Selbstgeführte Stromrichter

193

12 Selbstgeführte Stromrichter

Unter selbstgeführten Stromrichtern versteht man Stromrichter zur Umformung von Gleich-und Wechselströmen unter Verwendung abschaltbarer Bauelemente. Die Ventile können daherohne führendes Netz kommutieren. Selbstgeführte Stromrichter arbeiten als Wechselrichter(WR) mit eingeprägter Spannung (UWR) oder mit eingeprägtem Strom (IWR). Wir betrachtenzunächst 1-phasige Wechselrichterschaltungen.

12.1 Wechselrichter mit eingeprägter Spannung (UWR)1-phasige Wechselspannungen werden durch Mittelpunktschaltungen (Abb. 12-1 a und b) oderdurch eine Brückenschaltung (Abb. 12-1d) erzeugt. Der Vorteil von Mittelpunktschaltungenliegt im Vergleich zur Brückenschaltung in der geringeren Anzahl an Halbleiterventilen,wodurch speziell bei kleinen Leistungen ein günstiger Wirkungsgrad erreicht werden kann.Der für Mittelpunktschaltungen erforderliche Spannungsmittelpunkt kann von der Gleich-spannungsseite z. B. über einen kapazitiven Spannungsteiler nach Abb. 12-1b oder nach Abb.12-1a über den Ausgangstransformator bereitgestellt werden. Der Transformator ist zurSpannungsanpassung und Potenzialtrennung ohnehin erforderlich.

Die Ausgangsspannung uUV (Abb. 12-1c) bildet hier ein symmetrisches Rechteck, dessenEffektivwert von Ud bzw. dem Windungszahlverhältnis ü des Trafos abhängt. Die Frequenzfolgt aus der Schaltfrequenz der Umschalter (s bzw. sU und sV). Zur Erzielung sinusförmigerAusgangsspannungen ist zusätzlich ein Sinusfilter vorzusehen.

Abbildung 12-1 Mittelpunktschaltungen mit gleich- und wechselspannungsseitigem Mittelpunkt

uUV

S

U d2

-1

+1

U d2

Ud

C

C

uUV

S

-1Ud

+1

a) b)

Ud · ü

-1 +1

t

uUV

-1

+1Ud SU SV

-1

+1

d)

uUV

+1/-1 -1/+1

c)

ssU /sV

194 12 Selbstgeführte Stromrichter

12.1.1 Mittelpunktschaltung mit AC-seitigem Mittelpunkt Auf der Lastseite sind im Allgemeinen induktive Komponenten vorhanden, welche plötzlicheStromänderungen verhindern. Die Abschaltung eines Ventils würde daher zu hohen Über-spannungen führen. Deshalb sind zusätzlich die Dioden D1 und D2 vorzusehen, welche einenFreilaufkreis ermöglichen. Damit der Primärstrom unmittelbar zwischen den Wicklungshälftenohne Überspannungen wechseln kann, muss die Primärwicklung streuungsfrei ausgeführt sein.

1

Ausgangssituation: i2 = 0

Der Schalter S1 wird geschlossen.

Die Spannung uUV ist über das Windungs-zahlverhältnis N1:N2 mit der Gleichspan-nung Ud verknüpft (uUV < 0, i2 > 0).

Der Laststrom i2 zeigt mit der Lastzeitkon-stanten L/R einen exponentiellen Verlauf.

2

S1 wird geöffnet, S2 geschlossen.Beim öffnen von S1 ändert uL die Polaritätund hält i2 aufrecht. Die primäre Teilspan-nung uP überschreitet dabei Ud und schaltetdie Freilaufdiode D2 ein, wodurch auch i1weiter fließt.

Der Strom i1 ist vom Schalter S1 auf dieFreilaufdiode D2 kommutiertder Energiefluss ist umgekehrt.S2 ist noch stromlos.

3

Unter dem Einfluss von Ud ändert i1 seineRichtung. Nach dem Stromnulldurchgangvon i1 blockiert D2 und der Strom i1 wirdvon Ud über S2 weitergetrieben (uUV > 0, i2 > 0).

Der Strom i1 ist von der FreilaufdiodeD2 auf den Schalter S2 kommutiert.

Abbildung 12-2 Schaltermodell des 1-phasigen Wechselrichters mit ohmsch-induktiver Last

N1

S2D2

S1D1

U VN2

uUVuRuL

RL

i1

i2

iduP

Ud

N1

S2D2

S1D1

U VN2

uUVuRuL

RL

i1

i2

iduP

Ud

uUV (< 0)

N1

N2

S2

D2

S1

D1

U V

i1

uRuL

RL

id

i2

Ud

uP

12.1 Wechselrichter mit eingeprägter Spannung (UWR) 195

Die Ausgangsspannung uUV ist näherungsweise rechteckförmig. Die Amplitude ist von derGleichspannung Ud und dem Übersetzungsverhältnis des Transformators abhängig. Auf derPrimärseite fließt i1 über unterschiedliche Pfade, die in Abb. 12-2 dargestellt sind.

12.1.2 Ausführungsbeispiel mit ThyristorschalterWerden die Schalter in Abb. 12-2 durch Thyristoren realisiert, so erhält man zunächst dieSchaltung nach Abb. 12-3. Hierin ist auch der Kondensator CK zur Bereitstellung der erfor-derlichen Kommutierungsspannung für die Thyristoren T1 und T2 dargestellt.

Grundschaltung

Der Kondensator CK ist auf 2Ud aufgeladen.

Verbesserte Schaltung

Die Dioden D11 und D22 verhindern eineungewollte Kondensatorentladung, die Induk-tivität LK verhindert den Einfluss von D1 undD2 auf die Thyristor-Kommutierungen.

Abbildung 12-3 Selbstgeführter Thyristorwechselrichter

Um zu vermeiden, dass sich der Kondensator CK im Löschaugenblick über die FreilaufdiodenD1 bzw. D2 über einen Kreisstrom iKreis entladen kann, ist eine Kommutierungsdrossel LK er-forderlich. LK wirkt auch auf die Stromübergabe zwischen Thyristor und Freilaufdiode, diedadurch verzögert wird. Die Dioden D11 und D21 sollen ein vorzeitiges Entladen von CK ver-hindern. Die Wirkungsweise soll ausgehend von Abb. 12-4 betrachtet werden (T2 leitet).

Abbildung 12-4

1-phasiger WR mit AC-seitigem Mittelpunkt undKommutierungseinrichtungen

Ausgangssituation: T2 leitet, uCK = 2Ud, uUV > 0.

uUV

D1

Cd

Ud

T1 T2

CK

LK

uCK

D2

D21D11

L RiUU V

D2

uUV

D1

U V

CdUd T1 T2

CKD2

uUV

D1

U V

Cd

Ud

T1 T2CK

LK

D21D11


In Abb. 12-5 wird T1 wird gezündet. CK löscht T2. Der Strom ist von der Induktivität L derLastseite eingeprägt und fließt daher weiter über T1 und CK. Dabei wird CK umgeladen. Esfließt zusätzlich ein Kreisstrom iKreis über D2-D21-CK-T1, welcher sich zum Laststrom in CK-T1-LK überlagert.

Ist CK soweit umgeladen (Nulldurchgang von uCK), dass sich der Kreisstrom durch D2 um-kehren will, so verlöschen D2 und D21. Der Strom wechselt auf D1, wodurch die Durchflutungdes Transformators auf die andere Wicklungshälfte wechselt (Abb. 12-6). Der Gleichstrom idwechselt dadurch seine Richtung und es wird Energie zur Gleichstromquelle übertragen(Rückspeisung).

Dieser Zustand dauert solange, bis der (induktive) Verbraucherstrom unter dem Einfluss derSpannung uUV seine Richtung ändert. Dann ändert sich die Durchflutungsrichtung des Trans-formators, die Freilaufdiode D1 sperrt und T1 führt den Strom allein (Abb. 12-7). Bei derStromübergabe an den Ventilen D1 und T1 wirkt sich die Induktivität LK nachteilig aus.Deshalb wird LK mit bei praktischen Anlagen einer Mittelanzapfung ausgeführt (Saugdrossel).Der Kreisstrom sollte vollständig abgebaut werden.

Abbildung 12-5

Thyristorkommutierung mit anschließenderUmladung von CK

Der Löschstrom fließt nur für kurze Zeitund ändert die KondensatorspannunguCK praktisch nicht.

uCK baut über D2 den Kreisstrom iKreisauf.

An der Primärwicklung desTransformators wirkt die Spannung uP.

uP = Ud + uCK

Abbildung 12-6

Rückspeisemodus, uUV < 0, iU > 0

Die Last speist Energie in dieGleichspannungsquelle zurück.

Der Kreisstrom iKreis baut sich in derPraxis langsam über ohmsche Verlusteund Durchlassspannungen an denVentilen ab.

D1

Cd

UdT1 T2

CK

LKiKreis

D2uCK

uUV

L R

D1

Cd

UdT1 T2

uCK

LK

iLÖSCH

iKreis

D2

uUV

L R


Die vollständige Periode der Ausgangsspannung uUV und des Stromes iU zeigt Abb. 12-18.Die Spannung uUV ist idealisiert rechteckförmig dargestellt. Der Einfluss der Kondensator-spannung uCK in Abb. 12-5 ist somit vernachlässigt. Der Verlauf von iU entspricht daher einerExponentialfunktion mit der Zeitkonstanten L. Die Höhe des Effektivwertes der Ausgangs-spannung (UUV) kann über die Eingangsspannung Ud und das Übersetzungsverhältnis desTransformators eingestellt werden. Die stets vorhandene Streuinduktivität des Transformatorssollte so klein wie möglich sein, da sie zu einer Vergrößerung der Zeitkonstanten L führt.

Abbildung 12-7

Ende der Kommutierung

Der Laststrom iU hat seine Richtung umge-kehrt, womit die Kommutierung abge-schlossen ist. Es gilt: uUV < 0, iU < 0.

Der Kondensator CK ist mit derdargestellten Polarität löschbereit fürdie Ablösung von T1 durch T2. (uCK = 2Ud)

Abbildung 12-8 Ausgangswechselspannung (idealisiert) uUV und Ausgangsstrom iU (Die Zahlen-angaben beziehen sich auf die entsprechend gekennzeichneten Schaltbilder.)

t

u UV i U

U d

N 2

N1

U d

N 2N1

L

0

Rückspeisung

D2

uUV

D1Cd

Ud

T1 T2

CK

LK

uCK

L R


12.1.3 3 phasige BrückenschaltungenAls Beispiel für eine Brückenschaltung wird eine 3-phasige Wechselrichterschaltung vorge-stellt. Den prinzipiellen Aufbau der 3-phasigen Wechselrichterschaltung mit Einspeisestrom-richter (ESR) und Zwischenkreiskondensator (UZK) zeigt Abb. 12-9. Die Phasenspannung uUund die Leiterspannung uUV wird mit den Schaltfunktionen sU, sV und sW nach Gl. (12-1)bzw. (12-2) hergeleitet. Näheres dazu siehe Kap. 13.1.7.1. In Tab. 12.1 sind die Schaltzuständedes Wechselrichters mit den entsprechenden Spannungen uU und uUV aufgelistet.

Tabelle 12.1 Schalterstellungen und Spannungen (uUV, uU) des UWR

SU SV SW uUV uU

Grad Ud

1 0 - 60 +1 -1 +1 1 1

2 60 - 120 +1 -1 -1 1 2

3 120 - 180 +1 +1 -1 0 1

4 180 - 240 -1 +1 -1 -1 -1

5 240 - 300 -1 +1 +1 -1 -2

6 300 - 360 -1 -1 +1 0 -1

uUV sU sV

U d2

(12-1)

uU sU

sV2

sW2

U d3

(12-2)

Abbildung 12-9 Schaltermodell des 3-phasigen U-Wechselrichters (UWR) mit symmetrischer Last

U d 3

iU

u1

u2

u3 Cd

Cd

SU

SV

SW

+1

1 +1

1 +1

1

PhasenspannunguU

0

uUV

Mittelpunkt-spannung uW0

K

N

iV

iW

U d2

U d2

ESR UZK Wechselrichter


In Abb. 12-10 sind die Zeitverläufe der Ausgangsspannung des UWR dargestellt. Für diePhasenspannungen wurde ein symmetrischer Verbraucher angenommen. Die Kennwerte derSpannungskurvenform sind in Tab. 12.2 angegeben. Die Betriebsart des Wechselrichters wirdwegen der blockförmigen Spannung als Grundfrequenz- oder Blocktaktung bezeichnet.

Tabelle 12.2 Ausgangsspannungen des UWR

verkettete Spannung Phasenspannung

ScheitelwertuUV,1U d

2 3 1,103uU,1U d

2 0,637

Effektivwert derGrundschwingung

U UV,1U d

6 0,780U U,1U d

2 0,450

EffektivwertU UVU d

23

0,816U UU d

23

0,471

Abbildung 12-10 Ausgangsspannungen des UWR mit symmetrischer Last

t

uU Ud

2

uuUV

uV

uW

uVW

uWU

t

t

u

u


12.1.3.1 Betrieb mit passiver Last

Für eine idealisierte Betrachtung wird die Spannung uU entsprechend Abb. 12-10 als treppen-förmige Zeitfunktion übernommen. Hierbei überträgt die sinusförmige Grundschwingung dieWirkleistung während die Spannungsoberschwingungen Verzerrungsanteile im Strom unddamit zusätzliche Verluste erzeugen. Die Aufteilung in Grund- und Oberschwingungen wirddurch zwei Spannungsquellen in Abb. 12-11 symbolisiert. Als passive Last wird eine symme-trische R-L-Schaltung angenommen. Die Spannungsquellen stellen die MittelpunktspannunguU nach Abb. 12-10 bereit. Das Ergebnis zeigt Abb. 12-12.

12.1.3.2 Betrieb mit einer Drehfeldmaschine

Die Drehfeldmaschine wird im Allgemeinen mit einem konstanten magnetischen Flussbetrieben. Der Stromrichter wird dazu so gesteuert, dass sich an den Maschinenklemmen beijeder Drehzahl ein konstantes Verhältnis U/f ergibt. Zur Beschreibung der elektrischen Ver-hältnisse aus Sicht des Stromrichters genügt ein Ersatzschaltbild nach Abb. 12-13.

Die Herleitung diese Ersatzschaltbildes ist in [4] erläutert. Aufgrund der schaltenden Arbeits-weise des Wechselrichter sind in der Spannung uU neben der erwünschten Grundschwingung

Abbildung 12-11

Vereinfachtes Simulationsmodellfür eine passive R-L-Last am UWR

RS LiU

uU

uU,1

uU,OS

Abbildung 12-12

Phasenstrom- und Spannungbei passiver RL-Last imstationären Zustand

t

iU

uU

Abbildung 12-13

1-phasiges Ersatzschaltbild einerDrehfeldmaschine am Beispiel einer ASM (Phase U, rotorflussbezogen)

LRS

eUuU

iU


uU,1 auch viele, von der Taktung des Wechselrichters abhängige Oberschwingungen uU,OSenthalten. Im Ersatzschaltbild nach Abb. 12-14 sind dafür 2 Spannungsquellen vorgesehen.

Während die Spannungs-Grundschwingung UU,1 für das Drehmoment der Maschine und dieübertragene mechanische Leistung zuständig ist, erzeugen die Oberschwingungen Verzer-rungsströme, wodurch Pendelmomente, und zusätzliche Verluste in der Maschine entstehen.Die Abweichung der Spannung von der Sinusform ist beschrieben durch u nach Gl. (12-3).Die Spannung u liegt an der Maschinenimpedanz und verzerrt die Stromkurvenform.

u uU eU (12-3)

Im Phasenstrom nach Abb. 12-15 kann der Einfluss der Spannungsoberschwingungen beiGrundfrequenztaktung auf den Stromverlauf als Abweichung von der erwarteten Sinuskurven-form beobachtet werden. Für die Stromkurvenform ist der Einfluss des ohmschen WiderstandRS im Vergleich zu dem induktiven Widerstand ( L ) vernachlässigbar.Während die oberschwingungsabhängigen Stromkomponenten durch die Wechselrichtertak-tung stets die gleiche Phasenlage behalten, verschiebt sich lastabhängig die Stromgrund-schwingung, wodurch in der Summe eine veränderte Stromkurvenform auftritt. DerScheitelwert îU steigt bei dieser Betriebsart typisch über das zweifache des Effektivwertes an(crest factor).

Abbildung 12-14

UWR-gespeiste Drehfeldmaschine,vereinfachtes 1-phasiges Simulations-modell einer Phase zur Ermittlung derStromkurvenform iU

uU,1: GrundschwingunguU,OS: Oberschwingungen

eU

u

RS LiU

uU

uU,1

uU,OS

M

Abbildung 12-15 Phasenstrom und -spannung bei aktiver Last (Motorlast)

iUeU

uU

u

iU,1

t

t


12.1.3.3 Wechselrichter mit Phasenfolgelöschung

Zur Erzeugung eines Drehspannungssystems nach Abb. 12-10 kann ein Phasenfolgewechsel-richter nach Abb. 12-16 eingesetzt werden. Dieser Wechselrichter ist mit Thyristoren bestückt.Derartige Umrichter werden heute wegen der Verfügbarkeit abschaltbarer Bauelemente (GTO,IGBT) nicht mehr hergestellt, sind aber noch im Einsatz. Die Schaltung nach Abb. 12-16macht auch deutlich, welchen Vereinfachungen der Einsatz abschaltbarer Bauelemente bietet.Die Thyristorlöschung erfolgt bei diesem Wechselrichter über die Spannung einesKondensators durch Zündung der Folgephase. Während der Ventilablösung werden dieKondensatoren so umgeladen, dass anschließend die nächste Phase gelöscht werden kann.

Ansteuern von T3 (uC13 > 0):

Beim Zünden von T3 geht iU schlagartigvon T1 auf T3 über. Anschließend fließt iUüber T3-C13-D10-L13-U. C13 wird durch iUumgeladen. Die Ventilspannung amabgeschalteten Ventil T1 ist gleich uC13 undbleibt zunächst kleiner 0. Hierdurch wirddie Thyristor-Schonzeit tS sichergestellt. L13verhindert eine vorzeitige Entladung vonC13 über die Diode D1-T3-C13-D10.

Abbildung 12-16

Wechselrichter mitPhasenfolgelöschung

Ausgangssituation:iU sei eingeprägt.

iU fließt C-T1-D10-L13-U vondort über die Last und über W-T2zurück nach D.

Ablauf:Durch Ansteuerung von T3 sollT1 abgeschaltet werden.

Die Spannung von C13 mussso gepolt sein, dass beimAnsteuern von T3 T1 sofortabschaltet.U

T1 T3 T5

T4 T2

D1 D3 D5

D4 D6 D2

CdU0

T6

D10 D30 D50

D20D60D40

C13

C35

C51

C62C46

C24

V W

C

D

L13

iU

U

T1 T3D1

D4

CdU0

D10 D30

C13

C35

C51

V W

C

D

L13


Kommutierung T3-D4:

Sobald uC13 auf U0 umgeladen wurde, kannD4 leitend werden und es erfolgt ein über-lappender Stromübergang mit abnehmendemiC13 und zunehmendem iD4 bis iC13 Null wird.

(Für die Leitbedingung von D4 (uD4 > 0) ist dieMaschengleichung U0 uC13 uD4 = 0 nach uD4aufzulösen.)

Endzustand:

iU fließt über D D4 L13 U und von dort überdie Last und T2 nach D. Durch Zündung vonT3 ist iU von T1 auf D4 gewechselt. Im Schal-termodell nach Abb. 12-9 entspricht dies einerÄnderung der SU-Schalterstellung von +1nach 1.

Für eine endliche Schonzeit für T1 muss C13 langsam umgeladen werden. Hierfür ist die In-duktivität L13 vorgesehen. Die Kommutierungsmittel C13 und L13 zusammen mit der SpannunguC13, der beim Ansteuern von T3 vorhanden ist, sichern den Stromübergang T1 nach D4. AmEnde dieses Stromüberganges ist uC13 negativ. Bei den folgenden Stromübergängen in der 3-phasigen Schaltung wird uC13 umgeladen, so dass am Ende des Abschnittes, in dem T1 Stromführt, uC13 wieder positiv ist.

Die Ventilablösung erfolgt unabhängig von den Maschinenparametern. Der UWR mitPhasenfolgelöschung ist daher für variable Lastimpedanzen geeignet.

U

T1 T3D1

D4

CdU0

D10 D30

D40

C13

C35

C51

V W

C

D

L13

U

T1 T3D1

D4

CdU0

D10 D30

C13 C35

C51

V W

C

D

L13


12.2 Wechselrichter mit eingeprägtem Strom (IWR)

12.2.1 PrinzipDieser Wechselrichter schaltet den in der Induktivität Ld eingeprägten Gleichstrom an dieMotorphasen weiter. Wegen des eingeprägten Stromes ist das Motormoment, welchesproportional zum Strom ist, nur über den Eingangsstromrichter steuerbar. Mit Rücksicht aufden schlechten Leistungsfaktor des Eingangsstromrichters wird der Wechselrichter miteingeprägtem Strom für neue Anlagen mit Wechsel- oder Drehstromeingang nur noch selteneingesetzt, jedoch:

Wegen des eingeprägten Stromes hat dieser Wechselrichter eine hohe Kurzschluss-sicherheit.Die Stromsteilheiten sind durch die Systemeigenfrequenzen begrenzt. Dies wirkt sichgünstig aus hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit.Der eingeprägte Gleichstrom Id erlaubt durch Polaritätsumkehr der Zwischenkreisspannungeine direkte Netzrückspeisung. Diese Eigenschaft kann nach Abb. 12-17 mit einer kosten-günstigen netzgeführten B6-Gleichrichterschaltung realisiert werden.

Tabelle 12.3 Schalterstellungen und Ströme des IWR

S+ S- IU IV IW

Grad Id Id Id

1 0 - 60 1 6 1 1 0

2 60 - 120 1 2 1 0 1

3 120 - 180 3 2 0 1 1

4 180 - 240 3 4 1 1 0

5 240 - 300 5 4 1 0 1

6 300 - 360 5 6 0 1 1

Die Winkelangabenfür beziehen sichauf die Darstellungin Abb. 12-18

Abbildung 12-17 IWR mit Eingangsstromrichter (ESR) und symmetrischer Last

13

5

46

2

iU

iV

iW

IdLdu1

u2

u3

uUK

uUV

Eingangsstromrichter (ESR) IZK Wechselrichter

S

S Last

K

12.2 Wechselrichter mit eingeprägtem Strom (IWR) 205

Abb. 12-18 zeigt die Ströme in idealisierter Form. Dafür gelten die Kennwerte nach (12-4).

Scheitelwert iU,12 3 I d 1,103 I d

Grundschwingungseffektivwert I U,16 I d 0,780 I d

Effektivwert I U = 23

I d = 0,816 I d

(12-4)

Eine Umschaltung der Ströme ist wegen der in den Streuinduktivitäten gespeicherten Energienur mit begrenzter Stromsteilheit zulässig. Eine Nachbildung von iU durch entsprechendeRechteckströme (analog zum UWR) ist daher zur Ermittlung von uU nicht sinnvoll. Um dieSpannungsbelastung durch die induzierte Spannung prinzipiell darzustellen wird der Motor-strom iU deshalb in Trapezform nachgebildet. Abb. 12-20 zeigt den Stromverlauf als Synthesemehrerer Sinusschwingungen. Eine Ermittlung der Spannungen uL und uR ist daher einfachdurch Überlagerung der einzelnen Oberschwingungen möglich. Das Ergebnis zeigt ebenfallsAbb. 12-20. An der Phasenspannung uU ist der Einfluss der Maschineninduktivität L bei der

Abbildung 12-18

Ausgangsströme desIWR (ideal)

2

Id

iU

iV

iW

t

t

t

1 2 3 4 5 6

Abbildung 12-19

IWR-gespeiste Drehfeldmaschine

1-phasiges, vereinfachtes Simu-lationsmodell zur Ermittlung derSpannung uU.

eU

uR LiU

uU

iU,1iU,OSuR R iU uL L

d iUd t


Änderung von iU deutlich zu erkennen. Die Höhe der Überspannung, hier als u bezeichnet,ist direkt proportional zur Steilheit von iU.

Die zur Änderung der magnetischen Energie in den Maschinenwicklungen erforderliche Span-nungszeitfläche A ist abhängig von der Induktivität L und dem Spulenstrom Id. Unter derAnnahme einer linearen Stromabnahme ist uL während t konstant. Wenn den in der In-duktivität gespeicherten magnetischen Fluss darstellt, dann gilt folgender Zusammenhang:

uLd t Flussabbau in t bedeutet: uL t L I d

Erforderliche Zeit: t 1uL

L I d ( uL = konstant) (12-5)

Je schneller der Spulenstrom abgebaut werden soll, desto höher muss uL sein. Beim Strom-zwischenkreiswechselrichter, wie z. B. dem Phasenfolgewechselrichter nach Abb. 12-21, wirddie Spannung uL über entsprechend geladene Kondensatoren bereitgestellt. Der Verlauf vonStrom und Spannung wird dann mit der von L und C bestimmten Eigenfrequenz 1 L Cerfolgen. Die Spannungshöhe ist proportional zu L C . Für eine Phasenspannung stellt sichdamit ein ähnlicher Verlauf wie in der vereinfachten Schaltung nach Abb. 12-20 ein.Anmerkung: Es wird nur die Energie des Streufeldes einer Ständerwicklung (symbolisiertdurch L ) geändert. Der magnetische Hauptfluss in der Maschine ändert als Flusszeigerdurch die Umschaltungen des Wechselrichters nur seine Winkellage (Drehfeld).

Abbildung 12-20 Strom- und Spannungsverläufe einer Maschinenphase

uU

uL

iU Id

t

A

t

t

t


12.2.2 Wechselrichter mit PhasenfolgelöschungNach dem Prinzip der Phasenfolgelöschung wird der Strom vom gerade leitenden Ventil zumnächsten Ventil kommutiert. Die in den Streuinduktivitäten der Maschine gespeicherte Energiewird mit der Eigenfrequenz von den Wechselrichterkondensatoren aufgenommen. Durch die-sen Energieaustausch entstehen an den Kondensatoren kurzzeitig Überspannungen. Zur De-monstration der Arbeitsweise wird hier der Stromübergang von T1 auf T3 besprochen. DieAusgangssituation zeigt Abb. 12-21.

Der Strom Id fließt über C-Ld-T1-D1-U-W-D2-T2-D. Die Kondensatoren der oberen Brücken-hälfte sind in der dargestellten Polarität aufgeladen, d. h. die Schaltung ist für den Stromüber-gang T1 - T3 löschbereit.

1 (Zündung von T3) 2 (C-Umladung)

Abbildung 12-21

Wechselrichter mit eingepräg-tem Strom und Phasenfolgelö-schung

Ausgangszustand:der Strom Id fließt über T1-D1zur Klemme U und vonKlemme W über D2-T2.

U

V

W

L eUiU

LeViV

LeWiW

T1 T3 T5

T4 T6 T2

D1 D3 D5

D4 D6 D2

C1 C3

C5

IdLd

D

C

U

V

W

LeUiU

L eViV

L eWiW

T1 T3

D1 D3

uC1 C3

C5

D2

U

V

W

L eUiU

L eViV

L eWiW

T1 T3

D1 D3

uC1 C3

C5

D2


3 (Diodenkommutierung) 4 (Ventilablösung beendet)

1

Thyristor-Kommutierung. Durch Zünden von T3 wird unter Wirkung von uC1 derLaststrom I von T1 auf T3 kommutiert. D3 ist wegen uC1 uVU < 0 in Sperrrichtungbeansprucht und kann den Strom noch nicht übernehmen. Bei dieser schnell ablaufen-den Thyristor-Kommutierung bleiben die Kondensatorspannungen nahezu un-verändert.

2

Nachdem T1 gelöscht ist, fließt der Strom über T3 sowie die Kondensatoren und dieweiterhin leitende Diode D1. In der Kondensatorgruppe ist C1 mit derReihenschaltung von C2 und C3 parallel geschaltet. Die resultierende Kapazitätbeträgt (3/2) C, wenn C die Größe der Einzelkapazität ist. Die Kondensatoren führenden Strom iC1 = (2/3) I bzw. iC3 = iC5 = (2/3)I und werden linear umgeladen. DieSpannung uC1 liegt an dem gelöschten Thyristor T1 als Sperrspannung und bestimmtseine Schonzeit tC.

3

Sobald die Kondensatorspannung uC1 den Augenblickswert der Leiterspannung uVUam Lastkreis überschreitet, wird die Diodenspannung uD3 = uC1 uVU > 0 und dieDiode D3 wird stromführend. Danach besteht über die Dioden D1 und D3 einSchwingkreis, der zwei Stränge des Lastkreises und die Kapazität (3/2)C enthält. Derweiterhin konstante Laststrom I geht in einem zweiten Kommutierungsabschnitt, derDiodenkommutierung auf den Zweig 3 über. uVU ist gleich der KondensatorspannunguC1 und überschreitet deutlich den Scheitelwert der induzierten Spannung. Nach Ab-lauf der Diodenkommutierung sind die Kondensatoren stromlos, ihre Spannungensind gegenüber dem Kommutierungsbeginn zyklisch vertauscht. Der Brückenzweig 3führt den Laststrom I, bis im Abstand T/3 = 2/3 auf der betrachteten Brückenseite dienächste Kommutierung eingeleitet wird.

4

Aus dem Ladezustand der Kondensatoren lässt sich auch eine Rückkommutierungeinleiten (von 3 auf 1). Es ist also auch eine Umkehr des Drehsinns möglich. Durchmehrmaliges Wechseln zwischen zwei Zweigen ist auch ein Pulsen des Laststromesmöglich (Zwischentakten).

Kennzeichnend für den I-Wechselrichter ist die hohe Spannungsbeanspruchung der Ventil-zweige und des Lastkreises durch die während der Kommutierungen auftretenden Spannungs-spitzen. Am Ende der Kommutierung haben die Kondensatoren die Energie von L aufgenom-

U

V

W

LeUiU

L eViV

L eWiW

T1 T3

D1 D3

uC1 C3

C5

D2

U

V

W

L eUiU

L eViV

L eWiW

T1 T3

D1 D3

uC1 C3

C5

D2


men, wodurch sich die Lastkreisspannung in Abb. 12-22 um den Betrag u über denstationären Augenblickswert erhöht.

u I d

2 L

32

C(12-6)

Mit diesem Endwert der Kondensatorspannung werden auch die Thyristoren zusätzlich bean-sprucht. Bei leitender Diode D3 ermittelt sich die Diodenspannung uD1 zu:

uD1 uVU uC1 (12-7)

Abbildung 12-22 Spannungs- und Stromverläufe für die Kommutierung von T1 - T3

U0

uVU

uUuV

iU

iV

T1D1

T3 D3

Schnittpunkt von uC1 und uVU- D3 leitet

uC1

Im Stromnulldurchgang des Diodenstromes ist die Dioden-kommutierung beendet.D1 sperrt und D3 leitet.

Diodenkommutierung D1 D3Schwingkreis: D1-U-V-D3-Cges

Thyristorkommutierung T1 T3

U0

tC

u

t

t

t

u2

C-Umladung(linear)


Der Spitzenwert ûD1 liegt erheblich über der Kondensatorspannung. Die Bemessung derLöschkondensatoren wird deshalb auf eine geringe Spannungsbeanspruchung der Ventileausgerichtet und führt gegenüber vergleichbaren U-Wechselrichtern zu mehrfach größerenKapazitäten. Bei bekannter Schaltungsdimensionierung kann durch Messung von u mit Gl.(12-6) auf die Motor-Streuinduktivität L geschlossen werden.Die erreichbare Schonzeit tC für die Thyristoren berechnet sich nach Abb. 12-22 und Abb.12-23 mit Gl. (12-8).

tC

3C U 02 I d

(12-8)

Für die Schonzeit tC ergeben sich relativ große Werte. Wegen der geringen Anforderungen andie Freiwerdezeit können daher einfache Netzthyristoren eingesetzt werden.

Da jede Kommutierung über zwei Stränge des Lastkreises verläuft, gehen die Daten derLast in die Schaltungsbemessung ein. Daraus folgt, dass die Schaltung nicht für veränder-liche Belastungsimpedanzen geeignet ist. Sie wird einem Lastkreis fest zugeordnet.

Der Laststrom hat durch die harmonischen Kommutierungsvorgänge cosinusförmigeFlanken.

Für die Kondensatorumladung ist ein Mindeststrom erforderlich. Die Schaltung ist dahernicht leerlauffest.

Ausgeführte I-Wechselrichter erreichen Ausgangsfrequenzen bis 150 Hz.

Vergleicht man den Schaltungsaufbau des Wechselrichter für eingeprägten Strom nach Abb.12-21 mit dem Wechselrichter für eingeprägte Spannung nach Abb. 12-16, so zeigen sichfolgende Unterschiede:

Der IWR benötigt keine Freilaufdioden.

Der IWR benötigt keine zusätzlichen Induktivitäten.

Abbildung 12-23

Verlauf der Ventilspannung zurBerechnung von tC nach Gl. (12-8)

Während der Umladung ist uT1 = uC.

tC

t

uT1

U0

U0

CC

C

Cges32

C

uT1

I

Selbstgeführte Stromrichter

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