auf der Ausgangsseite? Beantworten Sie diese Frage in dem Dokument "Aufgabe zur Stromtransformation" aus der Dokumentenbox! gllt01q01 13 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1 Stromversorgung elektronischer Geräte 1.3.0 Die Zweipuls-Brückenschaltung B2 (1) Die Zweipuls-Brückenschaltung B2 lässt sich an einen Standardtransformator oder auch direkt an das 230V-Netz anschließen, sofern keine Spannungstransformation notwendig ist. Es werden beide Halbwellen der Eingangswechselspannung zur Gleichspannungsgewinnung herangezogen. Zur Gleichrichtung sind vier Dioden erforderlich, von denen je zwei abwechselnd leitend bzw. gesperrt sind. gllt01q01 14 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1 Stromversorgung elektronischer Geräte gllt01q01 1.3.1 Arbeitsweise der ZweipulsBrückenschaltung (2) 15 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1 Stromversorgung elektronischer Geräte gllt01q01 1.3.2 Arbeitsweise der ZweipulsBrückenschaltung (3) 16 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1 Stromversorgung elektronischer Geräte gllt01q01 1.3.3 Arbeitsweise der ZweipulsBrückenschaltung (4) 17 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1 Stromversorgung elektronischer Geräte 1.4.0 Bauformen von Brückengleichrichtern (1) Die Hersteller von Halbleiterbauelementen bieten bereits komplette Brückengleichrichter an. In einem Gehäuse sind die vier Dioden fertig verschaltet. Es werden nur noch die Anschlüsse für die Wechselspannung und für die Gleichspannung herausgeführt. Für fertige Gleichrichtersätze gibt es ein einheitliches Bezeichnungsschema mit Angabe der wichtigsten Daten. Beispiel Die Kenndaten der Zweipuls-Brückenschaltung sowie aller anderen ungesteuerten Gleichrichterschaltungen können Sie in einem geeigneten Tabellenbuch für Elektrotechnik oder Mechatronik nachlesen. gllt01q01 18 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1 Stromversorgung elektronischer Geräte 1.4.0 Bauformen von Brückengleichrichtern (1) Die Kenndaten der Zweipuls-Brückenschaltung sowie aller anderen ungesteuerten Gleichrichterschaltungen können Sie in einem geeigneten Tabellenbuch für Elektrotechnik oder Mechatronik nachlesen. gllt01q01 19 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1 Stromversorgung elektronischer Geräte 1.4.1 Brückenschaltung mit Ladekondensator (2) Die Ausgangsspannung einer Gleichrichterschaltung pulsiert so stark, dass sie in der Regel zur Spannungsversorgung von elektronischen Geräten nicht geeignet ist. Aus diesem Grund muss dafür gesorgt werden, dass auch während der Sperrzeit der Dioden ein Strom durch den Lastwiderstand RL fließt. Dieses erreicht man, wenn ein Kondensator CL mit großer Kapazität parallel zum Lastwiderstand geschaltet wird. Der Kondensator CL wirkt in der Schaltung als Speicher. Er wird aufgeladen, wenn über die Dioden ein Strom fließt. Sind die Dioden gesperrt, liefert der Kondensator den Strom und die Spannung für den Lastwiderstand, indem er sich über RL entlädt. gllt01q01 20 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1 Stromversorgung elektronischer Geräte 1.4.2 Brückenschaltung mit Ladekondensator (3) Wie stark sich CL während zweier Halbwellen entlädt, hängt vom angeschlossenen Verbraucher RL und von der Kapazität CL ab. Durch den Anschluss eines Kondensators verändert sich die Form der Ausgangsspannung. Der Wechselspannungsanteil wird kleiner und der Gleichspannungsanteil wird größer. Wie gut der Ladekondensator die stark pulsierende Gleichspannung glättet, hängt im Wesentlichen von zwei Faktoren ab: 1. Von der Kapazität des Ladekondensators CL. Je kleiner seine Kapazität ist, desto stärker wird er während der Sperrzeit der Dioden entladen. Damit wird die Spannungsschwankung an CL größer und der Mittelwert der Ausgangsgleichspannung Ud kleiner. 2. Von der Größe des Lastwiderstandes RL. Je hochohmiger der Lastwiderstand ist, desto geringer ist der durch ihn fließende Laststrom und umso weniger wird der Kondensator bei gesperrten Dioden entladen. Fehlt der Lastwiderstand, wird der Kondensator etwa auf den Spitzenwert der Transformatorspannung aufgeladen, da während der Sperrzeiten keine Entladung mehr erfolgt. Versuchen1 Sie es doch hier einfach mal. 1 gllt01q01 21 1 - Grundlagen der Leistungselektronik gllt01q01 22 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1.5.0 Siebschaltungen (1) 1 Stromversorgung elektronischer Geräte Wird eine Gleichrichterschaltung belastet, so tritt am Ladekondensator eine Brummspannung UBr auf. Ihre Größe hängt im Wesentlichen von der Größe des Laststromes und von der Kapazität des Ladekondensators ab. Die Brummspannung lässt sich bei vorgegebenem Laststrom nicht beliebig verringern, weil aus schaltungstechnischen Gründen nicht beliebig große Ladekondensatoren eingesetzt werden können. Es ist daher in den meisten Anwendungsfällen erforderlich, der Gleichrichterschaltung noch eine Schaltung zur Reduzierung der Brummspannung nachzuschalten. Für diese Aufgabe können Siebglieder eingesetzt werden. Sie sollen den Brummspannungsanteil möglichst stark, den Gleichspannungsanteil dagegen möglichst wenig verringern. Eine hundertprozentige Aussiebung ist jedoch nicht erreichbar. Immer verbleibt eine gewisse Restwelligkeit. gllt01q01 23 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1 Stromversorgung elektronischer Geräte 1.5.1 Siebschaltungen (2) Zur Siebung der Ausgangsspannung von Gleichrichterschaltungen werden RC-Siebglieder oder LC-Siebglieder eingesetzt. RC-Siebglied Beim RC-Siebglied bilden der Widerstand RS und der Kondensator CS einen frequenzabhängigen Spannungsteiler. Die Siebwirkung ist um so größer, je größer der Wirkwiderstand RS im Verhältnis zum Blindwiderstand XC des Kondensators ist. Der Widerstandswert von RS ist aber in seiner Größe begrenzt, da der gesamte Laststrom über diesen fließt und dort einen unerwünschten Spannungsfall hervorruft. Das RC-Siebglied kann somit nur bei relativ kleinen Lastströmen eingesetzt werden. LC-Siebglied Die Nachteile des RC-Siebgliedes lassen sich vermeiden, wenn an gllt01q01 24 1 - Grundlagen der Leistungselektronik Stelle des Siebwiderstandes RS eine Siebdrossel LS eingesetzt wird. Ihr Ohmscher Widerstand ist klein, so dass auch der Gleichspannungsabfall an der Siebdrossel klein bleibt. LC-Siebglieder haben andererseits den Nachteil, dass eine Drossel mit entsprechender Induktivität bereits ein großes Gewicht und Volumen hat und gegenüber einem Siebwiderstand sehr viel teuerer ist. LC-Siebglieder ermöglichen bei gleichem Siebfaktor eine wesentlich höhere Strombelastung als RC-Siebglieder. Siebfaktor s gllt01q01 Die Güte der Siebung wird durch den Siebfaktor s charakterisiert. Er gibt das Verhältnis der Eingangsbrummspannung zur Ausgangsbrummspannung an und wird nach obigen Formeln berechnet. 25 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1 Stromversorgung elektronischer Geräte 1.6.0 Spannungsstabilisierung mit ZDiode (1) Die Abbildung zeigt die Grundschaltung zur Spannungsstabilisierung mit Hilfe einer Z-Diode. Als stabilisierte Ausgangsspannung tritt die an der Z-Diode liegende Spannung auf. Im zulässigen Arbeitsbereich bleibt sie sowohl bei einer Änderung der Eingangsspannung UE als auch bei einer Änderung des Laststromes ILast nahezu konstant. Der durch den Vorwiderstand RV fließende Strom Iges teilt sich auf in den Strom über die Z-Diode IZ und den Laststrom ILast. Der Strom über die Z-Diode darf einen bestimmten Wert IZ min nicht unterschreiten, damit die Ausgangsspannung konstant bleibt, und einen Wert IZ max nicht überschreiten, damit die Z-Diode nicht zerstört wird. gllt01q01 26 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1 Stromversorgung elektronischer Geräte 1.6.1 Spannungsstabilisierung mit ZDiode (2) Um die Arbeitsweise dieser Stabilisierungsschaltung leichter verstehen zu können, ist es zweckmäßig, die Vorgänge bei einer Änderung von UE und ILast getrennt zu betrachten. Mit der folgenden Schaltung soll nun die Stabilisierungswirkung der Z-Diode bei sich ändernder Eingangsspannung bzw. sich änderndem Laststrom untersucht werden. Abhängigkeit der Spannung UA am Lastwiderstand RL bei veränderlicher Eingangsspannung UE und konstantem Laststrom ILast: Versuch2 Ergebnis 2 gllt01q01 27 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1 Stromversorgung elektronischer Geräte Ergebnis gllt01q01 1.6.1 Spannungsstabilisierung mit Z-Diode (2) Bis zu einer Eingangsspannung von ca. 7V ist die Z-Diode sehr hochohmig. Die Spannung UA wird fast in gleichem Maße größer wie die Spannung UE. Bei weiterer Erhöhung der Eingangsspannung bleibt der Spannungsfall an der Z-Diode und damit am Lastwiderstand RL konstant. Die Differenzspannung von UE minus UA fällt am Vorwiderstand RV ab. 28 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1 Stromversorgung elektronischer Geräte 1.6.2 Spannungsstabilisierung mit ZDiode (3) Abhängigkeit der Spannung UA am Lastwiderstand RL bei veränderlichem Laststrom ILast und konstanter Eingangsspannung UE. Versuch3 Ergebnis 3 gllt01q01 29 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1 Stromversorgung elektronischer Geräte Ergebnis gllt01q01 1.6.2 Spannungsstabilisierung mit Z-Diode (3) Die Stabilisierungswirkung der Z-Diode tritt erst ein, wenn der Lastwiderstand RL einen Wert von ca. 180Ω erreicht hat. Bei kleineren Widerstandswerten wird der kleinstzulässige Strom durch die Z-Diode unterschritten und eine Stabilisierung ist nicht mehr möglich. 30 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1 Stromversorgung elektronischer Geräte 1.6.3 Spannungsstabilisierung mit ZDiode (4) Aus den Diagrammen ist zu erkennen, dass die Eingangsspannung UE grundsätzlich höher sein muss als die gewünschte Ausgangsspannung. Je höher die Eingangsspannung ist, desto besser ist die stabilisierende Wirkung. In der Praxis wird folgende Faustformel angewandt: Merksatz: Die Eingangsspannung bei einer Stabilisierungsschaltung sollte den doppelten bis dreifachen Wert der Ausgangsspannung haben! Solange ein Strom durch die Z-Diode fließt, bleibt auch die stabilisierende Wirkung erhalten und die Ausgangsspannung annähernd konstant. Erst wenn der Z-Strom durch einen zu starken Laststrom zu klein geworden ist, sinkt die Ausgangsspannung mit zunehmender Belastung ab. Aus dieser Tatsache folgt, dass der Strom durch die Z-Diode möglichst groß gegenüber dem Laststrom sein sollte. Merksatz: Der Leerlaufstrom durch die Z-Diode sollte den doppelten Wert des maximalen Laststromes aufweisen! gllt01q01 31 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1 Stromversorgung elektronischer Geräte 1.6.4 Spannungsstabilisierung mit ZDiode (5) Berechnung des Vorwiderstandes RV: Hat man die gewünschte Ausgangsspannung, die erforderliche Eingangsspannung sowie die Last- und die Z-Ströme festgelegt, kann man den Wert des Vorwiderstandes RV nach folgender Formel berechnen: Die Stabilisierungsschaltungen mit Z-Dioden zeichnen sich zwar durch geringen Aufwand aus, sie haben jedoch eine Reihe von Nachteilen. Einmal kann man die Ausgangsspannung nicht ohne weiteres verändern, da sie direkt von der gewählten Z-Diode abhängt. Weiterhin sind der Belastbarkeit Grenzen gesetzt, weil der Laststrom nie größer als der Z-Strom sein soll. Wenn der Verbraucher abgeschaltet ist, muss die Z-Diode den gesamten Strom, der vom Netzteil geliefert wird, führen. Das Netzteil arbeitet daher ständig unter voller Belastung. gllt01q01 32 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1 Stromversorgung elektronischer Geräte 1.7.0 Spannungsstabilisierung mit Regelverstärkern (1) Prinzip der Regelung: Die konstant zu haltende Spannung wird durch ein Einstellorgan, das Stellglied auf den gewünschten Wert eingestellt. Die dazu erforderliche Stellgröße wird aus dem Vergleich des Istwertes am Ausgang der Regelstrecke mit einem vorgegebenen Sollwert abgeleitet. Durch den Vergleich werden alle wirksamen Störgrößen erkannt und durch Änderung der Stellgröße ausgeglichen. Der Wirkungsablauf einer Regelung erfolgt immer in einem geschlossenen Kreis, dem Regelkreis. Er setzt sich immer aus der Regelstrecke und dem Regler zusammen. Klicken Sie hier, um den Blockschaltplan zu sehen. gllt01q01 33 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1 Stromversorgung elektronischer Geräte 1.7.0 Spannungsstabilisierung mit Regelverstärkern (1) Prinzip der Regelung Regelstrecke: Der Teil des Regelkreises, in dem die Regelgröße geregelt wird. Stellglied: Überträgt die Wirkung der Regeleinrichtung auf die Regelstrecke. Stellgröße: Es dient zum Einstellen der Stellgröße. Regelgröße: Die Größe einer Regelung, die beeinflusst werden soll. Regler: In ihm werden der Sollwert und der Istwert miteinander verglichen und das Ansteuerungssignal für das Stellglied gebildet.. Regeldifferenz:: Ausgangsgröße des Vergleichers ist die Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert.. Führungsgröße: Der Sollwert der Regelgröße. gllt01q01 34 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1 Stromversorgung elektronischer Geräte 1.7.1 Spannungsstabilisierung mit Regelverstärkern (2) Eine mit Transistoren bestückte Stabilisierungsschaltung zeigt die nachstehende Abbildung. Die Transistoren V2 und V3 bilden das Stellglied. Der Transistor V1 arbeitet als Regelverstärker. Seine Basis-Emitter-Spannung wird aus dem Vergleich von Sollwert, hier der Spannung UZ an der Z-Diode, und dem Istwert UW, der Spannung am Abgriff des Potenziometers R4, gebildet. Die Regelgröße ist die Ausgangsspannung UA. Sie lässt sich mit dem Potenziometer im Arbeitsbereich der Schaltung auf einen beliebigen Wert fest einstellen. Für den Regelvorgang bitte hier klicken. gllt01q01 35 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1 Stromversorgung elektronischer Geräte Regelvorgang: gllt01q01 1.7.1 Spannungsstabilisierung mit Regelverstärkern (2) Steigt die Ausgangsspannung aus irgend einem Grund an, so wird der Istwert größer als der Sollwert. Damit steigt die Basis-Emitter-Spannung am Transistor V1 und sein Kollektorstrom erhöht sich. Damit fällt auch am Widerstand R1 eine größere Spannung ab. Die Basis-EmitterSpannung der Darlington-Transistoren V2 und V3 wird kleiner und an der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors V3 fällt eine höhere Spannung ab. Dieser Spannungsfall wirkt der Erhöhung der Ausgangsspannung entgegen und macht diese damit rückgängig. Ein umgekehrter Regelvorgang läuft ab, wenn sich die Ausgangsspannung durch den Einfluss von Störgrößen verkleinert. 36 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1 Stromversorgung elektronischer Geräte gllt01q01 1.8 Stabilisierungsschaltungen mit integrierten Spannungsreglern 37 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1.9.0 Festspannungsregler (1) 1 Stromversorgung elektronischer Geräte Festspannungsregler werden als IC für die Strom- und Spannungsversorgung von Baugruppen eingesetzt, wenn es darum geht, bei geringem Raumbedarf präzise Spannungsstabilisierungen zu erhalten. Die Ausgangsspannungen der Serien 78xx können z.B. 5V, 6V, 8V, 12V, 15V, 18V und 24V betragen. Die Regler erhalten zur Klassifizierung einen Buchstaben- und Zahlencode, wobei die letzten beiden Ziffern meistens die Ausgangsspannung angeben. (E = Eingang, A = Ausgang, GND = Masse) Je nach Ausführung, Gehäuseform und entsprechender Kühlung können Spannungsregler der 78xx- bzw. 79xx-Serie Ströme von 100mA bis 5A liefern. Ist keine Kühlung möglich, kann dem Bauteil jeweils nur etwa die Hälfte des maximalen Stromes entnommen werden. gllt01q01 38 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1.9.1 Festspannungsregler (2) 1 Stromversorgung elektronischer Geräte Festspannungsregler sind kurzschlussfest und eine thermische Schutzschaltung verhindert die Zerstörung des ICs durch Überhitzung. Damit die Spannungsregler korrekt arbeiten, muss die Eingangsspannung UE um ca. 2V ..... 3V größer als die Ausgangsspannung UA sein. Der Einsatz des Reglers gestaltet sich sehr einfach. Extern anzuschließen sind lediglich noch die beiden Kondensatoren CE und CA. Jeweils am Eingang und am Ausgang sollten sie auf kurzer Strecke mit dem Regler verbunden sein. gllt01q01 39 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1 Stromversorgung elektronischer Geräte 1.10 24-V-Netzteil mit stabilisierter Ausgangsspannnung Schaltungsbeschreibung: Die Kondensatoren C2 und C3 sind für eine sichere Arbeitsweise des Reglers erforderlich. Anderenfalls tritt eine Dieses Netzteil eignet sich für hochfrequente Schwingneigung im Bereich von ca. 100kHz viele Anwendungsbereiche, die auf. Die Diode V2 schützt den Spannungsregler gegen eine gut stabilisierte AusgangsRückströme vor Zerstörung. Der Regler selbst muss über spannung von 24V verlangen. den Kühlkörper eine Verlustleistung von 8...12W abführen. Der Ausgang ist kurzschlussfest und mit thermischem Überlastungsschutz ausgestattet. Die Betriebsanzeige erfolgt durch eine LED. Eine optimale Wärmeabfuhr und den passenden Netztransformator vorausgesetzt, kann die Baugruppe maximal 2A __ Laststrom abgeben. Um einen sicheren Betrieb des Spannungsreglers zu gewährleisten, sollte die Ausgangsspannung des Transformators bei 30Veff liegen. Der Ladekondensator C1 muss für eine Spannung von mindestens 60V ausgelegt sein und sollte die Brummspannung auf einen Wert von unter 2VSS begrenzen. gllt01q01 40 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 1.11 Einstellbare Spannungsregler 1 Stromversorgung elektronischer Geräte Der integrierte Spannungsregler LM 317 liefert eine positive einstellbare Ausgangsspannung. Die Grundschaltung des LM 317 besteht eigentlich aus dem LM 317 selbst, den Kondensatoren C1 und C2 sowie dem Widerstand R1 und dem Potenziometer R2. Die Ausgangsspannung UA lässt sich zwischen 1,2V und 37V stufenlos einstellen, wenn die Spannung am Eingang des Reglers mindestens 40V beträgt. Grundschaltung für den einstellbaren Spannungsregler LM 317 für positive Ausgangsspannung. Die Einstellung der Ausgangsspannung erfolgt mit dem Potenziometer R2 und kann mit folgender Formel näherungsweise berechnet werden: gllt01q01 41 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 2.0 Kapitelübersicht 2 Schalten und Stellen von Gleichstrom Kapitelbezogene Eingangsfragen: Wie ist das Funktionsprinzip des Gleichstromstellers? Welche Ansteuerungsarten gibt es für Gleichstromsteller? Themen: 2.1__Gleichstromsteller: Funktionsprinzip 2.2__Gleichstromsteller mit Transistoren 2.3__Gleichstromsteller mit Thyristoren 2.4.0 Ansteuerungsarten für Gleichstromsteller (1) 2.4.1 Ansteuerungsarten für Gleichstromsteller (2) gllt01q01 42 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 2 Schalten und Stellen von Gleichstrom 2.1 Gleichstromsteller: Funktionsprinzip Gleichstromsteller, auch Chopper genannt, sind zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Verbraucher geschaltet. Die Spannung des Verbrauchers kann dabei durch geeignete Ansteuerung zwischen 0V und dem Wert der angelegten Spannung kontinuierlich verändert werden. Die Spannung der Quelle wird dazu durch einen elektronischen Schalter periodisch an- und abgeschaltet. Als elektronische Schalter werden im unteren Leistungsbereich Transistoren und bei mittleren und hohen Leistungen Thyristoren eingesetzt. Merksatz: Gleichstromsteller verändern durch gezieltes Ein- und Ausschalten den arithmetischen Mittelwert der Ausgangsspannung. Gleichstromsteller: Gleichstromsteller sind in der Lage, Gleichströme und Gleichspannungen nahezu verlustfrei und praktisch unverzögert in ihrer Höhe und Polarität zu verändern. Wegen ihres einfachen und kostengünstigen Aufbaus werden sie z.B. zur Drehzahlsteuerung von Gleichstrommotoren oder zur Versorgung von Gleichstromverbrauchern in der Photovoltaik eingesetzt. gllt01q01 43 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 2.2 Gleichstromsteller mit Transistoren 2 Schalten und Stellen von Gleichstrom Die Prinzipschaltung zeigt einen Transistor-Gleichstromsteller mit einem Gleichstrommotor als angeschlossener Last. Mit der Entwicklung von Leistungstransistoren mit hoher Stromtragfähigkeit und hohen Sperrspannungen werden im Leistungsbereich bis etwa 50kW an Stelle von Thyristoren Transistoren eingesetzt. Transistoren benötigen keine gesonderten Löscheinrichtungen. Die Kurzschlussfestigkeit der Geräte ist leichter zu realisieren und die Schaltfrequenz des Taktgebers kann viel höher gewählt werden. Funktionsprinzip4 eines Gleichstromstellers mit Transistoren. 4 gllt01q01 44 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 2.3 Gleichstromsteller mit Thyristoren 2 Schalten und Stellen von Gleichstrom Bei mit einfachen Thyristoren aufgebauten Gleichstromstellern ist das Abschalten des Gleichstromes nur mit zusätzlichen schaltungstechnischen Maßnahmen zu erreichen. Im Gleichstromkreis löscht der Thyristor nicht selbsttätig und es muss ein zusätzlicher Löschkreis bestehend aus einem Löschthyristor und einem Kondensator eingebaut werden. Verwendet man dagegen einen sogenannten GTO-Thyristor (abschaltbarer Thyristor), kann dieser mit negativen Impulsen am Gate in den Sperrzustand gesteuert werden. Der prinzipielle Schaltungsaufbau und die Arbeitsweise von thyristorgesteuerten Gleichstromstellern entspricht dem von Stellern mit Transistoren. Auf Grund der schwierigen Löschbedingungen sind Thyristoren nur für relativ geringe Schaltfrequenzen geeignet. Mit ihnen lassen sich jedoch Leistungen in einer Größenordnung von mehreren 100kW, wie sie z.B. bei Schienenfahrzeugen gefordert sind, steuern. gllt01q01 45 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 2 Schalten und Stellen von Gleichstrom 2.4.0 Ansteuerungsarten für Gleichstromsteller (1) Bei Gleichstromstellern wird die Ausgangsspannung durch Pulssteuerung, also durch sich wiederholendes Zünden und Löschen verändert. Dabei kann entweder bei konstanter Einschaltdauer tein die Periodendauer TS oder bei konstanter Periodendauer TS die Einschaltdauer tein variiert werden. 1. Pulsbreitensteuerung (Pulsweitenmodulation): Bei der Pulsbreitensteuerung wird innerhalb einer bestimmten Schaltperiode das Verhältnis zwischen Ein- und Ausschaltdauer verändert. Dabei bleibt die Pulsfrequenz konstant. gllt01q01 46 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 2 Schalten und Stellen von Gleichstrom 2.4.1 Ansteuerungsarten für Gleichstromsteller (2) 2. Pulsfolgesteuerung (Pulsfolgemodulation): Bei der Pulsfolgesteuerung arbeitet man mit einer variablen Taktfrequenz, die Einschaltdauer der Pulse dagegen wird konstant gehalten. Bei beiden Ansteuerungsarten sind die Amplituden der Ausgangsspannungsblöcke konstant. Der Mittelwert der Ausgangsspannung UA ist dagegen direkt vom Verhältnis der ImpulsPausendauer abhängig. Je niedriger die Arbeitsfrequenzen des Taktgenerators sind, desto höher ist der Aufwand für nachfolgende Glättungsglieder. Bei Verbrauchern wie z.B. Gleichstrommotoren, die selbst große Induktivitäten besitzen, kann größtenteils auf gesonderte Glättungsmaßnahmen verzichtet werden. gllt01q01 47 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 3.0 Kapitelübersicht 3 Schalten und Stellen von Wechselstrom Kapitelbezogene Eingangsfragen: Wie lässt sich die Drehzahl eines Universalmotors verändern? Worin unterscheiden sich "Phasenanschnitt- und Schwingungspaketsteuerung"? Themen: 3.1__Wechselstromsteller: Funktionsprinzip 3.2.0 Phasenanschnittsteuerung mit einem Triac (1) 3.2.1 Phasenanschnittsteuerung mit einem Triac (2) 3.3__Drehzahlsteuerung beim Universalmotor 3.4__Phasenabschnittsteuerung 3.5.0 Schwingungspaketsteuerung (1) 3.5.1 Schwingungspaketsteuerung (2) 3.6.0 Wechselrichter (1) 3.6.1 Wechselrichterprinzip: Spannungs- und Stromverlauf (2) gllt01q01 48 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 3 Schalten und Stellen von Wechselstrom 3.1 Wechselstromsteller: Funktionsprinzip Wechselstromsteller geben bei Anschluss an ein Wechselstromnetz eine bis zum Anschlusswert des Verbrauchers veränderbare Leistung ab. Die Frequenz der Wechselspannung bleibt dabei unverändert, die Kurvenform kann aber z.B. bei der Phasenanschnittsteuerung vom sinusförmigen Verlauf abweichen. Funktionsbestimmende Bauelemente als Steller sind Thyristoren und Triacs. Die Steuerung der Leistung kann zum einen über einen Teilbereich der jeweiligen Halbwelle der Wechselspannung erfolgen. In diesem Fall spricht man von Phasenanschnitt- bzw. Phasenabschnittsteuerung. Werden eine bestimmte Anzahl aufeinanderfolgender Halbwellen an die Last an- oder abgeschaltet, wird dies als Schwingungspaket- oder auch als Vollwellensteuerung bezeichnet. gllt01q01 49 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 3 Schalten und Stellen von Wechselstrom 3.2.0 Phasenanschnittsteuerung mit einem Triac (1) Recht einfach und kostengünstig lassen sich Phasenanschnittsteuerungen mit einem Triac und einem Diac aufbauen. Wird als Lastwiderstand eine Glühlampe verwendet, so wird eine Phasenanschnittsteuerung auch als Dimmer bezeichnet. Ein Triac stellt vom Aufbau her zwei antiparallel geschaltete Thyristoren dar. Damit kann sowohl die positive als auch die negative Halbwelle der Wechselspannung gesteuert werden. Bei der Phasenanschnittsteuerung erfolgt die Zündung des Triacs immer erst mit einer bestimmten Phasenverschiebung gegenüber dem Beginn einer Sinushalbwelle. Dadurch lässt sich der Effektivwert der Ausgangsspannung und damit auch die mittlere Leistungsaufnahme des Verbrauchers in einem Bereich von 0% bis 100% einstellen. Diese Schaltung zeigt5 das Grundprinzip einer derartigen Phasenanschnittsteuerung. 5 gllt01q01 50 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 3 Schalten und Stellen von Wechselstrom 3.2.1 Phasenanschnittsteuerung mit einem Triac (2) Bei der Phasenanschnittsteuerung erfolgt die Zündung des Triacs stets mit Impulsen. Damit eine Änderung der Effektivwerte von Lastspannung und Laststrom möglich ist, müssen diese Steuerimpulse in ihrer Phasenlage zur Netzwechselspannung verschiebbar sein. Die nachfolgende Darstellung gibt die Spannungs- und Stromverläufe bei einer Phasenanschnittsteuerung wieder. Die Verschiebung der Steuerimpulse gegenüber einem Nulldurchgang der Wechselspannung wird als Zündverzögerungswinkel α (alpha) angegeben. Als Stromflusswinkel φ (phi) wird dagegen der Phasenwinkel bezeichnet, während dem Strom durch den Verbraucher fließt. Da Triacs wie Thyristoren bei jedem Nulldurchgang der Betriebsspannung wieder in den Sperrzustand zurückkippen, muss die Zündung in jeder Halbwelle neu erfolgen. Untersuchen Sie es selbst, öffnen Sie die Animation6. 6 gllt01q01 51 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 3 Schalten und Stellen von Wechselstrom 3.3 Drehzahlsteuerung beim Universalmotor Beim Universalmotor, der sowohl mit Gleichstrom, als auch mit Wechselstrom betrieben werden kann, lässt sich die Drehzahl durch Veränderung des Effektivwertes der Netzwechselspannung verändern. Mit R2, R3 und C3 kann man den Zündzeitpunkt des Triacs und damit die Drehzahl einstellen. R4 und C4 verringern die Hysterese des Schaltvorganges. Diese macht sich dadurch bemerkbar, dass der Triac bei unterschiedlichen Winkeln ein- und ausschaltet. R1, C1, C2 und die Drossel L1 dienen der Funkentstörung. gllt01q01 52 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 3.4 Phasenabschnittsteuerung 3 Schalten und Stellen von Wechselstrom Strom und Spannung haben bei der Phasenanschnittsteuerung keinen sinusförmigen Verlauf mehr. Durch diese nicht-sinusförmige Belastung kommt es zur Erzeugung von Oberwellen und zu einer vermehrten Blindleistungsaufnahme aus dem Netz, selbst bei einer rein Ohmschen Last. Bei ungünstigen Zündwinkeln im Bereich von ca. 60° bis 120° ergeben sich hohe Stromanstiegsgeschwindigkeiten. Diese gefährden beim Vorhandensein von Induktivitäten andere elektronische Komponenten. Durch den Phasenanschnitt entstehen hohe Frequenzen, die sich bei anderen Verbrauchern im Netz wie z.B. Rundfunk- und Fernsehempfängern störend bemerkbar machen. Diese Nachteile vermeidet die Phasenabschnittsteuerung, die insbesondere zur Steuerung von Leuchtstofflampen mit elektronischen Vorschaltgeräten und zum Dimmen von Niedervolt-Halogenglühlampen mit elektronischen Transformatoren eingesetzt wird. Das Prinzip der Phasenabschnittsteuerung beruht darauf, dass im Nulldurchgang der Netzwechselspannung gezündet wird. Durch eine geeignete Zeitsteuerung wird der Stromfluss innerhalb der jeweiligen Halbwelle abgeschaltet. Dazu ist jedoch ein Ventil erforderlich, bei dem der Abschaltzeitpunkt beeinflussbar ist, z.B. ein GTO-Thyristor. gllt01q01 53 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 3.5.0 Schwingungspaketsteuerung (1) 3 Schalten und Stellen von Wechselstrom Bei der Schwingungspaketsteuerung wird der Verbraucher abwechselnd für eine bestimmte Anzahl von Perioden ein- und ausgeschaltet. Das Ein- und Ausschalten erfolgt jeweils im Nulldurchgang der Netzwechselspannung. Diese Aufgabe übernehmen Nullspannungsschalter. Mit ihnen kann z.B. ein Thyristor exakt im Nulldurchgang gezündet werden. Damit wird ein sinusförmiger Verlauf des Laststromes erzielt. Netzstörungen, wie sie bei der Phasenanschnittsteuerung auftreten, werden weitgehend vermieden. Grundprinzip der Schwingungspaketsteuerung Einschalt- und Pausendauer können dabei so verändert werden, dass die vom Verbraucher aufgenommene mittlere Leistung von 0% bis 100% gesteuert werden kann. gllt01q01 54 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 3.5.1 Schwingungspaketsteuerung (2) 3 Schalten und Stellen von Wechselstrom Die Schwingungspaketsteuerung eignet sich besonders zur Leistungssteuerung von elektrischen Heizgeräten und Öfen. Für Beleuchtungsanlagen und zur Ansteuerung elektrischer Motoren ist sie dagegen nicht geeignet. Lampen würden deutlich sichtbar flackern und bei Motoren würden sich die Betriebseigenschaften verschlechtern. Brückenschaltung: Richtet die Netzwechselspannung gleich, da der Thyristor nur positive Halbwellen steuern kann. Thyristoransteuerung: Die Steuerspannung von 6V kann nur dann am Gate des Thyristors wirksam werden, wenn der Transistor gesperrt ist Transistorschaltung: Da die Basis des Transistors mit der gleichgerichteten Betriebsspannung gesteuert wird, wird der Transistor immer nur dann gesperrt, wenn diese Spannung durch Null geht. In diesem Fall kann der Thyristor gezündet werden. Steigt die Spannung innerhalb der betreffenden Halbwelle über einen bestimmten Wert, ist der Transistor leitend und verhindert eine Zündung des Thyristors. gllt01q01 55 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 3.6.0 Wechselrichter (1) 3 Schalten und Stellen von Wechselstrom Zum breiten Einsatzspektrum von Wechselrichtern zählen Photovoltaikanlagen. Kombiniert mit einem Wechselstromsteller kann die Drehzahl von Elektromotoren zum Antrieb von Be- und Verarbeitungsmaschinen ebenso gesteuert werden wie für Schienen- und Straßenfahrzeuge. Wechselrichter haben die Aufgabe, Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Sie können ähnlich wie Gleichrichter mit 2, 4 oder 6 elektronischen Schaltern in Mittelpunkt- oder Brückenschaltungen realisiert werden. Die grundsätzliche Funktionsweise soll an Hand der dargestellten Brückenschaltung zur Erzeugung einer Einphasen-Wechselspannung, wie sie z.B. in Photovoltaikanlagen zum Einsatz kommt, erläutert werden. Funktionsschema7 eines einphasigen Wechselrichters in Brückenschaltung. 7 gllt01q01 56 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 3 Schalten und Stellen von Wechselstrom 3.6.1 Wechselrichterprinzip: Spannungs- und Stromverlauf (2) Durch eine entsprechend aufwändige Ansteuerung der elektronischen Schalter lässt sich aber die Ausgangswechselspannung so beeinflussen, dass sie einer sinusförmigen Wechselspannung sehr nahe kommt. Der Effektivwert der Motorspannung wird durch die Einschaltdauer der Gleichspannung beeinflusst. Durch den Wechsel von positiven und negativen Pulsen wird die Frequenz der Ausgangswechselspannung verändert. Dieses Grundprinzip lässt sich auch auf das Dreiphasenwechselstromsystem übertragen, wodurch Drehstromverbraucher an einer Gleichspannung betrieben werden können. gllt01q01 57 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 4.0 Kapitelübersicht 4 Betriebsarten elektrischer Antriebe Kapitelbezogene Eingangsfragen: Was versteht man unter "Generatorbetrieb"? Aus welchen Funktionsbaugruppen besteht ein moderner Frequenzumrichter? Themen: 4.1__Betriebsarten elektrischer Antriebe 4.2__Vierquadranten-Diagramm 4.3__Zweiquadranten-Betrieb am Beispiel eines Aufzugs 4.4__Vierquadranten-Betrieb am Beispiel eines Schienenfahrzeugs 4.5.0 Frequenzumrichter mit Gleichspannungszwischenkreis (1) 4.5.1 Frequenzumrichter mit Gleichspannungszwischenkreis (2) 4.6__Stromrichterantriebe mit Gleichstrommotor 4.7__Industrieller Stromrichter gllt01q01 58 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 4.1 Betriebsarten elektrischer Antriebe 4 Betriebsarten elektrischer Antriebe Elektrische Maschinen können die als Last wirkende Arbeitsmaschine nicht nur antreiben, sondern zeitweise von dieser auch mechanische Energie aufnehmen. Im ersten Fall arbeitet die Maschine im Motorbetrieb. Dabei wird dem Netz eine Leistung entnommen und in eine an der Welle des Motors auftretende Drehbewegung umgesetzt. Dies ist sowohl im Rechtslauf als auch im Linkslauf möglich. Im Generatorbetrieb wird der Motor von der Arbeitsmaschine angetrieben und mit einem entsprechenden Stromrichter ist sogar eine Energierückspeisung in das Netz möglich. Man spricht dann von der sogenannten Nutzbremsung. Elektromotor: Der Elektromotor wandelt die durch das speisende Netz bereitgestellte Energie in mechanische Energie um. Zu seiner Ansteuerung benötigt man ein Stellglied, das für die Regelung bzw. Drehzahlverstellung des Motors verantwortlich ist. Dieses Stellglied kann z.B. Leistungselektronik in Form eines Frequenzumrichters beinhalten. Übertragungsglied: Die Aufgabe des Übertragungsgliedes ist es, aus der zugeführten mechanischen Energie die für die Arbeitsmaschine notwenigen Kräfte, Drehmomente und Geschwindigkeiten zu erzeugen. In der Regel besteht das Übertragungsglied zwischen Elektromotor und Arbeitsmaschine aus einem mechanischen Getriebe. Arbeitsmachine: Die dritte wichtige Komponente eines elektrischen Antriebssystems ist die Arbeitsmaschine. Sie ist zugleich auch der individuellste Teil des gesamten Systems und somit immer genau auf den zugrunde gelegten technischen Prozess ausgelegt. gllt01q01 59 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 4.2 Vierquadranten-Diagramm 4 Betriebsarten elektrischer Antriebe Alle möglichen Kombinationen von Drehzahl, Drehrichtung und Drehmoment zeigt das sogenannte Vierquadranten-Diagramm. Die beiden Achsen teilen das Diagramm in vier Quadranten ein. Laut Festlegung ist das obere rechte Feld der Quadrant I. Die Nummerierung der anderen erfolgt entgegen dem Uhrzeigersinn. Positive Drehzahl bedeutet hierbei Rechtsdrehung des Motors bei Blickrichtung auf die Achse. Bei elektrischen Antrieben ist die Energieflussrichtung gleichbedeutend mit der Stromflussrichtung. Bei unterschiedlicher Energieflussrichtung muss also die Leistungselektronik für den Motor für zwei Stromrichtungen vorgesehen sein. Dies bedeutet einen höheren Aufwand an Bauelementen als bei Anwendungen mit lediglich einer Stromrichtung. In der Praxis haben sich daher Geräteausführungen nur für den sogenannten Einquadranten-Betrieb (in den Quadranten I oder III) als auch für den Vierquadranten-Betrieb durchgesetzt. Im I. und III. Quadranten nimmt die elektrische Maschine Energie aus dem speisenden Netz auf und formt sie in mechanische Energie um. Diese Betriebsart wird Motorbetrieb, bei Gleichstrommaschinen auch Gleichrichterbetrieb genannt. In den Quadranten II und IV kehrt sich die Energieflussrichtung um. Die in der Arbeitsmaschine vorhandene mechanische Energie wird in der elektrischen Maschine in elektrische Energie umgewandelt. Diese wird entweder in das Netz zurückgespeist (Nutzbremsung) oder in Widerständen in Wärme umgesetzt. Bei dieser Betriebsart arbeitet die Maschine als Generator. Im I. und III. Quadranten nimmt die elektrische Maschine Energie aus dem speisenden Netz auf und formt sie in mechanische Energie um. Diese Betriebsart wird Motorbetrieb, bei Gleichstrommaschinen auch Gleichrichterbetrieb genannt. In den Quadranten II und IV kehrt sich die Energieflussrichtung um. Die in der Arbeitsmaschine vorhandene mechanische Energie wird in der elektrischen Maschine in elektrische Energie umgewandelt. Diese wird entweder in das Netz zurückgespeist (Nutzbremsung) oder in Widerständen in Wärme umgesetzt. Bei dieser Betriebsart arbeitet die Maschine als Generator. gllt01q01 60 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 4 Betriebsarten elektrischer Antriebe 4.3 Zweiquadranten-Betrieb am Beispiel eines Aufzugs Heben Eine Gleichstrommaschine soll einen Aufzug antreiben. Bei Rechtslauf bewegt sich der Aufzug nach oben, dreht der Motor linksherum, fährt er nach unten. Welche Quadranten werden bei dieser Antriebsaufgabe durchlaufen? Bei der Fahrt nach oben besitzt der Motor eine positive Drehrichtung und ein positives Drehmoment. Die Ausgangsspannung des Stromrichters ist größer als die Gegenspannung des Gleichstrommotors. Der Strom fließt vom Netz zum Motor. Positive Spannung und positiver Strom führen zu einer Leistungsaufnahme aus dem Netz. Der Antrieb befindet sich deshalb im I. Quadranten. Stillstand Befindet sich die Aufzugskabine im Stillstand, muss der Motor bei der Drehzahl 0 dennoch ein positives Drehmoment abgeben. Der Betriebspunkt liegt auf der waagrechten Achse zwischen dem I. und dem IV. Quadranten. Senken Bei der Fahrt nach unten muss der Aufzug abgebremst werden. Dabei ist weiterhin ein positives Drehmoment nötig, die Drehrichtung dagegen wird negativ. Damit haben Drehrichtung und Drehmoment unterschiedliche Vorzeichen. Die Ausgangsspannung des Stromrichters ist geringer als die Gegenspannung des Gleichstrommotors. Es ergibt sich eine negative Leistung. Der Motor arbeitet als Generator und speist seine Bremsenergie ins Netz zurück. Versuchen8 Sie es mal selbst. 8 gllt01q01 61 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 4 Betriebsarten elektrischer Antriebe 4.4 Vierquadranten-Betrieb am Beispiel eines Schienenfahrzeugs Schienenfahrzeuge sind in der Lage die beim Bremsen freiwerdende Energie wieder ins Netz zurückzuspeisen. Diese Forderung, lässt sich nur durch einen Vierquadranten-Antrieb erfüllen. Der dazugehörige Stromrichteraufwand ist beträchtlich. Da Strom in beide Richtungen fließen muss, benötigt man zwei antiparallelgeschaltete vollgesteuerte Stromrichter. (Forderung: Treiben und Bremsen bei beiden Drehrichtungen.) Vorwärtsfahrt, Treiben Der Motor entwickelt im Rechtslauf ein positives Drehmoment bei einer positiven Drehzahl. Spannung und Strom sind ebenfalls positiv. Der Antrieb befindet sich im I. Quadranten und nimmt Energie aus dem Netz auf. gllt01q01 62 1 - Grundlagen der Leistungselektronik Vorwärtsfahrt, Bremsen Damit der Motor bei gleichbleibender Drehrichtung beim Bremsvorgang elektrische Energie ins Netz zurückspeisen kann, muss sich die Richtung des Drehmomentes und damit die Richtung des Stromes umkehren. Die aus dem Produkt von Spannung und Strom errechnete Leistung ist nun negativ. Der Antrieb befindet sich im II. Quadranten. Rückwärtsfahrt, Treiben Nach dem Abbremsen ändert der Motor seine Drehrichtung und das Schienenfahrzeug bewegt sich rückwärts. Dazu muss die Spannung am Motor umgepolt werden. Drehrichtung und Drehmoment bzw. Spannung und Strom sind nun negativ. Die Leistung errechnet sich aus dem Produkt von Spannung und Strom und ist positiv. Der Antrieb befindet sich im III. Quadranten und nimmt Energie aus dem Netz auf. gllt01q01 63 1 - Grundlagen der Leistungselektronik Rückwärtsfahrt, Bremsen Der Bremsvorgang bei Rückwärtsfahrt wird eingeleitet, indem der Strom umgepolt wird und damit das Drehmoment in die entgegengesetzte Richtung wirkt. Bei negativer Spannung bzw. negativer Drehrichtung aber positivem Strom und Drehmoment ergibt sich eine negative Leistung. Der Antrieb gibt Energie an das Netz ab und befindet sich im IV. Quadranten. gllt01q01 64 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 4 Betriebsarten elektrischer Antriebe 4.5.0 Frequenzumrichter mit Gleichspannungszwischenkreis (1) Gleichrichter: Ein netzgeführter Gleichrichter erzeugt aus der Netzspannung eine Gleichspannung, die, je nach Ausführung des Stromrichters, konstant oder in ihrer Höhe variabel einstellbar ist. Zwischenkreis: Die gleichgerichtete Spannung wird im Zwischenkreis durch einen Kondensator geglättet und gepuffert. Der Zwischenkreis bewirkt dabei eine Entkopplung vom speisenden Netz, so dass die Ausgangsfrequenz bis auf ein mehrfaches der Eingangsfrequenz gesteigert werden kann. Wechselrichter: Ein selbstgeführter Wechselrichter erzeugt aus der Zwischenkreis-Gleichspannung das in Frequenz und Amplitude einstellbare Dreiphasensystem der Ausgangsspannungen. Steuerkreis: Moderne Frequenzumrichter sind mikroprozessorgesteuert. Damit ist gewährleistet, dass die Abstimmung zwischen der Leistungsstufe im Wechselrichter und den jeweiligen Betriebsanforderungen der angeschlossenen elektrischen Maschine optimal erfolgt. gllt01q01 65 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 4 Betriebsarten elektrischer Antriebe 4.5.1 Frequenzumrichter mit Gleichspannungszwischenkreis (2) Beim Bremsen wird vom Motor elektrische Energie erzeugt. Diese Energie wird vom Wechselrichter in den Zwischenkreis eingespeist. Eine Weiterleitung dieser Energie in das Netz wäre nur bei einem vollgesteuerten Gleichrichter möglich. Bei Antrieben im unteren Leistungsbereich wird deshalb aus Kostengründen die überschüssige Energie in einem Bremswiderstand in Wärme umgesetzt. Der Widerstand ist normalerweise extern anzuschließen, da die Wärme nicht im Gerät erzeugt werden soll. Frequenzumrichter mit Gleichspannungszwischenkreis sind leerlauffest und können daher ohne Schaden von der Last getrennt werden. Typische Merkmale sind Treiben in beiden Drehrichtungen. Beim Bremsen kann bei Bedarf eine Energierückspeisung in das Netz erfolgen. Der Frequenzstellbereich liegt zwischen 0Hz und 500Hz. Der Verbund mehrerer Umrichter ist möglich, ebenso können mehrere Motoren an einem Umrichter betrieben werden. Der typische Leistungsbereich liegt zwischen 5kVA und 1500kVA. gllt01q01 66 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 4 Betriebsarten elektrischer Antriebe 4.6 Stromrichterantriebe mit Gleichstrommotor Da die elektrische Energie üblicherweise Drehstrom- bzw. Wechselstromnetzen entnommen wird, muss die Versorgung von Gleichstrom-Antrieben über Stromrichter erfolgen. Bei der Realisierung eines Vierquadranten-Antriebs werden folgende technische Möglichkeiten eingesetzt: Vollgesteuerter Stromrichter mit einer elektromechanischen Umschalteinrichtung im Ankerkreis Antiparallelschaltung zweier vollgesteuerter Stromrichter, die zusammen einen vollgesteuerten Umkehrstromrichter ergeben Die Darstellung wird das Grundprinzip eines Gleichstrom-Vierquadranten-Antriebs mit vollgesteuertem Zweifachstromrichter erläutert. gllt01q01 67 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 4 Betriebsarten elektrischer Antriebe 4.6 Stromrichterabtriebe mit Gleichstrommotor Id = Gleichstrom IE = Erregerstrom U0. = Gegenspannung Udα = Gleichspannung abhängig vom Leidwinkel α I. Quadrant - Gleichrichter- bzw. Motorbetrieb Die Ausgangsspannung Ua des 1. Stromrichters ist größer als die Gegenspannung U0 des Gleichstrommotors. Der Strom fließt vom Netz zum Motor. Dieser dreht im Rechtslauf und nimmt elektrische Energie aus dem Netz auf. II. Quadrant - Wechselrichter- bzw. Generatorbetrieb Die Ausgangsspannung Ua des 2. Stromrichters ist kleiner als die Gegenspannung U0 des Gleichstrommotors. Der Strom fließt vom Motor zum Netz. Dieser dreht im Rechtslauf und speist Energie in das Netz zurück. gllt01q01 68 1 - Grundlagen der Leistungselektronik III. Quadrant - Gleichrichter- bzw. Motorbetrieb Die Ausgangsspannung Ua des 2. Stromrichters ist größer als die Gegenspannung U0 des Gleichstrommotors. Der Strom fließt vom Netz zum Motor. Dieser dreht im Linkslauf und nimmt elektrische Energie aus dem Netz auf. IV. Quadrant - Wechselrichter- bzw. Generatorbetrieb Die Ausgangsspannung Ua des 1. Stromrichters ist kleiner als die Gegenspannung U0 des Gleichstrommotors. Der Strom fließt vom Motor zum Netz. Dieser dreht im Linkslauf und speist Energie in das Netz zurück. gllt01q01 69 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 4.7 Industrieller Stromrichter 4 Betriebsarten elektrischer Antriebe Das Blockschaltbild zeigt einen industriellen Kompakt-Stromrichter mit Antiparallelschaltung von zwei vollgesteuerten Einphasen-Brückenschaltungen für Vierquadranten-Betrieb. Klicken Sie hier und bewegen Sie den Mauszeiger über die farbig hervorgehobenen Baugruppen für weitere Informationen. gllt01q01 70 1 - Grundlagen der Leistungselektronik 4 Betriebsarten elektrischer Antriebe 4.7 Industrieller Stromrichter Vollgesteuerter Zweifach-Stromrichter in Brückenschaltung. Fremderregter Gleichstrommotor Tachogenerator zur Erfassung der Ist-Drehzahl. Hochlaufgeber zur Einstellung der Hochlauf- bzw. Auslaufzeit des Motors. Drehzahlregler, er bildet einen Vergleich von Drehzahlsollwert und Drehzahlistwert und regelt die Drehzahl des Motors bei Abweichung nach. Stromregler, er reagiert schnell auf Spannungs- und Stromänderungen im Leistungsteil. Steuersatz, er erzeugt die Zündimpulse zur Ansteuerung der Thyristoren. Sollwerteinsteller zur Vorwahl der Solldrehzahl. Strombegrenzer, er begrenzt den Strom auf einen Maximalwert und verhindert zu hohe Stromanstiegsgeschwindigkeiten. Erfassung des Strom-Istwertes. gllt01q01 71 1 - Grundlagen der Leistungselektronik Trainingsaufgabe 1 Trainingsaufgaben Verwenden Sie das vorbereitete Antwortdokument zur Beantwortung der Fragen. Sie finden das Antwortdokument in den Anlagen am Ende des Skripts. gllt01q01 72 1 - Grundlagen der Leistungselektronik Trainingsaufgabe 2 Trainingsaufgaben Verwenden Sie das vorbereitete Antwortdokument zur Beantwortung der Fragen. Sie finden das Antwortdokument in den Anlagen am Ende des Skripts. gllt01q01 73 1 - Grundlagen der Leistungselektronik Trainingsaufgabe 3 Trainingsaufgaben Verwenden Sie das vorbereitete Antwortdokument zur Beantwortung der Fragen. Sie finden das Antwortdokument in den Anlagen am Ende des Skripts. gllt01q01 74 1 - Grundlagen der Leistungselektronik Bearbeitung der Fallstudie Abschluss Lerneinheit Durch den Ausfall eines Transportbandes in einer modular aufgebauten Produktionseinheit kommt es in Ihrem Unternehmen zu Verzögerungen im Arbeitsprozess. Das Transportband wird von einem 24-V-Gleichstrommotor angetrieben. Erste Messungen ergeben, dass am Ausgang des Netzteils für die Ansteuerung des Motors keine Spannung anliegt. Da kurzfristig kein komplettes Austauschgerät für das defekte Netzteil zur Verfügung steht, müssen Sie versuchen, den Fehler im Gerät zu lokalisieren und zu beheben. Nach dem Öffnen des Gerätes stellen Sie fest, dass das Gleichrichterbauteil defekt ist. Bitte bearbeiten Sie zur Fallstudie folgende Aufgabe: Wählen Sie an Hand der beiliegenden Vergleichsliste für Brückengleichrichter den geeigneten Typ aus und bestellen sie diesen beim Händler. Hinweise finden Sie in den im Schaltplan angegebenen Spannungs- und Stromdaten. Verwenden Sie das vorbereitete Antwortdokument zur Beantwortung der Fragen. Sie finden das Antwortdokument in den Anlagen am Ende des Skripts. gllt01q01 75 1 - Grundlagen der Leistungselektronik Anlagen gllt01q01 76 1 - Grundlagen der Leistungselektronik LEITFRAGEN Hinweis: Anhand dieser Leitfragen werden Sie die Qualifizierungseinheit erarbeiten. Notieren Sie die Antworten zu den Fragen, die Ihnen spontan einfallen. Speichern Sie diese Datei anschließend in einem Ordner, auf den Sie stets zugreifen können und ergänzen jeweils diese Fragen um das erlernte Wissen. Am Ende der Qualifizierungseinheit sollten Sie die Antworten komplett überarbeitet haben. gllt01q01 77 1 - Grundlagen der Leistungselektronik Ausbildung zum Mechatroniker Grundlagen der Leistungselektronik Trainingsaufgabe 1 Stromversorgung elektronischer Geräte Name: Vorname: Klasse/Kurs: Datum: Ziehen Sie die Begriffe aus dem Drag und Drop Test an die richtige Stelle in der Schaltung.Klicken Sie anschließend auf "Fertig" im Drag und Drop Test.Öffnen Sie hierfür den Drag und Drop Test im Kurs. Aufgabe: Begriffe: Brückengleichrichter, Spannungsregler, Schutz vor Rückströmen, Netztrafo, Betriebsanzeige, Ladekondensator, Verbesserung der Regeleigenschaften, Einstellen der Ausgangsspannung. gllt01q01 78 1 - Grundlagen der Leistungselektronik Ausbildung zum Mechatroniker Grundlagen der Leistungselektronik Trainingsaufgabe 2 Schalten und Stellen von Wechselstrom Name: Vorname: Klasse/Kurs: Datum: Ordnen Sie die Begriffe aus dem Drag und Drop Test den entsprechendenErklärungen zu.Klicken Sie anschließend auf "Fertig" im Drag und Drop Test.Öffnen Sie hierfür den Drag und Drop Test im Kurs. Aufgabe: Begriffe: Freilaufdiode, Pulsbreitensteuerung, Phasenanschnittsteuerung, Pulsfolgesteuerung Schwingungspaketsteuerung gllt01q01 79 1 - Grundlagen der Leistungselektronik Ausbildung zum Mechatroniker Grundlagen der Leistungselektronik Trainingsaufgabe 3 Betriebsarten elektrischer Antriebe Name: Vorname: Klasse/Kurs: Datum: Gegeben ist die Struktur eines Stromrichterantriebes. Ziehen Sie bitte die Begriffe aus dem Drag und Drop Test an die entsprechenden Symbole im Schaltplan.Klicken Sie anschließend "Fertig" im Drag und Drop Test.Öffnen Sie hierfür den Drag und Drop Test im Kurs. Aufgabe: Begriffe: Drehzahlsollwert, Drehzahlregler, Strombegrenzung, Stromregler, Steuersatz, Feldversorgung, Gleichstrommotor, Tachogenerator, Leistungsteil Ankerkreis. gllt01q01 80 1 - Grundlagen der Leistungselektronik Ausbildung zum Mechatroniker Grundlagen der Leistungselektronik Bearbeitung der Fallstudie Name: Vorname: Klasse/Kurs: Datum: Durch den Ausfall eines Transportbandes in einer modular aufgebauten Produktionseinheit kommt es in Ihrem Unternehmen zu Verzögerungen im Arbeitsprozess. Das Transportband wird von einem 24-V-Gleichstrommotor angetrieben. Erste Messungen ergeben, dass am Ausgang des Netzteils für die Ansteuerung des Motors keine Spannung anliegt. Da kurzfristig kein komplettes Austauschgerät für das defekte Netzteil zur Verfügung steht, müssen Sie versuchen, den Fehler im Gerät zu lokalisieren und zu beheben. Nach dem Öffnen des Gerätes stellen Sie fest, dass das Gleichrichterbauteil defekt ist. Wählen Sie an Hand der beiliegenden Vergleichsliste für Brückengleichrichter den geeigneten Typ aus und bestellen sie diesen beim Händler. Hinweise finden Sie in den im Schaltplan angegebenen Spannungs- und Stromdaten. gllt01q01 81 1 - Grundlagen der Leistungselektronik Ausbildung zum Mechatroniker Grundlagen der Leistungselektronik Bearbeitung der Fallstudie Hinweis: Spannungs- und Stromdaten, Schaltplan Vereinfachtes Technologieschema L1 N 230 V / 50 Hz L+ L- Spannungsversorgung 0V 24V M Transportband gllt01q01 82 1 - Grundlagen der Leistungselektronik Schaltplan des Netzteils gllt01q01 83 1 - Grundlagen der Leistungselektronik Brückengleichrichter - Vergleichsliste gllt01q01 84
