Elektrische Antriebe_03

G. Schenke, 7.2008 Elektrische Antriebe FB Technik, Abt. E+I 28

3. Stellglieder für elektrische Antriebe Der Energiefluss der elektrischen Maschinen wird über Stellglieder zu- bzw. abgeschaltet. In vielen Fällen dienen sie der Steuerung und Regelung dieses Energieflusses und werden zur Realisierung verschiedener Betriebszustände, wie Anlauf, Drehzahlstellung und Bremsen eingesetzt. Die Stellglieder müssen der Maschinenart angepasst sein. 3.1 Übersicht und Einteilung der Stellglieder Zu den Stellgliedern gehören • Schaltgeräte Leistungsschalter, Schütze • konventionelle Stellgeräte Stelltransformatoren, Stellwiderstände • Maschinenumformer Leonardumformer, Synchronmaschinensätze • Stromrichter Wechsel-/Drehstromsteller, Gleich- und Wechsel- richter, Gleichstromsteller und Umrichter Da Stromrichter vielseitige Stellmöglichkeiten bieten, haben sie die Maschinenumformer weit-gehend verdrängt. Stromrichter erzeugen durch Oberschwingungen größere Netzverzerrungen und haben für verschiedene Aussteuerbereiche einen größeren Bedarf an Grundschwingungs-blindleistung. Leistungselektronische Stellglieder lassen sich nach ihrer Funktion einteilen. • Wechselstromsteller zur Veränderung der Wechselspannung ohne Frequenzänderung. • Gleichrichter zur Umwandlung von Wechsel- in Gleichspannung. Wechselrichter zur

Umwandlung von Gleich- in Wechselspannung. • Gleichstromsteller zur Veränderung des Mittelwertes der Gleichspannung. • Umrichter zur Umwandlung von Wechselspannung mit einer Frequenz und Phasenzahl in

eine andere Wechselspannungsart variabler Frequenz und Spannung. Stromrichter werden auch nach Art und Herkunft der Kommutierungsspannung eingeteilt. • kommutierungsfreie Stromrichter sind Schalter und Steller für Wechselstrom. • fremdgeführte Stromrichter, bei denen die Kommutierungsspannung nicht vom Strom-

richtergerät geliefert wird. Diese wird entweder vom Netz (netzgeführter Stromrichter) oder von der Last (lastgeführter Stromrichter) zur Verfügung gestellt.

• selbstgeführte Stromrichter, bei denen der Stromrichter selbst die Kommutierungsspannung bereitstellt.

Bauelemente für Stromrichter: Dioden, Netzthyristoren (SCR), Frequenzthyristoren, Triacs, Abschaltthyristoren (GTO),

bipolare Leistungstransistoren, Feldeffekt-Leistungstransistoren, IGBT, MCT. 3.2 Stellglieder für Gleichstromantriebe Netzgeführte Stromrichter Für die Energieversorgung von Gleichstrommaschinen im industriellen Einsatz, werden meist Stromrichterschaltungen eingesetzt, welche die variable Gleichspannung unmittelbar aus der Kurvenform der Netzspannung bilden. Da bei diesen Stromrichtern die Ansteuerung der Leistungshalbleiter (Dioden und/oder Thyristoren) netzsynchron erfolgen muss, werden sie netz-geführte Schaltungen genannt. Thyristoren lassen sich durch einen Stromimpuls auf die Steuer-elektrode (Gate) während der positiven Halbschwingung der Netzspannung einschalten und haben bis zum nächsten Stromnulldurchgang die Eigenschaften einer Diode. Prinzipiell können Mittelpunktschaltungen (M1 und M2 am Wechselstromnetz, M3 und M6 am Drehstromnetz) oder Brückenschaltungen eingesetzt werden. Besondere Bedeutung haben die Zweipuls-Brückenschaltung B2 für den Anschluss an das Wechselstromnetz (bis 3 kW) und die Sechspuls-Brückenschaltung B6 für den Anschluss an das Drehstromnetz (bis 500 kW).


Bei der Projektierung eines Gleichstroman-triebs muss neben den Nenndaten PN, UN und nN auch bekannt sein, ob ein Motorbetrieb für eine oder beide Drehrichtungen und eventuell eine Nutzbremsung erforderlich ist. Durch die Beziehungen n ∼ UA/Φ und M ∼ IA · Φ liegt dabei fest, welche Vorzeichen Ankerspannung, -strom und Hauptfeld in den verschiedenen Arbeitsweisen haben. An einem einfachen netzgeführten Stromrich-ter, der Dreipuls-Mittelpunktschaltung (M3), werden im folgenden die charakteristischen Ei-genschaften netzgeführter Stromrichter unter-sucht.

Dreipuls-Mittelpunktschaltung M3 Ohne Berücksichtigung der Kommutierung erhält man für den arithmetischen Mittelwert der Gleichspannung bei Vollaussteuerung:

Man bezeichnet Udi als ideelle Leerlaufgleichspannung bei ungesteuertem Gleichrichterbetrieb, die sich unter Vernachlässigung ohmscher und induktiver Spannungsfälle aus der Phasen-spannung Ustr auf der Sekundärseite des Stromrichtertransformators ergibt. Für die beim Steuer-winkel α auftretende ideelle Leerlaufgleichspannung Udiα gilt:

Der Mittelwert der Gleichspannung netzgeführter Stromrichter ändert sich nach der cos-Funktion des Steuerwinkels α. Der Steuerwinkel kann von Vollaussteuerung bei α = 0° stetig gesteigert werden. Die abgegebene

Gleichspannung ändert sich dabei entsprechend Gl. (3.2). Bei α = 90° ist der Mittelwert der Gleichspannung Null. Bei weiterer Vergrößerung des Steuerwinkels über 90° hinaus wird der Mittelwert der Gleich-spannung negativ und steigt mit zunehmendem Steuerwin-kel mit negativem Vorzeichen weiter an. Bei α = 180° - γ erreicht sie den maximal möglichen negativen Mittel-wert.

Gleichspannungsbildung bei der M3-Schaltung

Der Bereich mit Steuerwinkeln von α = 0° bis 90° wird Gleichrichterbetrieb und von α = 90° bis 180° - γ mit negativem Gleichspannungsmittelwert wird Wechselrichterbetrieb genannt. Im Gleichrichterbetrieb erfolgt der Energiefluss vom Drehstromnetz über den Stromrichter zur Gleichstrommaschine. Im Wechselrichterbetrieb dreht sich die Richtung des Energieflusses.

strstrdi U 2 3 3 =

3sin U23 = U ⋅

⋅π⋅π

⋅π

(3.1)

α⋅α cos U = U didi (3.2)

U1 U2 U3

Ud

- (+)

+ (-)

+ (-)

- (+)

GMId

Ld

ω

u1u3

-π/3 π/30

0

u2u1

ud

u1u3u2u1

ω0ud

α α

t

t


Im Wechselrichterbetrieb muss ein Sicherheitsabstand zum Schnittpunkt der Phasenspannungen eingehalten werden, deshalb darf der Steuerwinkel α nur bis 180° - γ gesteigert werden. Der Löschwinkel γ stellt die erforderliche Schonzeit tc für die Thyristoren sicher. Unter Kommutierung versteht man die Übergabe eines Stromes von einem Stromzweig auf einen anderen, wobei während der Kommutierungszeit tu beide Zweige Strom führen. Der Verlauf des Kommutierungsstromes lässt sich aus der Kommutierungsspannung Uk, die bei netzgeführten Stromrichtern sich als Differenz der sinusförmigen Wechselspannungen zweier miteinander kommutierender Phasen ergibt, und der im Kommutierungskreis liegenden Impedanzen berechnen.

Bei der M3-Schaltung ist die Kommutierungszahl q = 3. Werden die ohmschen Widerstände im Kommutierungskreis vernachlässigt und wird außerdem angenommen, dass die Kommutierungsinduktivitäten Lk gleich groß sind, so gilt für den Verlauf

des Kurzschlussstromes ik (Phasenkurzschluss für tu) im Kommutierungskreis: Die Kommutierungszeit tu wird Überlappungszeit oder einfach Überlappung u genannt und in elektrischen Graden angegeben. Integriert man die Maschengleichung des vereinfachten Kommutierungskreisen über die Kommutierungszeit tu, so erhält man:

M3-Schaltung und Kommutierung bei α = 0°

qsin 2U = U strk

π⋅ (3.3)

1d2k

kk i - I = i = t)cos - cos(

L2U2 = i ωα⋅

ω (3.4)

k

d

k

dk

I2I

- cos = U2

I L2 - cos = u) + (cos α

⋅ωαα (3.5)

Id

ud

Rk Rk Rk

LkLkLk

uk

u1 u2 u3

Ld

GM

uA1 i1 i2 i3

uk

0

udu1 u2 u3

Idi3i2i1i

u0

α = 0°uA1

ωt


0

ud

u1 u2 u3

i3i2i1i

u

α = 140° ωt

α

Id

γ

Kommutierung bei der M3-Schaltung im

Gleichrichterbetrieb (α = 30°)

Kommutierung bei der

M3-Schaltung im Wechselrichterbetrieb

(α = 140°)

Wird der Stromrichter mit dem Gleichstrom Id belastet, so ergibt sich ein Mittelwert der Gleich-spannung Ud am Ausgang, der infolge von Spannungsfällen kleiner ist als Udi. Dieser Span-nungsfall setzt sich aus der induktiven Gleichspannungsänderung Dx (Udx), der ohmschen Gleich-spannungsänderung Dr (Udr) und der Durchlassspannung der Stromrichterventile zusammen.

M3-Schaltung mit linearisierter Belastungs-kennlinie bei voller Aussteuerung (α = 0°)

Fdkdi

Frxdid

U- I R - 2

u) + (cos + cos U =

U- D - D - cos U = U

⋅αα

⋅

α⋅α

(3.6)

0

ud

u1 u2 u3

i3i2i1i

u

α = 30° ωt

α

Id

Udi

UdN

Ud

00 Id IdN

UF

Dr

Dx

GM

uF

ud

Id

Rk

LkDx

Dr

UF

Ld


Gleichstromantrieb mit Stromrichter in

Sechspuls-Brückenschaltung (B6)

Die Bildung der momentanen Stromrichterspannung ud erfolgt nach dem für die Drehstrom-Brückenschaltung gültigen Diagramm unter der Voraussetzung, dass für den Laststrom stets iA > 0 gilt.

Bildung der Gleichspannung

ud bei der B6-Schaltung

Bei der Sechspuls-Brückenschaltung (B6, Drehstrom-Brückenschaltung) entsteht der maximale Mittelwert der Gleichspannung durch die Hüllkurve der Netzspannung UL.

Für die Zweipuls-Brückenschaltung (B2, Einphasen-Brückenschaltung) gilt für Udi entsprechendes.

Für die Berechnung von Udiα gilt Gl. (3.2) und für die Bestimmung des Mittelwertes der Gleichspannung Ud (Udα) gilt analog Gl. (3.6); hier muss berücksichtigt werden, dass zwei Ventile in Reihe geschaltet sind. Werden keine negativen Gleichspannungen benötigt, so kann man bei den Brückenschaltungen B2 und B6 die Hälfte der Thyristoren durch Dioden ersetzen und man erhält eine halbgesteuerte Schaltung. Die Abhängigkeit der Gleichspannung Udiα vom Steuerwinkel α berechnet sich hier nach Gl.(3.9):

Sind für einen Gleichstromantrieb beide Drehrichtungen vorgesehen, so muss eine Momenten-umkehr und damit bei fester Erregung eine Umpolung des Ankerstromes möglich sein. Sind stromlose Pausen von rd. 0,2 s möglich, so kann die Umpolung des Ankerstromes mit einem mechanischen Umschalter erfolgen, ansonsten ist eine Gegenparallelschaltung zweier Strom-richter im Ankerkreis notwendig.

Schaltung-B6für U 2 3 = U Ldi ⋅π⋅ (3.7)

Schaltung-2Bfür U 2 2 = U Ldi ⋅π⋅ (3.8)

)cos + (1 U21 = U didi α⋅α (3.9)

UL ud

uA

iA

GM

Ld

Gleichrichterbetrieb

u

0

α = 0°ud

α 30° 60° 90° 120° 150°

Wechselrichterbetriebα t ω


Bei Umkehr des Drehmomentes kann die Ankerstromrichtung beibehalten werden, wenn eine Änderung der Feldrichtung erfolgt. Da die Erregerleistung nur wenige Prozent der Nennleistung beträgt, kann man diese Lösung mit geringem Zusatzaufwand realisieren. Es ist jedoch zu be-rücksichtigen, dass bei jeder Umsteuerung mit Rücksicht auf den Feldabbau eine Pause von 0,5 bis 2,5 s entsteht.

a) Ankerumschaltung mit einem Polwender b) Feldumkehr durch zwei Stromrichter c) Gegenparallelschaltung zweier Stromrichter im Ankerkreis Schaltung für Umkehrantriebe Gleichstromsteller Während bei allen netzgeführten Stromrichterschaltungen die Bildung der variablen Anker-spannung durch Phasenanschnittsteuerung der Netzwechselspannung erfolgt, arbeitet der Gleich-stromsteller bereits mit einer konstanten Gleichspannung am Eingang (z.B. Batterie). Beim Gleichstromsteller wird durch ein elektronisches Stellglied S die Netzspannung UN mit möglichst hoher Frequenz fP pulsförmig auf den Antrieb geschaltet. Bei der häufig verwendeten Pulsbreitensteuerung ist dabei innerhalb der konstanten Periodendauer tP = 1/fP die Einschaltzeit tE einstellbar. In den Pausen fließt der Ankerstrom IA über einen Freilaufkreis mit der Diode D wei-ter.

S elektronischer Ein-Ausschalter L Glättungsinduktivität D Freilaufdiode

Prinzipschaltung Pulsbreitensteuerung der Gleichspannung UA

IE

GMiAIE

GMiA

iAL L L L L LIE IE

iA

iAIE

GM

iA

a) b) c)

L1L2L3N

UN

iN iD

UA

S

D

L

GM

iA

uL

t

UN

uAuL

uL

iAiN

iD

tE tA tP


Technik eines Gleichstromstellers Wenn das Stellglied S während der Zeit tE geschlossen ist, nimmt der Antrieb mit iA = iN Energie aus dem Netz auf. Die Spannungsgleichung des Kreises lautet:

In der Zeit tA ist das Stellglied S geöffnet; der Strom iA = iD klingt infolge der magnetischen Energie der Induktivität L nur langsam über den Freilaufkreis ab. Im Freilaufkreis gilt:

Der Ankerstrom schwankt um den Wert ∆i, der um so kleiner ist, je größer die Pulsfrequenz fP und die Induktivität L gewählt werden. Als Mittelwert der Spannungsimpulse stellt sich die Ankerspannung UA nach Gl.(3.12) ein.

Die Ankerspannung kann so stufenlos zwischen Null und UN variiert werden. Als Stellglied werden heute vorwiegend eingesetzt: • Feldeffekt-Leistungstransistoren und IGBT's bis zu mittleren Leistungen bei hoher

Schaltfrequenz; • GTO-Thyristoren bei hohen Leistungen. Durch Vertauschen der Anordnung von Freilaufdiode und Stellglied kann eine Rücklieferung von Energie in die Batterie beim Gleichstromsteller erfolgen. 3.3 Stellglieder für Drehstromantriebe Drehstromsteller Die Schaltung eines dreiphasigen Drehstromstellers wird mit drei gegensinnig parallelen Thyristorpaaren gebildet; diese werden periodisch angesteuert. Bei kleinen Antrieben kann ein Thyristorpaar durch einen Triac ersetzt werden.

Steuerkennlinie eines Drehstromstellers

Drehstromsteller mit ohmsch-induktiver Last

Der Steuerwinkel α entspricht dem Winkel zwischen dem Nulldurchgang einer Phasenspannung, das ist der Nulldurchgang des ungesteuerten ohmschen Dauerstromes einer Phase, und dem zugehörigen Zündwinkel. Durch Vergrößerung des Steuerwinkels α von 0° auf 150° bei ohmscher Last und von 90° bis 150° bei induktiver Last kann die Leistungsaufnahme einer symmetrischen dreiphasigen Last stetig zwischen dem Maximalwert und Null gesteuert werden

dtdi L = umit u +U = U A

LLAN ⋅ (3.10)

0 = u +U LA (3.11)

AE

EN

P

ENA t+ t

t U = tt U = U ⋅⋅ (3.12)

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

00 30 60 90 120 150 180

cosϕ = 1

cosϕ = 0

Ieff

I0eff

α/°

i1 i2 i3

R R R

L L L

L1L2L3N


Pulsgesteuerter Widerstand Abschaltbare leistungselektronische Ventile können parallel oder in Reihe zu ohmschen Widerständen R angeordnet werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, den wirksamen Widerstand R* abhängig vom Einschaltverhältnis λ = TE/T zu verändern. Dieser pulsgesteuerte Widerstand ist eine Sonderform des Gleichstromstellers. Beim pulsgesteuerten Widerstand in Parallelschaltung ist zur Glättung des Gleichstromes ein Energiespeicher in Form einer Induktivität L notwendig. Der wirksame Widerstand R* kann hier zwischen den Werten Null (Ventil leitend) und R (Ventil gesperrt) stetig verändert werden. Beim pulsgesteuerten Widerstand in Reihenschaltung kann der wirksame Widerstand R* zwischen R und unendlich verstellt werden. Als Ventile werden FET´s (kleine Leistung), IGBT's (mittlere Leistung) und GTO's (große Leistung) eingesetzt. Direktumrichter Umkehrstromrichter können zur Umformung von Wechsel- bzw. Drehstrom einer Frequenz f1 in eine andere Frequenz f2 verwendet werden. Dazu muss man ihre Ausgangsspannung periodisch

umsteuern, und zwar im Takt der ge-wünschten Ausgangsfrequenz f2. Die Fre-quenzumformung erfolgt durch direktes Umschalten der Phasenspannungen des Primärnetzes ohne Benutzung eines Gleichstromzwischenkreises, daher spricht man von Direktumrichtern. Die Ausgangs-frequenz f2 darf max. 40% der Netz-frequenz f1 erreichen.

Spannungsverlauf beim Trapezumrichter Beim sogenannten Trapezumrichter, einem Hüllkurvenumrichter, verläuft die Spannung einer Ausgangsphase auf den Kuppen der Phasenspannungen des speisenden Drehstromnetzes. Zur Bildung der Ausgangsspannung einer Phase des Trapezumrichters ist ein Umkehrstromrichter, bestehend aus zwei antiparallelen M3-Schaltungen, erforderlich (insgesamt 18 Thyristoren für drei Phasen, p1 = 3). Mit diesem Direktumrichter können nur diskrete, nach Gl.(3.13) berechnete Ausgangsfrequenzen f2 erreicht werden.

Beim Steuerumrichter wird die Ausgangs-spannung der beiden gegenparallel arbeitenden Teilstromrichter sinusförmig ausgesteuert. Die Steuerwinkel αI und αII müssen während jeder Halbschwingung der Ausgangsspannung stetig verändert werden. Jede Ausgangsphase wird von der Gegenparallelschaltung 6pulsiger Teil-stromrichter (B6-Schaltungen) mit insgesamt 36 Ventile gebildet.

Schaltung des Steuerumrichter

..... 3, 2, 1, = n 1) -(n 2 + p

p f = f1

112 ⋅⋅ (3.13)

u

0

u 1 u 2 u 3

T 1

T 1 p 1

T2

n Kuppen je T 2/2 t

u 2

f 2 3 ~ M

f 1

St f 2 U 2


Spannung einer Phase beim Steuerumrichter

Die abgegebene Ausgangsspannung wird einem vorgegebenen sinusförmigen Sollwert möglichst gut angenähert. Beide Teilstromrichter arbeiten abwechselnd im Gleich- bzw. Wechselrichter-betrieb. Der Verschiebungsfaktor der Lastseite bestimmt dabei die jeweilige Stromrichtung. Wegen überwiegender Phasenanschnittsteuerung ist der Blindleistungsbedarf aus dem speisenden Drehstromnetz beim Steuerumrichter hoch. Maschinengeführter Wechselrichter Der lastgeführte Wechselrichter bezieht von der Last, z. B. eine übererregte Synchronmaschine, seine Kommutierungsblindleistung - Strom muss der Spannung voreilen -. Die Schaltung ermöglicht im allgemeinen auch eine Umkehr des Energieflusses. Die Schaltung maschinen-geführter Wechselrichter, die aus der Hintereinanderschaltung eines netzgeführten Gleichrichters und eines lastgeführten Wechselrichters mit Synchronmaschine als Last besteht, wird auch Strom-

richtermotor genannt. Im allgemeinen wird im Gleichstromzwischenkreis eine Glättungsinduktivität Ld vorgesehen, die den netzseitigen Stromrichter I vom last-seitigen II energetisch entkoppelt.

Maschinengeführter Wechselrichter (Stromrichtermotor)

Der netzseitige Stromrichter I arbeitet im Motorbetrieb der angeschlossenen Synchronmaschine als netzgeführter Gleichrichter. Er erzeugt die durch Anschnittsteuerung über den Steuerwinkel α einstellbare Gleichspannung UdI des Zwischenkreises. Der Strom im Gleichstromzwischenkreis Id wird durch die Induktivität Ld geglättet. Der lastseitige Stromrichter arbeitet als lastgeführter Wechselrichter. Er erzeugt die Gleichspannung UdII. Da Wechselrichterbetrieb vorliegt, ist der Mittelwert dieser Gleichspannung negativ. Im stationären Betrieb ist UdII = -UdI. Arbeitet die Synchronmaschine als Generator, so muss der Stromrichter II in den Gleichrichterbetrieb und der Stromrichter I in den Wechselrichterbetrieb umgesteuert werden. Im Stillstand kann die Synchronmaschine kein führendes Netz auf der Sekundärseite erzeugen, so dass das Anfahren z.B. durch Auf- und Zusteuern des eingangsseitigen Stromrichters im Takt der niedrigen Anfahrfrequenz erfolgen kann. Zwischenkreisumrichter Zwischenkreisumrichter bestehen aus drei wesentlichen Komponenten, dem netzgeführten Stromrichter, einem Strom- oder Spannungszwischenkreis und einem selbst- oder lastgeführten Wechselrichter. Die Schaltung mit lastgeführtem Wechselrichter (Stromrichtermotor) wurde zu-vor behandelt. Kann die Last, z.B. eine Asynchronmaschine, keine Kommutierungsblindleistung bereitstellen, so muss ein selbstgeführter Stromrichter eingesetzt werden. Die Kommutierungsspannung muss hier über Löschkreise bereitgestellt werden, oder es müssen abschaltbare Stromrichterventile wie FET´s, IGBT's oder GTO's eingesetzt werden.

Gleichrichterbetrieb α

u I

0

Wechselrichterbetriebα

t

I IIId

L1L2L3

Ld

UdI UdII


Stromzwischenkreis-Umrichter (I-Umrichter) Beim I-Umrichter liefert der netzseitige Stromrichter in Sechspuls-Brückenschaltung (B6-Schaltung) einen durch die Anschnittsteuerung der Thyristoren einstellbaren Gleichstrom Id der infolge der Induktivität L der Zwischenkreisdrossel für den nachgeschalteten Stromrichter einge-prägt ist (Gleichstromzwischenkreis).

Der maschinenseitige Strom-richter arbeitet als selbstge-führter Wechselrichter. Die Technik der Phasenfolgelö-schung mit sechs Konden-satoren erlaubt ein Ein- und Ausschalten der Thyristoren, so dass der Gleichstrom Id in 120°-Stromblöcken in jedem Wicklungsstrang fließt.

Schaltung des Stromzwischenkreis-Umrichters

Die Last (Maschine) ist Bestandteil des Kommutierungskreises und muss mit dem Wechselrichter des Umrichters abgestimmt sein. Die Kommutierungseinrichtung im Wechselrichter muss sowohl das Löschen des abzulösenden Thyristors sicherstellen, als auch die in den Streuinduktivitäten der Maschine gespeicherte Energie aufnehmen können. Die Kondensatoren müssen so dimensioniert sein, dass keine unzulässigen Spannungserhöhungen entstehen. Durch das zyklische Aufschalten des Stromes an die Motorklemmen entsteht in der angeschlossenen Maschine ein sprungförmig umlaufendes Ständerfeld einstellbarer Frequenz. Für die Funktion der Regelelektronik gibt es je nach den Anforderungen an die Dynamik des Antriebs unterschiedliche Konzepte. Mit entsprechendem Aufwand lassen sich etwa Stellzeiten eines Gleichstromantriebs erreichen. Besonders einfach und ohne Mehraufwand im Leistungsteil ist ein Vierquadrantenbetrieb möglich. Mit einer Spannungsumkehr im Zwischenkreis durch Wechselrichteransteuerung des netzseitigen Stromrichters bei unveränderter Stromrichtung kann eine Rückspeisung von Bremsenergie ins Netz erfolgen. Durch Änderung der Ansteuerfolge beim maschinenseitigen Stromrichter erzielt man Drehrichtungsumkehr, was einen Wechsel in der Drehrichtung bewirkt. Für Drehstromantriebe mit I-Umrichtern können Normmotoren verwendet werden, wobei allerdings auf Grund der nichtsinusförmigen Ströme und Spannungen erhöhte Stromwärme- und Eisenverluste auftreten. Im allgemeinen genügt es zum Ausgleich, die Leistung um 10 bis 15 % herabzusetzen. Der typische Frequenzbereich liegt bei 2 Hz bis 87 Hz. Bei niedrigen Frequenzen wird der Rundlauf der Asynchronmaschine durch Zwischentaktung erreicht.

Spannungszwischenkreis-Umrichter (U-Umrichter) U-Umrichter mit variabler Zwischenkreisspannung bestehen im allgemeinen aus einem netzgeführten, gesteuerten Stromrichter zur Bildung der variablen Zwischenkreisspannung, einem Zwischenkreis, bestehend aus Glättungsdrossel und Zwischenkreiskondensator, und dem selbstgeführten Stromrichter (Wechselrichter) zur Bildung der frequenz- und spannungsvariablen Ausgangsspannung. Selbstgeführte Wechselrichter bestehen heute fast ausschließlich für alle Leistungsbereiche aus abschaltbaren Stromrichterventilen, für den unteren Leistungsbereich aus Leistungs-MOSFET's, für den mittleren Leistungsbereich aus IGBT's und für hohe Leistungen aus GTO's. Selbstgeführte Wechselrichter für eine einphasige Last bestehen aus 4 abschaltbaren Ventilen mit jeweils antiparalleler schneller Diode.

L1L2

L3

ND

GR ZD WR

ASYM


Je zwei diagonal angeordnete abschaltbare Stromrichter-ventile werden für die Grundfunktion gleichzeitig ange-steuert. Diese wechseln sich periodisch mit den beiden anderen abschaltbaren Stromrichterventilen entsprech-end der gewünschten Frequenz ab. Bei ohmscher Last führen nur die abschaltbaren Strom-richterventile den Strom. Tritt auf der Lastseite Blind-leistung auf, so sind auch die Dioden (Rücklaufzweige) periodisch an der Stromführung beteiligt. Bei Umkehr der Energierichtung übernehmen die Dioden die Strom-führung.

Einphasiger Wechselrichter

Soll die Wechselspannung unabhängig von der Gleichspannung Ud verändert werden, so kann dies mit der Aussteuerung nach dem Schwenkverfahren oder nach dem Pulsverfahren erfolgen. Bei der Aussteuerung nach dem Schwenkverfahren werden Wechselspannungen zweier unge-

steuerter Wechselrichter phasen-versetzt addiert, wobei die Wech-selspannung der beiden Wechsel-richter um den Winkel α gegen-einander versetzt sind. Durch die Verkürzung der Span-nungsblöcke wird die Grund-schwingungsamplitude der Aus-gangspannung verringert, so dass sich die Oberschwingungen mehr hervor heben. Aus diesem Grund kann dieses Verfahren der Span-nungssteuerung nur in einem be-grenzten Stellbereich eingesetzt werden.

Vollaussteuerung Teilaussteuerung Spannungsverstellung nach dem Schwenkverfahren

Bei der Aussteuerung nach dem Pulsverfahren werden die Stromrichterzweige in jeder Periode der Grundschwingung mehrfach gezündet und gelöscht. Durch das Pulsverfahren ergibt sich eine Folge einzelner Stromfluss- und Sperrzeiten im Stromrichterzweig, deren Verhältnis den Effektivwert der Ausgangsspannung bestimmt. Je nach Schaltung sind entweder nur zwei Spannungszustände +Ud und -Ud möglich oder drei Spannungszustände +Ud, 0 und -Ud. Puls-verfahren mit drei Spannungszuständen werden heute fast ausschließlich eingesetzt, da sie den Vorteil haben, dass die Energie nicht unnötig zwischen der angeschlossenen Maschine und dem Gleichspannungszwischenkreis pulsiert. Meistens wird nicht mit konstantem Einschaltverhältnis λ = TE/(TE + TA), sondern die Dauer der angelegten Spannungsblöcke dem Verlauf des sinusförmigen Sollwertes angepasst, so ergibt sich eine gute Annäherung an die Grundschwingung. Die nach dem Pulsverfahren so erzeugte Grundschwingung der Ausgangsspannung wird auch Unterschwingung genannt. An der Maschine treten hierbei außer der Grundschwingung nur Oberschwingungen der gewählten Pulsfrequenz fp und noch höhere Harmonische auf. Der Maschinenstrom ist nahezu sinusförmig.

Ud

2

Ud

2

Ud

U121 2

Last

T1 D1 T4 D4

T3 D3 T2 D2

T1T3

T1

180°

t

Udu12

0

u20

0

u10

0180°

180°

u12

0

u20

0

u10

0

Ud

t

α

T2 T2 T2T4 T4 T4

T3T1 T1


Zwei Spannungszustände mit +Ud und –Ud Drei Spannungszustände mit +Ud, 0 und -Ud

nach Sinusfunktion veränderliches Einschaltverhältnis λ

Spannungssteuerung nach dem Pulsverfahren

Umrichter mit konstanter Zwischenkreisspannung (Frequenzumrichter, früher Puls-Umrichter genannt) Frequenzumrichter bestehen im allgemeinen aus einem netzgeführten, ungesteuerten Strom-richter zur Bildung der konstanten Zwischenkreisspannung, einem Zwischenkreis, bestehend aus Glättungsdrossel und Zwischenkreiskondensator, und dem selbstgeführten Pulswechsel-richter zur Bildung der frequenz- und spannungsvariablen Ausgangsspannung. Im allgemeinen speist der netzseitige, ungesteuerte Stromrichter (Dioden in B6-Schaltung und bei S < 2 kW in B2-Schaltung) über eine Glättungsdrossel den Zwischenkreiskondensator C mit nahezu konstanter Gleichspannung Ud ein. Wegen des ungesteuerten Gleichrichters entsteht keine Steuerblindleistung und man arbeitet über den ganzen Stellbereich mit einem guten Grundschwingungsverschiebungsfaktor cosϕ1 im speisenden Netz. Die Netz-Ober-schwingungen werden durch die netzseitige Drehstromdrossel begrenzt, so dass der Leistungsfaktor λ > 0,8 erreicht wird. EMV-Filter reduzieren die höheren Frequenzen im Netzstrom auf zulässige Werte. Zur Stützung des Zwischenkreises können Batterien herangezogen werden, die eine Überbrückung bei Netzausfällen ermöglichen. Der Zwischen-kreis lässt sich außerdem als Gleichspannungs-Sammelschiene ausbilden, an die mehrere, voneinander unabhängige Pulswechselrichter angeschlossen sein können.

Frequenzumrichter mit konstanter Zwischenkreisspannung

Der maschinenseitige Pulswechselrichter schaltet Spannungsblöcke variabler Breite (z.B. Pulsbreitenmodulation) auf die Maschinenklemmen, so dass sich eine sinusförmige Grund-schwingung der gewünschten Frequenz bildet.

Te

0

u

Ta

Ud

t

Te

0

u

Ta

Ud

t

u1

L1L2L3

netz-seitigeDrossel

Gleich-richter

Zwischen-kreis

Pulswechsel-richter

ASYM

Schutz-drossel

T e

0

u

T a

U d

t


Beim Pulswechselrichter in Drehstrom-Brückenschaltung ist bei sinusförmigem Stromverlauf und symmetrischer Last die Summe der aufgenommenen Phasenleistungen auf der Wechsel-stromseite konstant. In der Grundschaltung ist beim Frequenzumrichter nur Motorbetrieb möglich, wobei durch Vertauschen der Phasenfolge bei der Ansteuerung der abschaltbaren Stromrichterventile eine Drehrichtungsumkehr entsteht. Für den Bremsbetrieb wird meistens ein ohmscher Widerstand über einen Widerstandsschalter (Chopper) im Zwischenkreis vorgesehen. Mit hohem Zusatzaufwand ist auch Energierückspei-sung ins Netz bei Bremsbetrieb möglich. Beim Frequenzumrichter wird die Zwischenkreisspannung durch den Pulswechselrichter mit einer hohen Taktfrequenz auf die Maschine geschaltet, ein nahezu sinusförmiger Maschinenstrom wird so angestrebt. Bei Frequenzumrichtern mit IGBT´s ist die Taktfrequenz bis 16 kHz wählbar; bei Frequenzumrichtern mit FET´s (nur bei kleiner Leistung) kann die Taktfrequenz bis zu 100 kHz betragen.

Dreiphasiger Wechselrichter für Frequenzumrichter

mit Energierückspeisung

Statt der sonst bei Frequenzumrichtern verwendeten ungesteuerten Gleichrichterdiodenbrücke (ungesteuerte B6-Schaltung) zwischen den Netzklemmen und dem Gleichspannungs-Zwischen-kreis werden ein dreiphasiger Wechselrichter und ein L-C-L-Filter eingefügt. Dabei ist das Leistungsstellglied dieses dreiphasigen Eingangsteils wie ein üblicher Puls-Wechselrichter (Aus-gangsseite eines normalen Frequenzumrichters) aufgebaut. Der dreiphasige Wechselrichter mit den Filterdrosseln LF und den Kondensatoren CF stellt eine steuerbare dreiphasige Spannungsquelle dar. Über die Netzdrosseln LN lässt sich der sinusförmige Netzstrom frei einstellen (Amplitude und Phasenlage). Der Regler hält die Zwischenkreisspannung Ud konstant und übernimmt die Netzsynchronisation. Dazu wird der Wirkstromsollwert IWsoll über ein PI-Glied aus der Differenz Sollwert der Zwischenkreisspannung und Istwert der Zwischenkreisspannung Ud ermittelt; der Blindstromsoll-wert wird mit IBsoll = 0 vorgegeben. Beim "Speisen" (Motorbetrieb) sind die Netzspannung und der nahezu sinusförmige Netzstrom in Phase. Beim "Rückspeisen" (Generatorbetrieb) sind die Netzspannung und der nahezu sinusförmige Netzstrom um 180° phasenverschoben. Vorteile des dreiphasigen Wechselrichters mit L-C-L-Filter für Frequenzumrichter sind: • stabilisierte konstante Zwischenkreisspannung, • Speisen vom und Rückspeisen in das Versorgungsnetz möglich, • Leistungsfaktor │λ│ nahe 1, das heißt, fast keine Blindleistungsaufnahme und geringer

Oberschwingungsgehalt, • geringer Funkstörspannungspegel.

Ud

L F L N

C F

L1 L2 L3


Versorgungs- und Rückspeisemodule für Frequenzumrichter (FU) im Verbundbetrieb Werden mehrere Frequenzumrichter im Verbund als sogenannter Mehrachsenantrieb, wie bei Robotern betrieben, so kann ein Versorgungs- und Rückspeisemodul den Energieaustausch zwischen dem Drehstromnetz und der gemeinsamen Gleichspannungsschiene (Gleichspannungs-Zwischenkreis) übernehmen. Der Energieaustausch zwischen den einzelnen Frequenzumrichtern erfolgt über die Gleichspannungsschiene.

Die Energieversorgung erfolgt über die ungesteuerte B6-Schal-tung. Der Einspeisebetrieb ist damit in weiten Grenzen und sogar beim Ausfall einer Phase möglich. Der Rückspeisebetrieb erfolgt nur, wenn alle drei Phasen im Frequenzbereich von 48 Hz ... 62 Hz vorhanden sind.

Versorgungs- und Rück- speisemodul für FU

Der Rückspeisebetrieb setzt automatisch ein, wenn die Gleichspannung den Scheitelwert der Netzspannung um ca. 20 V überschreitet. Der Rückspeisebetrieb wird eingestellt bei Über-temperatur oder beim Überschreiten der Spitzenbremsleistung. Abhilfe schaffen hier zusätzliche Bremseinheiten. Dem Versorgungs- und Rückspeisemodul muss eine Netzdrossel oder besser ein Filter vorgeschaltet werden. Beispielhaft sind die Messungen an einem 15-kW-Asynchron-maschinen-Antrieb mit Versorgungs- und Rückspeisemodul für den Frequenzumrichter.

0 2 4 6 8 10t in ms

12 14 16 18 20

400

300

200

100

0u 1 i

n V

-100

-200

-300

-400

U1 = 231 V I1 = 8,3 A Ud = 550 V

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

i 1 in

A

0 2 4 6 8 10t in ms

12 14 16 18 20

400

300

200

100

0u 1 i

n V

-100

-200

-300

-400

U1 = 233 V I1 = 5,4 A Ud = 580 V

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

i 1 in

A

Einspeisebetrieb bei Motorbetrieb Rückspeisebetrieb bei Generatorbetrieb

Netzstrom i1 und Netzspannung u1 bei n = 500 min-1, M = 60 Nm

0 2 4 6 8 10t in ms

12 14 16 18 20

400

300

200

100

0u 1 i

n V

-100

-200

-300

-400

U1 = 230 V I1 = 14,4 A Ud = 538 V

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

i 1 in

A

0 2 4 6 8 10t in ms

12 14 16 18 20

400

300

200

100

0u 1 i

n V

-100

-200

-300

-400

U1 = 235 V I1 = 9,6 A Ud = 581 V

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

i 1 in

A

Einspeisebetrieb bei Motorbetrieb Rückspeisebetrieb bei Generatorbetrieb

Netzstrom i1 und Netzspannung u1 bei n = 1000 min-1, M = 60 Nm)

Ud

L1

L2L3


3.4 Netzrückwirkungen von Stromrichtern Unter Netzrückwirkungen von Stromrichtern versteht man den Einfluss ihrer Blindleistung und ihrer Stromoberschwingungen auf das elektrische Netz. Hierdurch wird die Spannung gesenkt bzw. verzerrt. Induktive Blindleistung entsteht, wenn infolge der Phasenanschnittsteuerung des Stromrichters die erste Harmonische des Netzstromes gegenüber der zugeordneten Strangspannung nacheilt. Im ungesteuerten Bereich (α = 0°) ist das beim Kommutierungsvorgang durch den verzögerten Stromübergang von einem Ventil auf das andere der Fall. Im gesteuerten Betrieb (α > 0°) wird die Phasenverschiebung um den Steuerwinkel α vergrößert und damit die vom Stromrichter aufgenommene Blindleistung erhöht. Nach ihrer Entstehung bezeichnet man diese Grund-schwingungsblindleistung Q1 als Kommutierungs- bzw. Steuerblindleistung. Wird der geringe Magnetisierungsstrom des Stromrichtertransformators vernachlässigt, so gilt für vollgesteuerte Schaltungen ohne Freilaufdiode (M3, B2, B6):

Für den ungesteuerten Betrieb mit dem Steuerwinkel α = 0° und dem Überlappungswinkel u = u0 gilt:

S1 = Scheinleistung des Stromrichters für die Grundschwingung Häufig beträgt der Überlappungswinkel u0 nur wenige Grade, so dass die Kommutierungs-blindleistung vernachlässigt werden kann (u = 0°). Aus Gl. (3.14) erhält man:

Für den Grundschwingungsverschiebungsfaktor cosϕ1 gilt:

Grundschwingungsblindleistung in Abhängigkeit von der Gleichspannung

für vollgesteuerte Schaltungen (M3, B6)

Eine weitere Blindleistungskomponente ist die Verzerrungsblindleistung D. Wird sinusförmige Netzspannung und nichtsinusförmiger Strom vorausgesetzt, dann gilt:

ki = Oberschwingungsgehalt (Klirrfaktor) und gi = Grundschwingungsgehalt des Stromes I

u)] + ( cos - cos[ 4u)] + ( [2 sin - 2sin +2u = sin =

SQ

11

1

αα⋅α⋅α

ϕ (3.14)

)ucos - (1 42usin - 2u

= SQ

0

00

1

1

0 = ⋅

°α

(3.15)

α

°

sin = SQ

1

1

0 =u

(3.16)

21

21

11 S

Q - 1 = SP = cosϕ (3.17)

II = g

I

I = k 1

i

2

2 = i

ν

∞

ν∑

(3.18)

-1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

0,8

0,6

0,4

0,2

Anfangsüberlappung u0 = 0°; 10°; 20°; 30°; 40°

Udi·Id

Q1

γ

Udi

Ud

10°0°

20°40°

30°

0°10°

20°30°

40°


Die Grundschwingungsscheinleistung S1, die Wirkleistung P, die Oberschwingungsblindleistung D und die Grundschwingungsblindleistung Q1 werden nach Gl. (3.19) berechnet.

Bei Stromrichtern entstehen sowohl auf der Gleichstrom- als auch auf der Wechselstromseite Oberschwingungen, die miteinander in Wechselwirkung stehen. Unter Annahme völliger Glättung des Gleichstromes und Vollaussteuerung entstehen auf der Gleichstromseite Spannungsoberschwingungen Uvi (k = 1, 2, 3 ....)

und auf der Netzseite enthält der Netzstrom neben der Grundschwingung Oberschwingungen Iv

v = Ordnungszahl der Oberschwingung p = Pulszahl Maßnahmen zur Verminderung der Netzrückwirkungen Aus energietechnischen Gründen ist es wichtig, die auftretende Blindleistung und die Ober-schwingungen möglichst weitgehend zu kompensieren. Das kann durch eine ventil- und netz-seitige Kompensation bzw. Verringerung der Blindleistung geschehen. Vollgesteuerte Brücken- und Mittelpunktschaltungen benötigen abhängig von der Aussteuerung eine sehr hohe Blindleistung. Mit der Folgesteuerung von zwei Teilstromrichtern, die meistens durch Reihenschaltung eines nicht steuerbaren mit einem steuerbaren Stromrichter gebildet wird, kann der Blindleistungsbedarf reduziert werden. Ein ähnliches Verhalten bezüglich des Blindleis-tungsbedarfs zeigen halbgesteuerte Brückenschaltungen (B6H) mit und ohne Freilaufdiode.

Verminderung der Netzblindleistung bei

Folgesteuerung

Mit der Reihenschaltung eines ungesteuerten Stromrichters (Gleichrichters) mit einem nachgeschaltetem Gleichstromsteller kann die Steuerblindleistung weitgehend vermieden werden. Netzseitig kann die Grundschwingungsblindleistung Q1 mit Kompensationseinrichtungen erfolgen, die häufig aus regelbaren Kondensatoranlagen bestehen. Bei der Auslegung dieser Anlagen ist auf Resonanzerscheinungen zu achten, um eine Überlastung der Kondensatoren und unzulässige Verzerrungen der Netzspannung zu vermeiden. Deshalb werden häufig zu den Leistungskondensatoren Drosselspulen in Reihe geschaltet, um so die Resonanzlage der Anlage zu verstimmen. In der Praxis haben sich Resonanzfrequenzen unterhalb der 5. Oberschwingung bewährt.

ins g S = Q k S = D S = cos g S = P g S = S

1i1i

1ii1

ϕ⋅⋅⋅λ⋅ϕ⋅⋅⋅

(3.19)

p k = mit U 1 -

2 = U udi2u

i ⋅ν⋅νν (3.20)

1 p k = mit I = I ii

1 ±⋅ννν (3.21)

)tan - tan( P = Q CC ϕϕ⋅ (3.22)

-1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

0,8

0,2

Anfangsüberlappung u0 = 0° bzw. 40°

Q1

γ

Udi

Ud

0°

40°Udi·Id

γ


Die Verzerrungsleistung D kann durch Gruppenschaltungen oder durch netzseitige Saugkreise verringert werden. Mit zunehmender Pulszahl verringert sich der Oberschwingungsgehalt des Stromes. Die Amplitude der einzelnen Stromoberschwingung ist von der Belastung und der Ord-nungszahl abhängig. Bei Stromrichterleistungen oberhalb von 300 kVA finden deshalb vorwiegend 12pulsige Schaltungen Anwendung. Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung der Stromoberschwingungen im Netz besteht durch Kurzschließen der vom Stromrichter erzeugten Oberschwingungen mit Resonanzkreisen (Saugkreise).

12pulsige Schaltung aus zwei parallel geschalteten Drehstrombrücken (B6.2/15-Schaltung)

Stromrichter mit abgestimmte Saugkreisen

L1 L2 L3

UL1N 2 3

Id

IdII

IdI

LS

US1 2 3 1 2 UStr3

Ld

Ud

UdII

UdI

M

IQ

Iν

Id

IC5 IC7 IC11 IC13

Q

M250 Hzν = 5

350 Hzν = 7

550 Hzν = 11

650 Hzν = 13

Un

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Elektrische Antriebe_03