6. Wechselrichter

Wechselstromsteller
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!"#$%&'(%)*+&',%*#
!"#$$%&'()*+,'-$./0*1/2+&0*3/+$
Mit Wechselrichtern wird Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt
Die Energierichtung verläuft vom Gleichstrom zum Wechselstromsystem.
Man unterscheidet zwischen statischen Wechselrichtern und rotierenden Wechselrichtern.
Ein !"#$%!%&'%!( )%*+,%-!$*+#%! kann zum
Beispiel aus einer Gleichstrommaschine und
einem
Synchrongenerator
bestehen.
Eine
Gleichstromquelle
speist
dabei
eine
Gleichstrommaschine, die den Synchrongenerator
antreibt. Der Generator liefert Wechselstrom an
einen angeschlossenen Verbraucher. Wegen des
schlechteren Wirkungsgrades und der heute
preisgünstigen statischen Wechselrichter findet
man diese Art nur noch selten vor.
.#/#$,*+%()%*+,%-!$*+#%! sind mit Bauelementen der Leistungselektronik aufgebaut, welche
in der Regel im voll durchgesteuertem Bereich betrieben werden. (Schalterbetrieb).
!"4$$5/36-/()*+3/$,'7$1/2813-/()*+3/$./0*1/2+&0*3/+$
Wechselrichter, welche synchron zum Netz arbeiten, bezeichnet man als &%#01%23+!#%(
)%*+,%-!$*+#%!. Geht eine Gleichstrommaschine, welche über eine B2C-Schaltung an das
Netz angeschlossen ist in Generatorbetrieb über, wird die von der Gleichstrommaschine
abgegebene elektrische Leistung (Gleichstrom) über die B2C-Schaltung (Steuerwinkel α >
90°) ins Wechselstromnetz zurückgespeist. Die Energierichtung erfolgt vom Gleichstrom zum
Wechselstromsystem. Die B2C-Schaltung arbeitet als Wechselrichter. Spannung und
Frequenz des Wechselstromnetzes sind fest vorgegeben und sorgen für die Kommutierung des
Gleichstromes von einem Stromrichterventil auf das nächste.
Wechselrichter, welche unabhängig von einem bestehenden Wechselstromnetz arbeiten
(Inselbetrieb) bezeichnet man als ,%-4,#1%23+!#%( )%*+,%-!$*+#%!. Um aus dem
Gleichstromnetz ein Wechselstromnetz zu formen, werden die Stromrichterzweige in einem
bestimmten Takt angesteuert, um die gewünschte Frequenz zu erzielen.
X2EE, TECEN
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!"9$$:+&'6&;$7/1$./0*1/2+&0*3/+1$<&3$=*<10*/+$>?13$
Selbstgeführter Wechselrichter in Brückenschaltung mit ohmscher Last
Die Gleichspannung Ud wird mit wechselnder Polarität durch abwechselndes, paarweises
Schalten der diagonalen Schaltern Q1 und Q4 bzw. Q2 und Q3 an den Verbraucher RL gelegt.
Am Verbraucher RL entsteht eine rechteckförmige Wechselspannung u2 mit der Amplitude
Ud .
Die Frequenz mit der Periodendauer T lässt sich durch den Schalttakt steuern. Bei ohmschen
Verbrauchern ist der Laststrom i2 in Phase mit der Spannung u2 und ebenfalls rechteckförmig.
(
(
5$%(6%$,#7&1($,#(23!(/--%(8%$#/4,*+&$##%(9",$#$:;((
Dies bedeutet, dass die Leistung &7!( :"&( '%!( <-%$*+,#!"=,%$#%( 07!( )%*+,%-,#!"=,%$#%(
transportiert wird.
Die Schalter Q1 bis Q4 stellen Bauelemente aus der Leistungselektronik dar. Es müssen
löschbare Ventile sein, damit der Stromfluss zu einem beliebigen Zeitpunkt unterbrochen
werden kann. Anwendung finden z.B. Transistoren, IGBT’s, Abschaltthyristoren (GTO) und
Thyristoren mit Löscheinrichtungen.
X2EE, TECEN
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(
!"@$$:+&'6&;$7/1$./0*1/2+&0*3/+1$<&3$=*<10*A&'7,B3&C/+$>?13$
Werden Blindleistungsverbraucher angeschlossen, so ist die Schaltung zu erweitern, denn es
muss für die Rücklieferung der Blindleistung vom Verbraucher zur Gleichstromseite gesorgt
werden.
Dazu werden Rückstromdioden antiparallel zu den Halbleiterventilen geschaltet.
(
!"#$%&'()*#$$+,-.+
(
Im Zeitabschnitt T1 leiten Q1 und Q4. An der Last liegt die Gleichspannung Ud. Der Strom
steigt wegen der Induktivität erst allmählich an. Elektrische Leistung wird von der Gleichspannungsquelle zum Verbraucher transportiert.
(
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X2EE, TECEN
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Im Zeitabschnitt T2 werden die Transistoren Q1 und Q4 gesperrt, Q2 und Q3 eingeschaltet.
Durch den Abbau der magnetischen Energie wird in der Induktivität eine Induktionsspannung
induziert, welche den Strom in die gleiche Richtung weiter treibt. Dabei werden die
Rückstromdioden R2 und R3 leitend. Der Gleichstrom id kehrt seine Richtung um, Die
Energie der Induktivität wird in die Batterie zurückgespeist. Der Strom klingt nach einer eFunktion ab. Trotz Ansteuerung sind die Transistoren Q2 und Q3 stromlos. Sie werden von
den Rückstromdioden überbrückt.
(
(
(
(
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(
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Der Strom hat den Wert Null erreicht, die Dioden sperren. Nun übernehmen die Transistoren
Q2 und Q3. der Laststrom ändert seine Richtung und der Verbraucher nimmt wieder Leistung
aus der Stromquelle auf.
(
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(
(
(
X2EE, TECEN
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(
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Am Verbraucher liegt während einer Periode, sowohl bei induktiver als auch bei ohmscher
Last, eine Rechteckspannung mit der Amplitude Ud. Der Stromverlauf ist unterschiedlich, je
nach Art des Verbrauchers.
!"D$$E'F/'7,'-/'$
>+"#":"-#/$?/&-/1%&@(
Die Solarzellen, die in so genannten Solargeneratoren zusammengefasst sind, erzeugen
Gleichstrom, das Versorgungsnetz arbeitet jedoch mit 50 Hz - Wechselstrom. Der erzeugte
Gleichstrom muss also vor dem Einspeisen in einen 50 Hz -Wechselstrom (oder Drehstrom)
umgewandelt werden. Dazu dienen so genannte Wechselrichter.
Der Wechselrichter erzeugt jedoch eine Rechteckspannung. Um den Ausgang des Wechselrichters an das Netz (mit sinusförmiger Spannung) anzupassen verwendet man die
123'4"#$"*'$"2"52*6 (PWM).
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Der Wechselrichter arbeitet mit einer höheren Frequenz ( 2kHz bis 15 kHz). Die Breite der
Rechteckimpulse wird so verändert, dass man einen Spannungsmittelwert erhält, welcher
sinusförmig ist. Durch die zusätzliche Induktivität enthält man einen fast sinusförmigen Strom.
Eine sinusförmige Spannung erhält man auch durch zusätzliche Filter am Ausgang des
Wechselrichters.
(
A.BCD&-/1%&(E(A&#%!4!%*+7&1,2!%$%(.#!"=:%!,"!17&1F(
Englisch:
Französisch: Onduleur
(UPS), oder No brake
USV-Anlagen werden in Krankenhäusern, Rechenzentren usw. um bei Störungen in deren
Stromnetz die Stromversorgung sicherzustellen.
Je nach Aufbau schützt eine USV die angeschlossenen Systeme vor folgenden Störungen:
•
•
•
•
•
Stromausfall
Unterspannung
Überspannung
Frequenzänderungen
Oberschwingungen
Man unterscheidet zwischen !"#$%"& und !''#$%"&()*+#,"$-.&"
X2EE, TECEN
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!''#$%"&()*+#,"$-.&"/(
Netz
Gerät
Filter/
Spannungsregler
~
~
Gleichrichter
Wechselrichter
Normalbetrieb
bei Netzausfall
Akkumulatoren
Im Normalfall wird der Strom durch die USV ohne Spannungswandlung an die angeschlossene Geräte (Rechner) weitergeleitet (eventuell mit Filter und/oder Spannungsregler). Treten
Spannungsschwankungen oder Stromausfälle auf, schaltet die Offline - USV automatisch auf
Batteriebetrieb um. Die Umschaltung auf Akkubetrieb erfolgt innerhalb von ca. 2 - 4 ms, also
praktisch ohne Unterbruch.
!"#$%"&()*+#,"$-.&"/(
Netz
~
Gerät
~
Gleichrichter
Wechselrichter
Normalbetrieb
Akkumulatoren
bei Netzausfall
Online USV's beliefern den Stromverbraucher (PC / Server) konstant mit künstlicher
Spannung. Die Netzspannung dient nur zum Laden der Akkus. Die Spannung wird durch
Umwandlung von Wechsel- zu Gleichstrom und wieder zurück vollkommen regeneriert. Bei
On-Line USV-Anlagen, arbeitet der Wechselrichter dauernd. Bei Netzausfall tritt am
Ausgang keinerlei Unterbrechung auf. Auch werden durch diesen Aufbau sämtliche
Störungen aus dem Netz ausgeschlossen.
*0"12%.&(,"3&"45".&"/(
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Versorgung von Geräten, die auf Netzstrom angewiesen , aber nur eine Gleichspannungsquelle, wie zum Beispiel eine Autobatterie, zur Verfügung steht .
(
!"!$$G+/H,/'6,<+&0*3/+$
(
E)%*+,%-!$*+#%!(=$#(8G$*+%&?!%$,7=2"!=%!F(
Ein H!%I7%&07=!$*+#%! ist ein Gerät, das aus einem Drehstrom (oder Wechselstrom) mit
bestimmter Frequenz in einen anderen Drehstrom (oder Wechselstrom) mit veränderter
Frequenz und veränderter Spannung generiert. Mit dieser umgerichteten Spannung wird dann
der Verbraucher betrieben.
Mit dem Frequenzumrichtung wird die Drehzahl von Asynchronmotoren gesteuert. Die
Drehzahl eines Asynchronmotors ist proportional zur Frequenz . ( * =
8 ⋅ 60
).
7
Im Prinzip besteht der Frequenzumrichter aus:
•
•
•
Einem Gleichrichter, der einen Gleichstrom- oder Gleichspannungs-Zwischenkreis
speist,
Im Zwischenkreis wird die Gleichspannung bzw. der Gleichstrom geglättet.
Der Wechselrichter wird aus diesem Zwischenkreis gespeist. Die Höhe der Ausgangsspannung und auch deren Frequenz können in weiten Grenzen geregelt
werden.
Der Drehstromasynchronmotor gibt ein konstantes Moment ab, wenn er einen konstanten
magnetischen Fluss und einen konstanten Strom erhält.
Verändert man die Frequenz an einem Asynchronmotor, so verändert sich auch der induktive
Blindwiderstand XL des Motors ( : ~ 2 ⋅ π ⋅ 8 ⋅ 9 ). Der induktive Blindwiderstand des Drehstrommotors ändert proportional mit der Frequenz. Um den Strom aber konstant zu halten
muss also die Spannung der Frequenz angepasst werden.
Das Verhältnis Spannung / Frequenz muss somit konstant bleiben (U/f = konst), d.h. beim
Verringern der Frequenz wird proportional die Spannung verringert, und umgekehrt.
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J%$,9$%-@((
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Motor Nenndaten 230/400 V 50 Hz Sternschaltung,
Spannung 400 V, f = 50 Hz ⇒
> 400=
=
=
=8
8
50 ;<
;<
Werden also 25 Hz gefahren, muss eine Spannung von 200 V eingestellt
werden,( > = 200= = 8 = )
8
25 ;<
;<
bei 5Hz eine Spannung von 40V ( > = 40= = 8 = )
8
5 ;<
;<
(ideal, Verluste sind hier noch nicht berücksichtigt).
Wir unterscheiden zwischen 2 Bereichen:
1) f2 < fN
Verringert man die Frequenz f2 unter die Nennfrequenz fN, nimmt der Blindwiderstand
ab und der Motorstrom würde ansteigen, also muss die Spannung angepasst werden,
sie muss gesenkt werden.
Die Drehmomentkennlinie des Motors bleibt erhalten.
2) f2 > fN
Bei Steigerung der Betriebsfrequenz f2 über die Nennfrequenz hinaus, ist keine
Spannungssteigerung mehr möglich (Der Scheitelwert der Ausgangsspannung kann
nicht größer werden als die Spannung im Zwischenkreis des Umrichters). Da aber der
Blindwiderstand mit zunehmender Frequenz weiter zunimmt, bewirkt das eine
Verringerung des magnetischen Flusses (Bereich der Feldschwächung). Der Motor
darf nicht mehr voll belastet werden. Die Drehmomentkennlinien zeigen mit
zunehmender Feldschwächung eine stärkere Neigung. Das Kippmoment sinkt ab.
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Man kennt in der Praxis zwei Arten von Zwischenkreisumformern:
•
?#"+@7%**2*6'<4#'()"*A5"#'2B5#()$"5+
•
?#"+@$5CB<4#'()"*A5"#'2B5#()$"5+
.9/&&7&1,0G$,*+%&?!%$,7=!$*+#%!@(
(
Gegenwärtig stellt der Pulswechselrichter mit Spannungszwischenkreis die Standardlösung
für drehzahlgesteuerte Asynchronmaschinenantriebe im unteren und mittleren Leistungsbereich dar.
Spannungszwischenkreisumformer bestehen netzseitig üblicherweise aus einer ungesteuerten
<-%$*+!$*+#%!,*+/-#7&1 (B6 oder B2).
Die Spannung im 8G$,*+%&?!%$, (Gleichstrom) wird durch entsprechend dimensionierte
Kondensatoren geglättet. (eingeprägte Spannung).
Der )%*+,%-!$*+#%r hat die Aufgabe, die Zwischenkreisspannug in eine dreiphasige Wechselspannung umzuformen. Da der Wechselrichter als Eingangsspannung mit einer Gleichspannung versorgt wird, müssen hier abschaltbare Leistungshalbleiter eingesetzt werden.
Heute kommen hier vorwiegend IGBTs zum Einsatz.
Gleichrichter
Spannungszwischenkreis
Wechselrichter
U
V
W
L1
L2
L3
M
6%$,#7&1,#%$-(%$&%,(.9/&&7&1,0G$,*+%&?!%$,7=!$*+#%!,(
.#!"=0G$,*+%&?!%$,7=!$*+#%!@(
X2EE, TECEN
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(
Stromzwischenkreisumrichter werden heute vorwiegend bei sehr großen Leistungen im
MW - Bereich eingesetzt.
Das Leistungsteil von Stromzwischenkreisumrichtern besteht netzseitig aus einer 1%,#%7%!#%&(
<-%$*+!$*+#%!,*+/-#7&1 (B6C-Schaltung). Die Zwischenkreisspannung ist somit variabel.
Der Stromzwischenkreisumrichter arbeitet mit eingeprägtem Strom, deshalb wird der Strom
Idα im Zwischenkreis mit einer entsprechend dimensionierten Zwischenkreisdrossel geglättet.
6%$,#7&1,#%$-(%$&%,(.#!"=0G$,*+%&?!%$,7=!$*+#%!,(
(
(
!"I$%&'13/22<J-2&0*B/&3/'$?<$G+/H,/'6,<+&0*3/+K$
K;L;M# ."--G%!#%@(
Der Sollwert gibt vor, mit welcher Frequenz der Motor betrieben werden soll.
Bei den modernen Frequenzumrichtern gibt es verschiedene Möglichkeiten der Sollwertvorgabe:
•
9CA%3"5+@C334"5$
Über die Tastatur der Umrichters kann ein Sollwert lokal vorgegeben werden.
•
D*%3C6'C334"5$
Ein Sollwertsignal an den Analogeingängen (Spannung oder Strom).
Es gibt zwei Arten von Analogeingängen:
Stromeingang,
0-20 mA
Stromeingang,
4-20 mA.
Spannungseingang,
0-10 V DC .
Spannungseingang,
-10 - +10 V DC.
•
E#*F5'C334"5$
Ein über die serielle Schnittstelle oder Bus-Schnittstelle übertragenes Sollwertsignal.
•
G"'$'C334"5$
Ein definierter Festsollwert, einstellbar zwischen -100 % bis +100 % des Sollwertbereichs. Eine Auswahl von bis zu acht Festsollwerten über die Digitalklemmen ist
möglich.
(-100% = Maximale Drehzahl Linkslauf; +100% = maximale Drehzahl Rechtslauf)
Der Sollwertbereich, Bereich in welchem der Sollwert eingestellt werden kann wird durch die
minimale und die maximale Frequenz (Drehzahl) bestimmt. (z.B. 20Hz......80Hz )
X2EE, TECEN
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K;L;N# O/=9%&@(
(
Wird der Sollwert der Ausgangsfrequenz geändert, ändert die Ausgangsfrequenz nicht schlagartig, sondern sie wir allmählich angepasst. Dies gilt sowohl für den Hochlauf als auch für das
Abbremsen. Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten können separat eingestellt werden.
Die einstellbaren Zeiten sind abhängig vom Gerät (z.B 0,01s ....3600,00s)
Die Rampenzeiten müssen an die jeweilige Anwendung angepasst werden. (Bauart und
Funktionsweise der Maschine, Trägheit der Last usw.)
Wird die Hochlauframpe zu kurz gewählt, kann der benötigte Anlaufstrom zu hoch werden
und die Strombegrenzung des Frequenzumrichters wird aktiv.
Wird die Verzögerungszeit zu kurz gewählt, (großes Trägheitsmoment) geht der Motor in
Generatorbetrieb über. Die Mechanische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt
und gelangt über den Wechselrichter in den Zwischenkreis. Bei Spannungszwischenkreisumformern mit nicht gesteuerten Gleichrichtern kann diese Energie nicht in das Netz zurückgespeist werden. Die Spannung im Zwischenkreis steigt an und der Frequenzumrichter
schaltet ab. Diesem Problem kann man durch Verwenden vom Bremschopper und Bremswiderständen begegnen.
K;L;P# J!%=,%&@(
HIJI0I-!K"*"5%$C5#'()"'+E5"B'"*+B#$+E5"B'4#?"5'$%*?+
Das Bremsen mit Bremswiderstand soll die Spannung im Zwischenkreis bei generatorischem
Betrieb des Motors begrenzen. Wenn die Last den Motor antreibt, z.B. beim Runterfahren der
Rampe, wird Leistung in den Zwischenkreis zurückgeführt. Da der Zwischenkreis diese
Leistung nicht unbegrenzt aufnehmen kann, ist eventuell ein Bremschopper und externem
Bremswiderstand vorzusehen.
Wird die Spannung im Zwischenkreis zu hoch, wird der Transistor Q7 impulsweise
durchgeschaltet und leitet die überschüssige Energie an den Bremswiderstand ab.
HIJI0I/!LM+N+E5"B'2*6+
(
X2EE, TECEN
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Um den Motor abzubremsen kann auch die <-%$*+,#!"=4!%=,7&1 verwendet werden. Sie
kann bei der Programmierung der Frequenzumrichter aktiviert werden. Hierbei müssen
Bremsstrom und Bremszeit definiert werden.
K;L;Q# R*?2!%I7%&0@(
Eine Möglichkeit der erhöhten Motorausnutzung ist die Dreieckschaltung mit der
O(A85"P2"*<+8 +Q+RJ+;<. Die Eckfrequenz ist die Frequenz bei welcher der Umrichter die
maximale Ausgangsspannung abgibt.)
Anhand eines E"#'7#"3"' soll die Wirkungsweise erklärt werden:
Der Umrichter hat eine Nenneingangsspannung von 400 V. Der Motor ist gewickelt für eine
!"#$$%$&'()$'*+,'-'.'/,,'-' .01'2,'345'6%7&8%$9'9:;<;8'=#>;$'?:89'#@'A@8:BC>;8'
folgende Einstellung vorgenommen:
Y Motorspannung = 230 V, Motornennfrequenz = 50 Hz; → der Motor wird in Dreieck
geschaltet.
Der Frequenzumrichter erreicht die maximale Ausgangsspannung erst bei einer Frequenz von
50 ;< ⋅ 3 = 87 ;< .
Durch Umschalten des Motors von Stern- auf Dreieckschaltung wird die Motorspannung von
400 V nach 230 V herabgesetzt. Der Nennstrom wird um den Faktor 3 erhöht.
Bei der Inbetriebnahme, wird der Motor bei der Frequenz von 50 Hz mit seiner Nennspannung von 230V betrieben. Bei der Frequenz von 87 Hz wird er mit 400V gespeist. Dabei
wird er die 3 - fache Leistung entwickeln und bis zur Frequenz von 87 Hz ein konstantes
Drehmoment abgeben. Bei der Wahl des Frequenzumrichters ist darauf zu achten, dass der
Umrichter für den höheren Strom bzw die höhere Leistung ausgelegt ist.
K;L;S# 5!%+0/+-!%1-7&1@(
Die angegebenen möglichen Einstellungen sind nur eine Auswahl der wichtigsten Einstellungen, welche an modernen Frequenzumrichtern vorgenommen werden können. Oft sind in
Frequenzumrichtern PID-Regler integriert. In diesem Fall können Schwankungen z.B. durch
X2EE, TECEN
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Laständerung durch den integrierten Regler ausgeregelt werden. Hierzu ist eine Rückmeldung
des Istwertes notwendig. Dies wird durch entsprechende Geber welche an den Frequenzumrichter angeschlossen werden erreicht.
X2EE, TECEN
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