Kapitel 18 - antriebstechnik.fh

18
Stromregelung selbstgeführter
Wechselrichter
Übungsziele:
• Arbeitsweise von selbstgeführten B2-Brücken mit Phasenstromregelung
• Arbeitsweise von selbstgeführten B6-Brücken mit Phasenstromregelung
Übungsdateien: SIMPLORER:
18.1
sb2rlzwpkt_ m.ssh; sb6rlzwpkt_m.ssh
Zweipunktregelung der B2-Brücke
Der Phasenstrom der B2-Brücke wird in einem Toleranzband der Breite Delta geschaltet, das symmetrisch um einen sinusförmigen Sollwert liegt. Ein Hysteresekomparator schaltet die Ventile um, sobald der Strom die Bandgrenzen erreicht.
Die Differenz zwischen Sollwert und Istwert entspricht dem Verzerrungsanteil des
Stromes, der auch eventuelle Abweichungen der Grundschwingung mit einschließt. Der Verzerrungsstrom ist in Bild 18.4 gezeichnet. Die Grundschwingung
der Ausgangsspannung stellt sich den Lastverhältnissen nach Betrag und Phase
entsprechend ein.
i
t
Bild 18.1: Ausschnitt aus dem Phasenstrom
Grundsätzliche Eigenschaften:
•
Im Gegensatz zu den Verfahren der Spannungssteuerung ist bei der Stromsteuerung der Verzerrungsanteil des Phasenstroms unabhängig vom Arbeitspunkt des Stromrichters. Seine Scheitelwerte und Effektivwerte lassen sich in
Abhängigkeit von der Toleranzbandbreite nach Gleichung (18.1) angeben. Für
die Berechnung des Effektivwertes wird Linearität zwischen den Berührungspunkten des Toleranzbandes angenommen.
)
Delta
I verz =
2
I verz eff =
Delta
2 3
(18.1)
18.1 Zweipunktregelung der B2-Brücke
281
• Im Gegensatz zu den spannungssteuernden Verfahren kann die Schaltfrequenz
nicht vorgegeben werden. Sie stellt sich von selbst ein und verändert sich laufend innerhalb einer Grundperiode. Die Stromsteuerung ist asynchron. In diesem Fall besteht das Frequenzspektrum nicht nur aus ganzzahligen Harmonischen der Grundschwingung. Es treten zusätzlich noch Zwischen- und Subharmonische auf.
18.1.1
Simulation der Einphasenbrücke mit SIMPLORER
Die Zweipunktregelung wird an einem Beispiel mit der Datei sb2rlzwpkt_m.ssh
erklärt.
Der Strom schaltet in Bild 18.2 zwischen den Toleranzgrenzen Delta = 0,2 um. Der
sinusförmige Sollwert hat die Amplitude Ampl = 80 A. Seine Vorgabe hängt von
der Einstellung der Lastwerte am Widerstand R und der Induktivität L ab. In Bild
18.3 schwingt der Laststrom zwischen der oberen und unteren Grenze des Toleranzbandes um den Sollwert. Der Strom erreicht die Toleranzgrenze und schalteten dann um. Seine Frequenz hängt von der Breite des Toleranzbandes und der
Vorgabe des Sollwertes ab, wie in Bild 18.3 und Bild 18.4 gezeigt wird. Die momentane Frequenz f mom ändert sich zu jedem Zeitpunkt. Berechnet man über einer
Grundperiode eine mittlere Schaltfrequenz f S, dann gilt für das Frequenzverhältnis
mit dem Modulationsgrad M:

fS
ð Ud
M2
1 −

=
f1 2ω1 L Delta 
2 
(18.2)
Bild 18.2: Zweipunktregelung der B2-Schaltung
Bei der Frequenzanalyse ergeben sich verdichtete Linienspektren, die sich mit zunehmender Aussteuerung über das gesamte Frequenzspektrum ausdehnen, während sich die Amplituden verkleinern. Es ergibt sich ein typisches Frequenzband
asynchroner Steuerung.
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Weiterhin kann der Phasenstrom in Abhängigkeit von einer Gegenspannung untersucht werden.
Der Phasenstrom lässt sich mit dem Zweipunktregler sehr schnell regeln. Sobald
der Strom das Toleranzband verlassen will, wird er mit maximaler Geschwindigkeit ins Band zurückbewegt.
Bild 18.3: Laststrom und Spannung der B2-Brücke
Bild 18.4: Verzerrungsstrom der B2-Brücke ohne Sollwert
18.2
Zweipunktregelung der B6-Brücke
Jede Phase des dreiphasigen, selbstgeführten Stromrichters wird mit je einem
Zweipunktregler ausgestattet. Wäre der Nullwert des Spannungszwischenkreises
mit dem Sternpunkt N verbunden, so würden sich die drei Regler wie einphasige
Zweipunktregler verhalten. Da Nullpunkt und Sternpunkt in Bild 18.5 nicht ver-
18.2 Zweipunktregelung der B6-Brücke
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bunden sind, beeinflussen sich die Phasen gegenseitig, da jede Phasenspannung
von allen drei Schaltzuständen abhängig ist. Da bei elektrischen Maschinen die
Sternpunkte meist nicht zugänglich sind, entspricht diese Schaltung der Realität.
Bild 18.5: Zweipunktregelung der B6-Brücke
18.2.1
Simulation der Dreiphasenbrücke mit SIMPLORER
In Bild 18.6 sind die drei Phasenströme mit ihren Grenzen und dem sinusförmigen
Sollwert sowie eine Phasenspannung dargestellt. Die Sollwertamplitude ist mit
Ampl = 50 A vorgegeben. Das Toleranzband hat die Breite Delta = 20 % der Sollwertamplitude. Der Modulationsgrad ist M = 0.8.
Man kann aus den Beispielen folgende Besonderheiten erkennen:
• Der Phasenstrom nutzt nicht immer das gesamte Toleranzband aus. Die Schalthandlungen in den anderen Brückenzweigen beeinflussen sich und können
auch die Steigung der Momentanwerte umkehren.
• Schon beim einphasigen Zweipunktregler tritt die kleinste momentane Schaltfrequenz dort auf, wo die Ströme durch Null gehen. Dieser Effekt wird verstärkt, da zur gle ichen Zeit die anderen Brückenzweige größere Schaltaktivität
aufweisen.
• Der Strom geht über das Toleranzband hinaus. Er erreicht den Rand und kann
ihn sogar überschreiten, obwohl der entsprechende Brückenzweig schon entgegengesetzt geschaltet hat. Erst das Schalten eines anderen Brückenzweiges verringert wieder den Stromfehler.
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• Die Grundschwingung der Phasenspannung stellt sich zwar auf den richtigen
Wert ein. Es werden aber nicht immer die günstigsten Schaltniveaus verwendet. Dadurch schwingt der Phasenstrom manchmal nicht mit der kleinsten möglichen Schaltfrequenz.
Bild 18.6: Laststrom und Spannung der B6-Brücke
Bild 18.7: Verzerrungsstrom einer Phase der B6-Brücke ohne Sollwert
Die Verläufe der mittleren Schaltfrequenz f S in Anhängigkeit der Modulation M
können nicht mehr wie beim Zweipunktregler nach Gleichung (18.2) berechnet
werden. Diese Frequenz und die Effektivwerte können nur experimentell ermittelt
werden.
18.2 Zweipunktregelung der B6-Brücke
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Allgemeine Aussagen über die Schaltfrequenz:
• Die Schaltfrequenzen können bezogen auf eine Grundperiode stark variieren.
• Einer Verdopplung des Toleranzbandes folgt näherungsweise die Halbierung
der Schaltfrequenz und entsprechend eine Verdopplung des Verzerrungsstroms.
• Die Schaltfrequenz ist im Bereich der Modulation 0,6 < M < 1 ähnlich dem der
einphasigen Zweipunktregelung mit doppeltem Toleranzband.
• Obwohl die Phasenströme nicht streng von einer Bandgrenze zur anderen
schwingen, kann der Effektivwert weiterhin mit der Näherungsformel Gle ichung (18.1) berechnet werden. Die tatsächlichen Werte sind nur etwas größer.
• Der dreiphasige Zweipunktregler ergibt keine exakt symmetrischen Verhältnisse in den drei Phasen. Im Mit tel stellen sich für alle Schalter dieselben
Schaltfrequenzen und Effektivwerte ein.
18.2.2
Grenzzyklus bei niedrigen Modulationen
Bei niedrigen Aussteuerungen gelten diese Aussagen nicht mehr. Es kann zeitweise der sogenannte Grenzzyklus auftreten, bei dem die Brückenzweige genau abwechselnd schalten. In Bild 18.8 und Bild 18.9 sind allein der Verzerrungsstrom
und die Phasenspannung bei M = 0,1 aufgenommen. Die Zeitintervalle, in denen
die Grenzzyklen auftreten, sind an den hohen Spannungsamplituden und der großen Frequenz erkennbar. Mit der Annahme, dass die Zyklen mit äquidistanten
Schaltflanken behaftet sind (Bild 18.10) folgt die maximale Schaltfrequenz der
Instabilität zu:
f mom
f
mom max
max
=
2U d
9 Delta L
(18.3)
ist die größte momentane Schaltfrequenz, die möglich ist.
In den Grenzzyklen arbeitet die Stromregelung instabil. Die Anzahl der Zyklen
und ihre Folge tritt zufällig auf. Sie bestimmen bei kleiner Modulation maßgebend
die mittlere Schaltfrequenz. Mit zunehmender Aussteuerung werden die Grenzzyklen seltener und verschwinden bei M > 0,4 vollständig.
Die unnötig hohe Schaltfrequenz bei kleiner Modulation kann in der Praxis durch
verschiedene Maßnahmen vermieden werden.
Die Zweipunktregler werden im Bereich der maximalen Aussteuerung während
einer sechstel Periode festgehalten. Es sind dann während dieser Zeit nur zwei
Regler im Einsatz. Es treten dabei aber größere Toleranzbandverletzungen auf,
was zu einem höheren Effektivwert des Verzerrungsstroms führt.
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Durch Einführen einer minimalen Ein- und Ausschaltzeit wird die momentane
Schaltfrequenz auf einen Wert begrenzt, der kleiner als f ins max ist.
Bild 18.8: Grenzzyklus bei niedriger Aussteuerung
Bild 18.9: Ausschnitt Grenzzyklus bei niedriger Aussteuerung
Bild 18.10: Grenzzyklen mit äquidistanten Schaltflanken