Gesteuerter Energieaustausch zwischen einem Wechsel- oder ... · Bei dieser Anordnung ist für eine...

Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe

Prof. Dr.-Ing. J. Roth-Stielow

Unterlagen zur Vorlesung Leistungselektronik 2 Abschnitt 2.8 bis Abschnitt 2.12

Blatt 1

Universität Stuttgart

2.8 Umkehrstromrichter

2.8.1 Die Grundaufgabe des Umkehrstromrichters und ihre Lösung

Gesteuerter Energieaustausch zwischen einem Wechsel- oder Drehstromsystem und einem Gleichstromsystem veränderlicher Polarität.

Hauptanwendungsgebiet: Speisung von Antrieben einschließlich elektrischem Bremsen.

Ein Umkehrstromrichter entsteht durch Kombination zweier Einfachstromrichter.

Prinzipieller Aufbau am Beispiel einer sechspulsigen Brückenschaltung:

Bild 1-2.8


Blatt 2

Praktischer Aufbau:

Bild 2-2.8

Symbol für den Umkehrstromrichter:

Bild 3-2.8


Blatt 3

2.8.2 Umkehrstromrichter in Gleichstromsystemen

2.8.2.1 In Verbindung mit einer Gleichstrommaschine

Bild 4-2.8

Arbeitsbereich des Umkehrstromrichters und der Maschine:

Bild 5-2.8


Blatt 4

2.8.2.2 In Verbindung mit einem Gleichspannungszwischenkreis

Bild 6-2.8

Arbeitsbereiche des Umkehrstromrichters:

Bild 7-2.8


Blatt 5

2.8.3 Umkehrstromrichter in Wechsel- und Drehstromsystemen (Direktumrichter)

2.8.3.1 Wechselstromsysteme

Wird ein Umkehrstromrichter derart gesteuert, dass er seine Arbeitsbereiche periodisch

durchläuft, so entsteht an seinem Ausgang ein Wechselstromsystem.

Prinzipielle Anordnung:

Bild 8-2.8

Die maximale Ausgangsfrequenz eines Direktumrichters ist begrenzt. Sie beträgt bei einem

sechspulsigen Umkehrstromrichter ca. df 0,8.....0,4 f .


Blatt 6

Steuerverfahren:

Sinusförmige Stromvorgabe: “Steuerumrichter“

Bild 9-2.8

Vorgabe 0 für du 0 und du 0 sowie max (Wechselrichter-Trittgrenze) beim

Vorzeichenwechsel von du : “Trapezumrichter“

Bild 10-2.8


Blatt 7

2.8.3.2 Drehstromsysteme

Durch Kombination dreier Umkehrstromrichter ist auch ein dreiphasiger Betrieb möglich,

z.B. Speisung der Drehzahlsteuerung langsam laufender Synchron- oder Asynchronmaschi-

nen. Es ist auch ein Betrieb ohne SR-Transformator möglich, da die drei Systeme in der Ma-

schine galvanisch getrennt sind.

Nachteil:

Hoher Ventilaufwand (Beispiel: 36 Ventile bei Verwendung sechspulsiger Umkehrstromrich-

ter).

Prinzipielle Anordnung:

Bild 11-2.8


Blatt 8

Übliche Ausführung:

Bild 12-2.8

Bei dieser Anordnung ist für eine Potentialtrennung immer ein SR-Transformator erforderlich.


Blatt 9

2.9 Stromrichtermotoren

2.9.1 Stromrichtermotor mit Gleichstromerregung

Bild 1-2.9

Charakteristische Merkmale:

Das Drehspannungssystem II, welches die Kommutierungen im Stromrichter II

bewirkt, resultiert mittelbar aus den in der Statorwicklung der Maschine induzierten

Polradspannungen. (“Maschinengeführter“ bzw. “Lastgeführter“ Stromrichter)

Die Polradspannungen sind (bei konstanter Erregung) ihrer Frequenz und damit auch

der Maschinendrehzahl direkt proportional.

(Siehe Bild 2-2.9)


Blatt 10

Bild 2-2.9

Beim Anfahren und bei niedrigen Drehzahlen reichen diese Spannungen meist nicht

mehr aus, um die Kommutierungen im Stromrichter II erfolgreich ablaufen zu lassen.

Deshalb sind üblicherweise besondere Anlaufhilfen notwendig.

Der Blindstrombedarf des Stromrichters II wird von der Synchronmaschine gedeckt,

die sich dabei im Betriebszustand “übererregt“ befindet.

Bei der Analyse der Kommutierungsvorgänge ist zu beachten, dass bei jeder Kommu-

tierung ein zweipoliger Klemmenkurzschluss der Maschine vorliegt. Diese reagiert bei

derartig kurzzeitigen Vorgängen gemäß ihrem sogenannten “subtransienten Ersatz-

schaltbild“, welches bei einer Vollpolmaschine mit vollständigem Dämpferkäfig das in

Bild 3-2.9 gezeigte Aussehen hat.

Bild 3-2.9


Blatt 11

Die Kombination Stromrichter II und Synchronmaschine (“Stromrichtermotor“)

entspricht dem Prinzip einer “umgekehrten“ Gleichstrommaschine:

Die Gleichstromerregung ist vom Stator in den Rotor verlegt, die Ankerwicklung ist

vom Rotor in den Stator verlegt und der mechanische Kommutator ist durch den als

“elektronischer Kommutator“ fungierenden SR II ersetzt.

Steuerung des maschinenseitigen Stromrichters:

Bei Taktung durch die Maschinenspannung, genauer durch die Spannung hinter der

subtransienten Reaktanz (Frequenz fII) entsteht der “selbstgesteuerte Stromrichtermotor“.

Diese Anordnung verhält sich wie eine fremderregte Gleichstrommaschine, die mit einer über

den Stromrichter I veränderbaren Gleichspannung gespeist wird.

Bei geeigneter Ausführung der Steuergeräte der beiden Stromrichter ergeben sich die in

Bild 4-2.9 gezeigten Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien.

Bild 4-2.9


Blatt 12

Der Drehzahlbereich min0 n n kann wegen der genannten Kommutierungsprobleme im

Stromrichter II nur mit erheblichen Einschränkungen genutzt werden.

Außerdem führt die Speisung der Maschine mit nichtsinusförmigen Strömen zu erheblichen

Pulsationen in deren Drehmoment, die sich im Bereich kleiner Drehzahlen störend auswirken

können.

Bei Taktung durch einen externen Frequenzgeber (mit veränderbarer Frequenz) entsteht

der sogenannte “fremdgesteuerte Stromrichtermotor“. Bei diesem handelt es sich zunächst

um ein strukturinstabiles System, das aber durch geeignete dynamische Einflüsse auf die

Zündverzögerungswinkel des Netz- und/oder des maschinenseitigen Stromrichters stabilisiert

werden kann. Dann verhält sich der fremdgesteuerte Stromrichtermotor wie eine Synchron-

maschine, deren Drehzahl durch eine gleichsinnige Veränderung der Spannung dU des

netzseitigen Stromrichters und der Taktfrequenz verstellt werden kann. In Bild 5-2.9 ist dies

anhand der Drehmoment-Drehzahlkennlinien des fremdgesteuerten Stromrichtermotors zu

sehen.

Bild 5-2.9

Der in Bild 5-2.9 schraffiert dargestellte Drehzahlbereich entfällt hier völlig. Außerdem kön-

nen sich auch hier die Drehmoment-Pulsationen der Maschine bei kleineren Drehzahlen stö-

rend bemerkbar machen.


Blatt 13

2.9.2 Stromrichtermotor mit Drehfelderregung

Bild 6-2.9

Charakteristische Merkmale:

Der Stromrichtermotor mit Drehfelderregung entsteht aus dem Stromrichtermotor mit

Gleichstromerregung, wenn in dessen Rotor die dort vorhandene Gleichstrom-

Erregerwicklung nebst Dämpferkäfig entfernt und durch eine Drehfeld-Erregerwicklung

ersetzt wird.

Der konstruktive Aufbau einer solchen Maschine entspricht somit dem einer

Asynchronmaschine mit Schleifringläufer.

Bei Speisung der Rotorwicklung mit Drehspannung erzeugt diese ein Drehfeld, das

bereits im Stillstand der Maschine in deren Statorwicklung ein Drehspannungssystem

induziert und auf diese Weise die Kommutierungen im maschinenseitigen Strom-

richter II sicherstellt.


Blatt 14

Von besonderer praktischer Bedeutung ist die Erregung der Maschine aus dem

50 Hz-Drehspannungsnetz.

Der nutzbare Drehzahlbereich umfasst jetzt auch die beim Stromrichtermotor mit

Gleichstromerregung ausgesparten Bereiche und kann darüber hinaus auch noch ge-

ringfügig in den Bereich negativer Drehzahlen ausgedehnt werden. Die zugehörige

Spannungs- Drehzahlkennlinie ist in Bild 7-2.9 zu sehen.

Bild 7-2.9

Mit einem geeignet ausgeführten Regelsystem weist diese Anordnung eine Reihe her-

vorragender Eigenschaften auf. Sie eignet sich u.a. auch für Gleichlaufantriebe, bei

denen mehrere, über den gemeinsamen Stromrichter II gespeiste, gleiche Maschinen

in völligem Gleichlauf zu halten sind.

Der Stromrichtermotor mit Drehfelderregung kann auch ohne Schleifringe in völlig

kontaktfreier Ausführung gebaut werden, wenn die bisher vorausgesetzte Schleifring-

läufer-Maschine gemäß Richter, Band 4 durch eine sogenannte Asynchronmaschi-

nenkaskade (Bild 8-2.9) ersetzt wird.


Blatt 15

Bild 8-2.9

Die beiden Läufer haben eine gemeinsame mechanische Welle: fmech

Die beiden Läuferwicklungen sind elektrisch “über Kreuz“

(unter Vertauschung der Phasenfolge) verbunden: fLA = fLB

(Vertauschung der Phasenfolge ist bereits durch die

entgegengesetzte Pfeilung berücksichtigt).

Die beiden Ständerwicklungen sind elektrisch getrennt;

Die Ständerwicklung der Teilmaschine A ist an ein starres

Drehspannungsnetz mit der Frequenz ferr angeschlossen: fSA = ferr

Die Ständerwicklung der Teilmaschine B ist an SRII

angeschlossen: fSB = fII


Blatt 16

Teilmaschine A

Drehspannungsnetz: z.B.

errf 50Hz

Ständerfrequenz: fSA = ferr

Läuferfrequenz: fLA = ferr + fmech

Teilmaschine B

Läuferfrequenz: fLB = fLA = ferr + fmech

Ständerfrequenz: fSB = fLB + fmech = ferr + 2·fmech

Stromrichter SRII: fII = fSB = ferr + 2·fmech


Blatt 17

2.10 Halbgesteuerte Brückenschaltungen

2.10.1 Zweipulsige Brückenschaltungen

2.10.1.1 Symmetrisch halbgesteuerte Brückenschaltung

Bild 1-2.10


Blatt 18

Bild 2-2.10

20us10u

s

10us20u

s

10ul 10u

l

diu I

30º

diu II

diu

20AK1u I

dIA1i I

A2i I

dIA1i II

A2i II

dI1il

2

1V I 2V I 1V I


Blatt 19

2.10.1.2 Unsymmetrisch halbgesteuerte Brückenschaltung

Bild 3-2.10


Blatt 20

Bild 4-2.10

20us10u

s

10us20us

10ul 10u

l

diu I

30º

diu II

diu

20AK1u I

dIA1i I

A2i I

dIA1i II

A2i II

dI1il

2

1V I 1V I

1V II


Blatt 21

2.10.1.3 Vergleich der symmetrisch- mit der unsymmetrisch halbgesteuerten

Brückenschaltung:

Symmetrisch halbgesteuerte

Brückenschaltung

Unsymmetrisch halbgesteuerte

Brückenschaltung

di di

1U U 1 cos

2 di di

1U U 1 cos

2

max max

di diU U 0 di diU U 0

Die Wechselrichtertrittgrenze der kathoden-

gekoppelten Kommutierungsgruppe ist zu

respektieren und limitiert den Zünd-

verzögerungswinkel. Die gleichgerichtete

Spannung kann deshalb nicht bis auf den

Wert null vermindert werden.

Die Schonzeit der Thyristoren ist stets gleich

der halben Periodendauer der treibenden

Wechselspannung. Die gleichgerichtete

Spannung kann daher bis auf den Wert null

vermindert werden.

Die Stromführungsdauer ist bei allen Ventilen

konstant und gleich lang.

Die Stromführungsdauer der gesteuerten

Ventile nimmt mit zunehmendem Zündverzö-

gerungswinkel ab, die der ungesteuerten

Ventile nimmt im selben Maße zu.

Die Phasenverschiebung zwischen der Leiterspannung 1 1 2u u ul s s

und dem Lei-

terstrom 1il ist bei beiden halbgesteuerten Schaltungen nur halb so groß wie bei der

vollgesteuerten Schaltung. Die halbgesteuerten Schaltungen werden deshalb als

blindstromsparende Schaltungen bezeichnet.


Blatt 22

2.10.1.4 Kreisdiagramme der voll- und der halbgesteuerten Brückenschaltung

Voraussetzung: Idealisierte Theorie

1. Kreisdiagramm der vollgesteuerten Brückenschaltung

Wirkleistung: I1 di dP U cos

Grundschwingungsblindleistung: I1 di dQ U sin

Grundschwingungsscheinleistung: 2 21 1 1S P Q

Gleichungen für das Kreisdiagramm:

I I2 21 di d di dS U cos sin U

1

1

Pcos

S 1

1

Qsin

S

Bild 5-2.10


Blatt 23

2. Kreisdiagramm der halbgesteuerten Brückenschaltung

Bild 6-2.10

Q1: Grundschwingungsblindleistung

P1: Wirkleistung

S1: Grundschwingungsscheinleistung


Blatt 24

2.10.2 Sechspulsige Brückenschaltung

Bild 7-2.10


Blatt 25

Bild 8-2.10

2

diu I

0

2

diu II

0

2

diu

dIA1i

A4i

dI

1il

dI

20us10u

s 30us

10us30u

s20us

20ul10u

l 30ul

30º1V 3V 5V

p


Blatt 26

Eigenschaften der halbgesteuerten sechspulsigen Brückenschaltung:

Eine “unsymmetrische“ Ausführung der halbgesteuerten sechspulsigen Brückenschal-

tung ist nicht realisierbar.

Bei der Aussteuerung der kathodengekoppelten Kommutierungsgruppe muss die

Wechselrichtertrittgrenze beachtet werden. Die gleichgerichtete Spannung kann daher

nicht bis auf den Wert null vermindert werden.

di di

1U U 1 cos

2

0

di diU U 0

Die Welligkeit w der Spannung diu ist für 0 bei der halbgesteuerten sechs-

pulsigen Brückenschaltung grösser als bei der vollgesteuerten sechspulsigen

Brückenschaltung.

Das Kreisdiagramm der halbgesteuerten sechspulsigen Brückenschaltung ist identisch

mit jenem der symmetrisch halbgesteuerten zweipulsigen Brückenschaltung.


Blatt 27

2.11 Schaltungen mit Folgesteuerung

Ein “blindstromsparendes Verhalten“ kann auch bei der vollgesteuerten Brückenschaltungen

erzielt werden, wenn die beiden Teilsysteme getrennt voneinander angesteuert werden.

2.11.1 Zweipulsige Brückenschaltung

Bild 1-2.11

Zunächst: I Imax0 II 0

Anschließend: I Imax II IImax0


Blatt 28

Kreisdiagramm:

Bild 2-2.11

2.11.2 Sechspulsige Brückenschaltung

Bei der sechspulsigen Brückenschaltung mit Folgesteuerung der beiden Kommutierungs-

gruppen ergibt sich das gleiche Kreisdiagramm (Bild 2-2.11) wie bei der zweipulsigen Brü-

ckenschaltung.

2.11.3 Folgesteuerung zweier in Reihe geschalteter, unsymmetrisch halb-

gesteuerter Brückenschaltungen

Kreisdiagramm:

Bild 3-2.11

I

1

1

P

S

1

1

Q

S

11

1

0II

maxI I

II

maxII II

vollgesteuerte Schaltung


Blatt 29

Übersichtsschaltbild zweier in Reihe geschalteter, unsymmetrisch halbgesteuerter Brücken-

schaltungen:

Bild 4-2.11


Blatt 30

2.12 Wechsel- und Drehstromsteller

2.12.1 Wechselstromsteller

Grundschaltung eines Wechselstromstellers:

Bild 1-2.12

2.12.1.1 Phasenanschnittsteuerung bei rein ohmscher Last:

Bild 2-2.12

R

iu

~u

Tu1T 1T2T

0t

z.B. 120°

i

0t

T1i

T2i

T1i

0°i

~uu

0t


Blatt 31

Berechnung der Phasenanschnittsteuerung bei rein ohmscher Last:

eff,max eff0 ~

1ˆU U u

2 bei 0

eff,minU 0 bei 180

Steuerbereich: 0 180

Für die erste Halbschwingung der Spannung u gilt (Bild 2-2.12):

0 u 0V

~ˆu u sin

Berechnung des Effektivwerts der Spannung und des Stromes:

2 ~eff eff0

0

u1 1 1 1 1U u ( ) d sin2 U sin2

2 22

I Ieff eff0

1 1sin2

2

mit Ieff0

i

2 und ~u

iR

Für die Grundschwingung ergibt sich:

I=

I

221 1

eff0 eff0

U 1 1 1sin2 1 cos2

U 2 4

Berechnung der Oberschwingungen:

I=

I

2 2

1 22

eff0 eff0

2 1K K

1

U( 1)

U

mit 1K sin cos cos sin

und 2K sin sin cos cos 1


Blatt 32

Maximalwert der Oberschwingungen bei max

K 360

1

Mit K 1..... (ganzzahlig) und max0

(je nach Ordnungszahl gibt es unterschiedliche max ).

2.12.1.2 Phasenanschnittsteuerung bei rein induktiver Last:

Bild 3-2.12

~uTu

1T 2T

0t

z.B. 120°

1i udt

L

0t

u

0t

L

iu

~u


Blatt 33

Der Steuerbereich ist hier eingeschränkt: 2

Es kann keine Beeinflussung für 2

erreicht werden.

Für den Strom gilt im Bereich 2 :

Ieff0

0

2

ui sin sin

L 2 2

Effektivwert der Spannung: eff eff0

2 1U U sin2

2

Effektivwert des Stromes: I Ieff eff0

4 1 31 cos2 sin2

2 4

Grundschwingungen: I

=I

1 1

eff0 eff0

U 1sin2

U 2

Oberschwingungen in der Spannung:

eff0

U 2sin 1 sin 1 2cos sin

U 1 1

Oberschwingungen im Strom: I 1

=Ieff0 eff0

U

U


Blatt 34

Steuerkennlinien:

Bild 4-2.12


Blatt 35

2.12.1.3 Phasenanschnittsteuerung bei gemischt ohmisch-induktiver Last:

Beispiel: 120 L 60

Bild 5-2.12

Berechnung des Stromverlaufs:

LtanL L

220

ui sin e sin

R L Mit 0

LanL

tR

~uTu

0t

120°

L120° 60°

i

0t

i

L

u

R

233°(vorher 240°)

~uu

0t


Blatt 36

2.12.1.4 Vollschwingungssteuerung (Schwingungspaketsteuerung)

Die Vollschwingungssteuerung stellt eine Alternative zur Anschnittsteuerung dar.

Bild 6-2.12

Der Vorteil der Vollschwingungssteuerung besteht darin, dass Oberschwingungen mit

Frequenzen > 100 Hz sehr gering sind. Dafür erhält man aber stärkere Schwingungen mit

Frequenzen < 100 Hz (auch < 50 Hz).

Die Vollschwingungssteuerung ist auch für ohmisch-induktive Verbraucher geeignet.

Die Einschwingvorgänge mit Gleichstromanteilen können auch dadurch vermieden werden,

dass der Steller nicht mit 0 sondern mit L angesteuert wird.

Tu

u

0t

~u


Blatt 37

Anwendungsbeispiele für die Vollschwingungssteuerung:

Spannungsverstellung in der Lichtbogenschweisstechnik

Temperatureinstellung von Elektroöfen

Primärseitige Steuerung von Transformatorgleichrichtern (für Verbraucher mit

ungewöhnlichen Impedanzwerten, z.B. Elektrofilter mit U > 50 kV und I < 3 A, oder

Galvanikanlagen mit U < 20 V und I > 2...10 kA).

Beispiel eines Stromrichters mit Primärsteuerung:

(primärseitig gesteuerter Transformatorgleichrichter)

Bild 7-2.12


Blatt 38

2.12.2 Drehstromsteller

Grundschaltung:

Bild 8-2.12

Ohne MP-Verbindung:

0L weist starke Potentialsprünge auf

Sperrbeanspruchung der Ventile durch verkettete Spannung

besonders hohe Sprünge der Ventilspannungen

Mit MP-Verbindung:

Es entsteht ein 3 x 2-pulsiges System.

Steuerkennlinien: (Ohne MP-Verbindung)

Bild 9-2.12

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