Kapitel 19 - antriebstechnik.fh

19
Frequenzumrichter
Übungsziel:
• Zusammensetzung der Stromrichterkomponenten zu Umrichterschaltungen.
Übungsdateien:
SIMPLORER:
19.1
u_umrdr.ssh; u_umrdr_m.ssh; u_umrdr_mf.mdx;
u_umrdr_mf.day
Allgemeines
Allgemein findet der Energieaustausch zwischen Erzeugern und Verbrauchern
durch Wechselstrom oder als Sonderfall mit der Ausgangsfrequenz Null durch
Gleichstrom statt. Oft wird die Energie mit einer festen oder variablen Frequenz
gewünscht. Einphasige und dreiphasige Brückenschaltungen bilden die grundlegenden Bauelemente der Umrichter.
Bild 19.1: Prinzip des Frequenzumrichters
Der am Netz angeschlossene steuerbare oder nicht steuerbare netzgeführte Gleichrichter oder Wechselrichter, verbindet das Netz mit dem Zwischenkreis. Der lastseitige Stromric hter stellt die für die Last erforderlichen Frequenzen, Spannungen
und Ströme bereit. Der Zwischenkreis ist ein Energiespeicher. Als Speicher dient
entweder ein Kondensator für den Spannungszwischenkreis oder eine Induktivität
für den Stromzwischenkreis. Man spricht entsprechend von U- oder I-Umrichter.
Die Speicher sind im Idealfall so groß, dass die Gleichspannungen oder der Strom
zeitlich konstant sind. In diesem Fall ist das Netz von der Last vollständig entkoppelt. Sie lassen sich unabhängig voneinander steuern. Stromzwischenkreisumric hter bieten nur bei größten Leistungen Vorteile und sind deswegen selten.
Wegen ihrer häufigeren Einsatzmöglichkeit werden selbstgeführte Wechselrichter
behandelt, die an konstanter Gleichspannung liegen. Einige Steuerverfahren sind
in den voranstehenden Kapiteln untersucht worden. Die Ausgangsfrequenz und die
Spannungsamplitude können durch unterschiedlichste Steuerverfahren geändert
werden. Der Laststrom soll trotz der stark verzerrten Wechselspannungen auf der
Lastseite möglichst sinusförmig sein. Die SIMPLORER-Version, die speziell mit
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einge schränkter Funktionalität für dieses Buch entwickelt wurde, stößt bei diesen
umfangreichen Schaltungen an Grenzen. Trotzdem kann ein einfaches Netzwerk
eines Spannungszwischenkreisumrichters untersucht werden. Für weitere Schaltungsentwicklungen muss auf die Vollversion verwiesen werden.
Bild 19.2: Zwischenkreise
19.2
Spannungszwischenkreisumrichter
Bisher wurden selbstgeführte Wechselrichter an eine ideale impedanzfreie Gleic hspannungsquelle angeschlossen. Allgemein sind diese idealen Spannungsquellen
durch Gleic hrichterschaltungen mit Kondensatoren nur angenähert zu realisieren.
Die Größe der Kapazität ist aus Kosten- und Platzgründen begrenzt. Der Mitte lwert der netz- und lastseitigen Wirkleistungen muss gleich sein (PN = Pd = PL ).
Die Blindleistungen auf der Netz- und Lastseite QN und QL können unabhängig
voneinander am Netz oder am Laststromrichter eingestellt werden. Sie arbeiten als
unabhängige Blindleistungsquellen oder Senken. Auf der Netzseite wird meist eine ungesteuerte Brücke verwendet. Obwohl der Leiterstrom auf der Netzseite verzerrt ist, bleibt er in Phase mit der Spannung. Die Steuerblindleistung verschwindet. Der Netzleiterstrom besteht aus kurzen hohen Impulsen. Seine Verzerrungsanteile bilden im Zusammenhang mit der sinusförmig angenommenen Netzspannung
die Verzerrungsblindleistung. Die Stromform lässt sich mit der zusätzlichen Glä ttungsdrossel im Zwischenkreis etwas verbessern. Sie bildet zusammen mit der
Lastimpedanz und dem Kondensator einen Filter dritter Ordnung, der eine starke
Resonanzspitze bei ωRes nach Gleichung (19.1) aufweist. Die Ausgangsfrequenz
sollte weit unterhalb der Resonanzfrequenz liegen.
Näherungsweise ergeben ungesteuerte Gleichrichterbrücken eine Zwischenkreisspannung vom Scheitelwert der Leiterspannung. Die Gleichspannung hat eine von
der Netzfrequenz abhängige Welligkeit. Ihr Mittelwert Ud sinkt leicht mit zunehmender Belastung. Der Zwischenkreisstrom hat einen großen Gleichanteil Id , der
von der zu übertragenen Wirkleistung abhängt. Der Gleichstrom hängt vom Modulationsgrad, der Amplitude des Leiterstrom auf der Lastseite und von dessen Phasenlage ab. Dem Gleichanteil sind schaltungsabhängige Verzerrungsanteile überlagert.
19.3 Simulationsergebnisse
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Der lastseitige Wechselrichter soll eine einstellbare Spannungsquelle sein. Die
Spannungsamplitude wird in der Antriebstechnik nach der geforderten Frequenz
geführt. Im Modell ist für diese Aufgabe ein Pulsumrichter angeschlossen. Er
muss neben der Wirkleistung auch die Blindleistungen bereitstellen.
ωRe s =
L Kreis + L L
L Kreis LL C Kreis
(19.1)
Bild 19.3: Spannungszwischenkreisumrichter
In der Schaltung Bild 19.3 ist das Modell des verwendeten Zwischenkreisumrichters aus Makros aufgebaut. An dem dreiphasigen Netzmakro können durch
entsprechende Eingabe der Netzübergangswiderstände die Netzrückwirkungen
sichtbar gemacht werden. Die Eingangsschaltung ist eine ungesteuerte Brückenschaltung. Neben ihrem einfachen Aufbau hat sie gegenüber einer gesteuerten
Brücke den Vorteil, dass das Netz nicht durch Steuerblindleistung belastet wird.
Der Grundschwingungs verschiebungs faktor cos(ϕ1 ) ist deswegen ziemlich hoch
und damit auch der Leistungsfaktor λ. Diese Brücke lässt keine Stromumkehr zu.
Damit ist eine Energie rückspeisung ins Netz von der Lastseite her nicht möglich.
Da am Ausgang nur eine ohmsch-induktive Last liegt, kann ohnehin keine Energie
in den Zwischenkreis gespeist werden. Die Schaltung kann so nur im ersten Quadranten Energie vom Netz in den Verbraucher leiten. Soll der Vier-Quadrantenbetrieb beim Antrieb einer elektrischen Maschine realisie rt werden, ist die Eingangsbrücke durch eine antiparallele Schaltung zu ergänzen. Damit wird die Stromrichtung im Eingangskreis umkehrbar.
Der Wechselrichter wird als selbstgeführter Pulsstromrichter betrieben und durch
eine Dreieck-Rechteck-Pulsung mit f p /f = 9 gesteuert.
19.3
Simulationsergebnisse
Die Simulation wurde mit der dreiphasigen Last von RL = 5 Ω und LL = 10 mH
durchgeführt. Im Vergleich zur Blocksteuerung wird mit einem Modulationsgrad
M = 0,5 die Amplitude der Grundschwingung der Ausgangsspannung auf die Hälfte gesteuert.
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19 Frequenzumrichter
Bild 19.4: Strom und Phasenspannung am der Last
Bild 19.5: Strom und Spannung im Zwischenkreis
Die Strom- und Spannungskurven in Bild 19.4 zeigen die typische Form der Phasenspannung am Ausgang des selbstgeführten Wechselrichters. Die gesamten Effektivwerte sind UL aus = 185 V bei einem Strom von IL aus = 15,5 A. Der Laststrom
ist bis auf seinen Verzerrungsanteil sinusförmig. Man sollte nicht von Phasenverschiebung zw ischen Strom und Spannung sprechen, da ihre Kurvenformen nicht
gleich sind. In der Spannung sind die horizontalen Begrenzungen nicht mehr linear. Der Gleichspannung im Zwischenkreis (Bild 19.5) von Ud = 554 V ist eine
Wechselgröße der sechsfachen Grundfrequenz überlagert. Die Welligkeit beträgt
19.4 Leistungsauswertung
291
wu = 9 %. Sie wirkt auf die Hüllkurven der Ausgangsspannung zurück. Die Grundfrequenz ist hier mit 100 Hz gleich der doppelten Eingangsfrequenz. Der Zwischenkreisstrom setzt sich aus der Summe aller drei Teilströme jeder Phase
zusammen. Seine Welligkeit ist wi = 115 %. Es kompensieren sich bei symmetrischer Steuerung und symmetrischer Belastung viele Frequenzanteile. In Bild 19.6
sind zum Vergleich die Phasenspannung auf der Netzseite und der Leiterstrom
oszillografiert. Er hat nicht mehr den für die Gleichstromglättung typischen Verlauf. Der Strom tritt in mehr oder weniger breiten Impulsen auf, da es sich um eine
Brücke mit gleichstromseitiger Spannungsglättung handelt.
Bild 19.6: Strom und Phasenspannung am Eingang
19.4
Leistungsauswertung
Die Spannungs- und Stromkurven wurden in die ASCII-Datei u_umrdr_mf.mdx
gespeichert und in DAY über die Leistungsanalyse ausgewertet. In Bild 19.7 ist die
Leistung einer Phase berechnet worden. Da die Leistungen auf den Wechselseiten
sowohl am Eingang als auch am Ausgang des Umrichters bestimmt wurden, müssen die Ergebnisse mit dem Faktor 3 multipliziert werden, um die Dreiphasenleistung zu erhalten. Die Wirkleistungen betragen entsprechend der Analysegenauigkeit P = 3,7 kW.
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Bild 19.7: Eingangsleistung
Mit den Ergebnissen der FFT-Analyse der Lastspannung und des Stromes folgen
UL1aus = 124,5 V und IL1aus = 15,4 A. Mit dem Phasenwinkel der Grundschwingungen zwischen Strom und Spannung von ϕ1 = 51° ergibt sich die Wirkleistung mit
P = 3 UL1aus IL1aus cos(ϕ1 ) = 3,61 kW. Die Auswertung über die Leistungsanalyse
am Umrichterausgang nach Bild 19.9 ergibt P = 3 ⋅ 1,22 = 3,66 kW. Die Theorie
erwartet hier gle iche Ergebnisse.
Bild 19.8: Zwischenkreisleistung
19.4 Leistungsauswertung
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Mit dem Verschiebungsfaktor λ = g u cos(ϕ1) = 0,422 nach Bild 19.9 folgt der
Grundschwingungsgehalt der Spannung zu g u = 0,67.
Weitere Untersuchungen bezüglich einer Unsymmetrie blindleitung, der Einfluss
vom Netzrückwirkungen, der Betrieb bei Gegenspannung, die Wirkung von Filtern etc., können auch mit diesem Modell durchge führt werden.
Bild 19.9: Ausgangsleistung