Stromzwischenkreis-Umrichter (I-Umrichter)

Stromzwischenkreis-Umrichter (I-Umrichter)
Die Schaltung entspricht grundsätzlich einer sechspulsigen Brückenschaltung im Wechselrichterbetrieb (α=150o). Durch
eine Glättungsdrossel im speisenden Gleichstromkreis wird der Strom im Wechselrichter und in der Last eingeprägt. Der
Ausgangsstrom und die Lastimpedanz bestimmen den Verlauf der Ausgangsspannung und diese steuert die
Kommutierung. Als Last kann nur ein Verbraucher oder mehrere gleiche, parallelgeschaltete Verbraucher angeschlossen
werden. Eine Energierückspeisung von der Last in den Gleichstromkreis ist durch Verschieben der Zündimpulse oder
durch Bremsbetrieb des Motors möglich. Dabei kehrt sich die mittlere Gleichspannung Ud um. Rückspeisedioden sind
wegen des eingeprägten Stromes nicht erforderlich, aber die Ventile sehen auch eine Spannung in Sperrichtung, daher
sind Thyristoren geeignete Schalter. Ist die Last eine passive Last, so kann sie durch ein RL-Glied dargestellt werden; ist
sie ein Asynchronmotor, so ist Ls die Ständerindukitivität und statt R erscheint die induzierte Spannung als
Wechselspannungsquelle.
Der Strompfad wird mit dem Zünden des nachfolgenden Ventils kommutiert. Die Kommutierungskondensatoren löschen
den in der vorangegangenen Phase leitenden Thyristor (Phasenfolgelöschung) und werden während der Kommutierung
umgeladen, so daß sie in der nächsten Phase die notwendige Kommutierungsspannung liefern können. Die Dioden D1 bis
D6 verhindern das Entladen der Kondensatoren zwischen den Kommutierungsvorgängen.
I
+
d
T3
Id
C1
T1
C3
U C1
U
U
d
D4
T4
-
D3 D5
V
U
-
U UN
iU
e
~
~
~
W
D6
C2
C4
D1
T5
C5
D1
U UN
T1
D2
T3
U
U
N
D3
C3
d
~
C1
+
C5
T2
V
~
D2 W
Ls
eU
Ls
N
~
Last (Asynchronmotor)
C6
T2
Kommutierungs-Ersatzschaltbild
T6
Das Ersatzschaltbild gilt für den Umschaltvorgang von Ventil T1 auf
T3: Ausgangszustand: Stromfluß vor dem Zünden von T3: Über T1 und
D1 zur Last. Die Kondensatoren sind wie gezeichnet aufgeladen. Die
Umschaltung von der Phase U auf Phase V wird eingeleitet durch
Zünden des Thyristors T3 und erfolgt in mehreren Schritten:
1) Der erste Kommutierungsvorgang: Die negative Kondensatorspg.
löscht T1. Die Geschwindigkeit dieses Kommutierungsvorgangs
wird durch Cp(C1parallel zu C3+C5).
und die hier nicht
Ersatzschaltbild der Last (Asynchronmotor)
gezeichneten Zuleitungs- bzw. Kondensatorinduktivitäten bestimmt.
2) Kondensatorumladung: Der Laststrom fließt durch die Kondensatoren und lädt sie bis auf die momentane
Motorspannung um.
3) Die zweite Kommutierung: Wenn uC1 >uVU geworden ist, übernimmt D3 den Strom (Viertelperiode des
Schwingkreises Cp und 2Ls).
Durch die nachfolgenden Kommutierungen werden die Kondensatoren wieder umgeladen, so daß nach einem Zyklus das
Ventil T1 wieder gelöscht werden kann.
Ein-/Ausgangsgrößen des I-Umrichters bei motorischer Last:
Eingangsleistung:
Pd = U d I d ≈Motorleistung =
Effektivwert d. Ausgangsstroms:
IU =
Effektivwert d. Grundschwingung:
I1U =
Ventilströme:
I TAV
3U 1 M I1 M cosϕ
2
I d (Kommutierung vernachlässigt!)
3
6
I d = I1 M
π
≈I FAV ≈I d / 3
I TRMS ≈I FRMS ≈I d / 3
Die erste Kommutierung (von T1 nach T3)
geschieht
bei
praktisch
konstanter
Kondensatorspannung:
i
Id
iu
Motorströme
t k 1 = I d * Lsc / U C max
ωt
Nach der ersten Kommutierung wird der
Kondensator (Cp = 1,5*C) in der Zeitspanne ta
von -UC max umgeladen, bis UC positiver
wird als die momentane Induktionsspannung
des Motors e(t) = eV - eU:
ta =
− U C max + e(t )
Id
Mit ω
0
i T1
ωt
* 1,5 C
Die Resonanzfrequenz ω o und die Dämpfung d
des während der 2. Kommutierung wirksamen
Schwingkreises (2R; 2Ls; 1,5C) bestimmen im
wesentlichen
diesen
Teil
des
Umschaltvorgangs. Bei motorischer Last wirkt
während der Kommutierung nur der geringe
Ständerwiderstand (d << 1) und der
Kommutierungsvorgang
wird
in
einer
Viertelperiode
des
Kommutierungsschwingkreises
ablaufen.
Folgende
Gleichungen
bestimmen
näherungsweise
den
2.
Kommutierungsvorgang:
Umschwingfrequenz: ω r =
i
Ventilströme
i T3
i
ωt
u
eV
eU
ωt
w 02 − d 2
= 1 / 2 Ls * 1,5C
und
Umschwingdauer :
Induktionsspannungen
des Motors
d = R / Ls / 3C
2π
1
tk2 ≈
=
4ω r 4 f r
tk
u
eV - e U
Die Schonzeit für die Thyristoren wird durch
die Umladung der Kondensatoren bestimmt.
Die Kondensatorspannung liegt nach dem
Ausschalten des Thyristors direkt an diesem.
Sobald sie positiv wird, ist die Schonzeit
abgelaufen:
Schonzeit:
ωt
Spannung an
Motor und
Kondensator
ta
t s = 1,5 * C * U C max / I d
Das Maximum der Induktionsspannung
während der 2. Kommutierung tritt am Ende
des Kommutierungsvorganges auf:
Komm.spannung:
∆U C = I d
2 Ls
3C / 2
Die maximale Motorspannung ist gleich der
Kondensatorspannung und setzt sich aus dem
Scheitelwert der vom Motor induzierten
Spannung und der während des 2.
Kommutierungsvorgangs
an
den
Motorinduktivitäten induzierten Spannung
zusammen:
U 1 M max = U C max = 2 (eV − eU ) + ∆U
= 2U 1 M + ∆U
u
ts
U T1
ωt
Ventilspannung von T1
Die Phase ϕ zwischen Motorstrom und -spannung stellt sich nach der Belastung ein. Der Stromrichter, welcher die
Zwischenkreisspannung bereitstellt (meist eine B6C-Schaltung), muß der aktuellen Lastsituation angepaßt sein. Bei
Motorbetrieb speist der Eingangsgleichrichter Wirkleistung in den Zwischenkreis ein (dessen Steuerwinkel α ist < 90o),
der I-Wechselrichter gibt sie weiter an den Motor. Beim Bremsbetrieb (Generatorbetrieb) liefert der Motor Wirkleistung
in den Zwischenkreis zurück und der Eingangsgleichrichter speist sie ins Netz zurück (α > 90o).
Motorbetrieb
Leerlauf
Generatorbetrieb
Die Dimensionierung des I-Umrichters:
1. Schritt: Die maximale Thyristorsperrspannung muß größer sein als der Scheitelwert der Motorspannung +
Kommutierungsspannung; z. B. U D ,RRM ≥ ( 2U 1 M + ∆U ) * k k = Sicherheitsfaktor
Bei gegebenem Thyristor kann ∆U, bei gegebenem ∆U kann die Thyristorsperrspannung berechnet werden.
2. Schritt: Mit der Motorständerinduktivität kann der Kommutierungskondensator berechnet werden. Damit ist bereits die
Schonzeit des Thyristors und die Umschwingfrequenz festgelegt. Da der Umschwingvorgang kürzer sein muß
als die Länge eines Stromblocks (z. B. ta + tk2 < T/12) ist damit auch die max. Betriebsfrequenz f = 1/T
gegeben. Es kann auch bei gegebener Betriebsfrequenz die Kondensatorgröße
und danach die
Thyristorspannung berechnet werden.
3. Schritt: Die Schonzeit des Thyristors muß kontrolliert werden. Gegebenenfalls muß der Kondensator vergrößert
werden.
Eigenschaften der I-Umrichter:
Vorteile: Einfache Steuerung
Nachteile:
Beide Drehrichtungen möglich
Rückspeisung in den Zwischenkreis möglich
Strom nicht sinusförmig
Stromrichter muß an die Maschine angepaßt werden
Betrieb auf Frequenzen < 1kHz beschränkt
Steuerung der Wechselrichter:
Die Ausgangsspannung (bzw. der Strom) und die Ausgangsfrequenz müssen entsprechend den Anforderungen durch die
Last (z. B. Drehstrom-Motor, Trafo) eingestellt werden. So ist für den häufig vorkommenden Fall für einen konstanten
Magnetfluß das Verhältnis U/f konstant zu halten.
Spannungs-/Stromänderung:
• Amplitudensteuerung: Die Gleichspannung Ud (Gleichstrom Id) im Zwischenkreis wird über steuerbare
Gleichrichter verändert.
• Pulssteuerung: Mit einem Pulswechselrichter wird die Ausgangsamplitude durch Verändern der Sinusspannung im
Komparator des Steuergenerators eingestellt.
Frequenzänderung: Die Grundtaktfrequenz des Wechselrichters ist gleichzeitig auch die Ausgangsfrequenz. Die
Schaltfrequenz muß entsprechend dem Taktverhältnis mit der Grundfrequenz verändert werden. Eine obere Grenze
ist durch die Schaltverluste der Halbleiterschalter, beim I-Umrichter durch die Dauer des Umschwingvorganges
gegeben.