Beispiele aus der Praxis
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4. Problemstellungen <strong>der</strong> <strong>Praxis</strong><br />
4.1 Gleichrichterschaltungen mit Halbleitern<br />
Auch bei einer einfachen Einweggleichrichtung ergibt die Simulation einige überraschende Effekte, wenn<br />
alle relevanten Bauelemente berücksichtigt werden. In <strong>der</strong> Leistungselektronik erzeugen die Schaltungen oft<br />
abrupte Strom- und Spannungsän<strong>der</strong>ungen, daher müssen Zuleitungsinduktivitäten und parasitäre<br />
Kapazitäten in <strong>der</strong> Schaltung enthalten sein, um realistische Ergebnisse zu erhalten. Bei <strong>der</strong> Gleichrichtung<br />
führen die Netzzuleitungsinduktivität und die Speicherladung in <strong>der</strong> Gleichrichterdiode bzw. -thyristor und<br />
<strong>der</strong>en Sperrschichtkapazität zu einem Serienschwingkreis, <strong>der</strong> durch die ohmschen Wi<strong>der</strong>stände in diesem<br />
Kreis eine mehr o<strong>der</strong> weniger starke Dämpfung enthält.<br />
Die Impedanzen <strong>der</strong> Netzzuleitung müssen als einzelne Bauelemente in die Schaltung eingegeben werden.<br />
Die Kapazitäten <strong>der</strong> Diode können entwe<strong>der</strong> ebenfalls als einzelne (vom Arbeitspunkt <strong>der</strong> Diode abhängige)<br />
Bauelemente eingegeben werden o<strong>der</strong> es wird zweckmäßigerweise ein passendes Diodenmodell verwendet,<br />
das die Bauelementehersteller erstellt haben.<br />
Gleichrichterschaltungen mit kapazitiver Glättung nehmen nur kurzzeitig Strom vom Netz auf, um den<br />
Glättungskondensator nachzuladen. Dieser oft weniger als 1 ms kurze, aber sehr steile Stromimpuls führt<br />
in <strong>der</strong> Diode dazu, daß <strong>der</strong>en Speicherladung nicht gleichzeitig mit dem Strom zu Null wird, son<strong>der</strong>n <strong>der</strong><br />
größte Teil noch im pn-Übergang gespeichert ist. Die an <strong>der</strong> Diode bzw. Thyristor inzwischen negativ<br />
gewordene Spannung saugt diese Speicherladung ab; es fließt ein hoher negativer Strom durch den<br />
Schalter. Wenn die Ladung abgesaugt ist, reißt dieser Strom ("reverse recovery current irr ") innerhalb von<br />
μs ab und erzeugt an den Zuleitungsinduktivitäten Ls kurzzeitig eine diesem Stromabriß proportionale<br />
Überspannung ΔU: ΔU = Ls * dirr /dt. Diese Überspannung addiert sich zur <strong>der</strong> Sperrspannung am<br />
Bauelement, die von <strong>der</strong> Netzspannung gegeben ist. Bei größeren Lastströmen und insbeson<strong>der</strong>e bei<br />
Steuerwinkeln α > 30 o kann hier die Überspannung einige 100 V betragen und den Halbleiterschalter<br />
zerstören. Abhilfe schafft ein parallel zum Halbleiter geschalteter Kondensator, <strong>der</strong> (über einen<br />
strombegrenzenden Wi<strong>der</strong>stand) die in den beteiligten Induktivitäten gespeicherte Energie (Ls *i 2<br />
rr /2) im<br />
ersten Moment aufnimmt und damit die Überspannung begrenzt: ΔU = i L / C . Dies nennt man<br />
max<br />
rr s<br />
die TSE-Beschaltung (Trägerstaueffekt). C ist die Kapazität des TSE-Kondensators zuzüglich <strong>der</strong><br />
Sperrschichtkapazität des Halbleiters. Die nun im Kondensator gespeicherte Energie schwingt wie<strong>der</strong><br />
zurück. Die Dauer dieses Schwingungsvorganges (im kHz o<strong>der</strong> im MHz-Bereich) hängt stark von <strong>der</strong><br />
Schwingkreisdämpfung ab.<br />
Die Simulation mit SPICE o<strong>der</strong> ICAPS zeigt diesen im wesentlichen durch die Halbleitereigenschaften<br />
bestimmten Effekt sehr deutlich. Durch das Verständnis für die Vorgänge fällt es nicht schwer, die<br />
Beschaltung geeignet zu dimensionieren. Dieser Vorgang tritt bei allen schnell geschalteten bipolaren<br />
Schaltern wie Dioden, Thyristoren o<strong>der</strong> Bipolartransistoren auf.<br />
Die Stromflußzeit in den Halbleitern ist bei kapazitiver Glättung umso kürzer, je größer <strong>der</strong><br />
Glättungskondensator ist. Die Halbleiter werden also auch bei kleinen mittleren Strömen mit sehr hohen<br />
Spitzenströmen belastet. Dadurch wirken sich auch die ohmschen Spannungsabfälle während <strong>der</strong><br />
Stromflußphase ungünstig <strong>aus</strong>, d. h. die Ausgangsspannung kommt auch bei sehr großen<br />
Glättungskondensatoren nicht auf den von <strong>der</strong> Netzspannung her möglichen Wert. Durch die Simulation<br />
läßt sich die Ausgangsspannung für verschiedene Belastungen o<strong>der</strong> auch verschiedene<br />
Bauelementeeigenschaften einfach bestimmen.<br />
4.2 Schalten von induktiven Lasten mit MOSFET<br />
Eine häufige Grundfunktion in allen Wechselrichterschaltungen ist das Schalten von ohm'schen und<br />
induktiven Lasten mit einer Gleichspannung als Quelle. Als Schalter werden bei kleineren Leistungen (bis
ca. 10 kW) und Spannungen bis 600 V MOSFET verwendet. Im Bereich bis 300 kW und 1200 V kommen<br />
meist IGBT's zum Einsatz (die zunehmend die Bipolartransistoren ablösen). Im Großleistungsbereich (bis<br />
10 MW und 3500 V) werden GTO-Thyristoren und vereinzelt noch schnelle Thyristoren mit<br />
Löschschaltung eingesetzt.<br />
Das Problem ist bei allen Schaltern ähnlich: Beim Abschalten will die Induktivität - das kann die<br />
Lastinduktivität o<strong>der</strong> eine Zuleitungsinduktivität - den Strom weiter treiben. Es muß also für den Strom ein<br />
Freilaufzweig geschaffen werden. Das ist in <strong>der</strong> Regel eine schnelle Diode, meist eine FRED (Fast recovery<br />
diode), welche antiparallel zum Schalter liegt. Diese muß sehr nie<strong>der</strong>induktiv angeschlossen werden, denn<br />
das bei <strong>der</strong> Kommutierung des Stromes vom Schalter zur Freilaufdiode entstehende di/dt erzeugt an <strong>der</strong><br />
Zuleitungsinduktivität eine Überspannung, welche den Schalter zusätzlich zur Batteriespannung belastet.<br />
Da die Induktivitäten nie vollständig vermieden werden können, muß eine Abhilfemaßnahme getroffen<br />
werden: Entwe<strong>der</strong> wird ein avalanchefester MOSFET verwendet, welcher eine spezifizierte Energie als<br />
Überspannung verkraftet. Ist die Energie in <strong>der</strong> Zuleitungsinduktivität kleiner als die Avalancheenergie des<br />
MOSFET, begrenzt <strong>der</strong> MOSFET ohne weitere Schutzmaßnahmen die Überspannung. O<strong>der</strong> es wird eine<br />
TSE-Beschaltung wie bei Thyristoren eingesetzt (nur wesentlich kleiner entsprechend den kleineren<br />
Spannungen und Strömen).<br />
Werden MOSFET als Schalter verwendet, so ist zu berücksichtigen, daß alle MOSFET eine antiparallele<br />
Diode enthalten. Diese ist im allgemeinen als Freilaufdiode nicht geeignet, weil sie zu langsam ist. Eine<br />
schnelle Freilaufdiode muß also extern dazugeschaltet werden. Es gibt aber auch MOSFET mit integrierter<br />
FRED (ein sog. FREDFET), <strong>der</strong> keine externe Diode mehr benötigt.<br />
In <strong>der</strong> Simulation müssen unbedingt alle Zuleitungsinduktivitäten berücksichtigt werden, wenn die<br />
Spannungen, die den Schalter gefährden können, richtig simuliert werden sollen. Auch die richtige Auswahl<br />
des Modelles für den MOSFET ist entscheidend, da dessen Kapazitäten und <strong>der</strong> innere Aufbau den<br />
Abschaltvorgang erheblich beeinflussen. Eine Reihe von Firmen liefern bereits Modelle und Subcircuits für<br />
die von ihnen gelieferten Halbleiterschalter. In diesen wurden die physikalischen Eigenschaften <strong>der</strong><br />
MOSFET und auch alle relevanten parasitären Elemente bestmöglichst berücksichtigt. Solche Modelle sind<br />
in <strong>der</strong> Simulation bevorzugt einzusetzen. Liegt ein Herstellermodell nicht vor, muß ein Standardmodell<br />
verwendet werden. Es gibt für MOSFET sechs Standardmodelle (LEVEL 1 bis 6), die in unterschiedlicher<br />
Weise physikalische Eigenschaften berücksichtigen. Hier muß auf die einschlägige Literatur verwiesen<br />
werden. In den Übungen werden Modelle <strong>der</strong> Hersteller verwendet. Sie tragen die übliche<br />
Typenbezeichnung.<br />
Mittels <strong>der</strong> Simulation kann die Belastung des Halbleiters bei verschiedenen Strömen hinsichtlich Spannung<br />
aber auch hinsichtlich <strong>der</strong> Verluste gezeigt werden. Den Verlauf <strong>der</strong> Verluste erhält man, wenn Strom und<br />
Spannung des MOSFET in <strong>der</strong> Ausgabe vereinbart werden und dann <strong>aus</strong> <strong>der</strong> Strom- und <strong>der</strong><br />
Spannungskurve durch Multiplikation die Momentanleistung errechnet und dargestellt wird.<br />
Zweckmäßigerweise wird ein zeitlicher Ausschnitt gewählt, <strong>der</strong> dem eingeschwungenen Zustand entspricht.<br />
Dann kann <strong>der</strong> Mittelwert <strong>der</strong> Verlustleistung errechnet werden, <strong>der</strong> für die Temperaturbelastung<br />
entscheidend ist.<br />
Alle Halbleiter haben temperaturabhängige Kennlinien. Daher ist es wichtig auch die Simulation bei <strong>der</strong><br />
richtigen Temperatur durchzuführen. So steigt beispielsweise <strong>der</strong> Einschaltwi<strong>der</strong>stand R DSon eines<br />
MOSFET mit <strong>der</strong> Temperatur an und damit auch seine Verlustleistung. Die tatsächliche Temperatur des<br />
MOSFET kann iterativ wie folgt ermittelt werden: Erst die Verlustberechnung bei Standardtemperatur<br />
(27 o C), dann die Berechnung <strong>der</strong> Sperrschichttemperatur mit Hilfe des thermischen Wi<strong>der</strong>standes. Dann<br />
erneut die Verlustberechnung, nun bei <strong>der</strong> errechneten Sperrschichttemperatur. Diese Schritte werden<br />
mehrfach wie<strong>der</strong>holt, bis sich keine nennenswerte Än<strong>der</strong>ung mehr ergibt. Dieser Prozeß läßt sich auch<br />
automatisieren.
4.3 Zweipulsige Brückenschaltung mit Gleichstrommotor<br />
Stromrichter liefern an die Last eine pulsierende Gleichspannung. Der Laststrom schwankt deshalb<br />
ebenfalls und wird deshalb häufig über eine Glättungsdrossel geglättet. Ein Gleichstrommotor als Last<br />
liefert eine zur Drehzahl proportionale Gleichspannung, welche als Gegenspannung wirkt. Unterschreitet<br />
die Stromrichterspannung diese Gegenspannung, sinkt <strong>der</strong> Laststrom stark ab und kann zu Null werden. Es<br />
entstehen Stromlücken, die einen unrunden Lauf ergeben und deshalb vermieden werden. Auch ergeben die<br />
Stromän<strong>der</strong>ungen bei den vorhandenen Induktivitäten Überspannungen. Die Simulation kann diese Effekte<br />
verdeutlichen und die Lückgrenze als Funktion von Laststrom und Glättungsinduktivität kann ermittelt<br />
werden.<br />
Der Zuleitungsstrom im Netz enthält natürlich die gleichen Stromän<strong>der</strong>ungen wie <strong>der</strong> Lastkreis. Der<br />
aufgenommene Strom ist im nichtlückenden und im lückenden Betrieb stark nichtsinusförmig. Eine<br />
Fourieranalyse zeigt die Netzbelastung mit den Stromoberschwingungen qualitativ und quantitativ. Damit<br />
kann überprüft werden, ob die DIN und EN Normen eingehalten werden.<br />
Die Kommutierung von einem Thyristor auf den nächsten führt zu einem kurzzeitigen Kurzschluß zwischen<br />
den Zuleitungen. Die Kommutierungsdrossel soll verhin<strong>der</strong>n, daß <strong>der</strong> Kurzschluß direkt am Netz wirksam<br />
wird und auch daß <strong>der</strong> Kommutierungsvorgang, welcher die Thyristoren belasten kann (di/dt und<br />
Überspannungen), nicht zu schnell erfolgt. Ist die Netzimpedanz bekannt und wird sie in die<br />
Simulationsschaltung mit eingebaut, so lassen sich die spannungsmäßigen Netzrückwirkungen ebenfalls<br />
ermitteln. Auch hier gibt es Grenzen für die Spannungseinbrüche.<br />
Das hier gewählte einfache Beispiel kann mit allen Programmen simuliert werden. Das<br />
Simulationsprogramm SIMPLORER ermöglicht jedoch eine einfache Steuerung <strong>der</strong> Thyristoren über die<br />
Steuerdatei; zum Än<strong>der</strong>n des Steuerwinkels muß nur eine Startgröße verän<strong>der</strong>t werden. Bei komplexen<br />
Steuer- und Regelvorgängen, wie sie in dreiphasigen Wechselrichtern auftreten, ist daher SIMPLORER das<br />
geeignete Programm.<br />
4.4 Spannungswechselrichter<br />
Ein Spannungswechselrichter (U-Umrichter) wird an einer Gleichspannung betrieben, welche durch eine<br />
Gleichrichterschaltung (gesteuert o<strong>der</strong> ungesteuert) mit Glättungskondensator gespeist wird. Die<br />
Ausgangsspannung einer Phase schaltet bei <strong>der</strong> hier angewendeten Blocksteuerung zwischen <strong>der</strong> positiven<br />
und <strong>der</strong> negativen Gleichspannung mit <strong>der</strong> Taktfrequenz um, welche damit die Frequenz <strong>der</strong><br />
Ausgangsspannung ist. Der i. a. induktive Verbraucher (Motor) nimmt einen sägezahnförmigen Strom auf.<br />
Er wird also mit nichtsinusförmigen Größen betrieben. Aufgrund <strong>der</strong> Phasenverschiebung zwischen Strom<br />
und Spannung am Motor fließt <strong>der</strong> Strom noch in eine Richtung, wenn die Spannung bereits umgepolt<br />
wurde. Die Schalter können den Strom nicht in Rückwärtsrichtung führen, daher sind Freilaufdioden<br />
antiparallel zu den Schaltern notwendig. Als Schalter werden meist Leistungs-MOSFET, IGBT’s,<br />
Bipolartransistoren o<strong>der</strong> bei Leistungen über 500 kW GTO-Thyristoren verwendet.<br />
Beim Umschalten von einem Schalter eines Zweiges zum nächsten sperrt <strong>der</strong> abgeschaltete Schalter erst<br />
nach einer (laststromabhängigen) Speicherzeit von einigen μs. Daher ist eine Totzeit zwischen den beiden<br />
Steuersignalen erfor<strong>der</strong>lich.<br />
Bei <strong>der</strong> Umpolung <strong>der</strong> Spannung kommutiert <strong>der</strong> Laststrom von einem Schaltern zu <strong>der</strong> entsprechenden<br />
Freilaufdiode. Befinden sich zwischen den Schaltern und den Dioden Zuleitungsinduktivitäten, so entstehen<br />
an den Schaltern Überspannungen. Diese können durch parallele Kondensatoren o<strong>der</strong> TSE-Beschaltungen<br />
begrenzt werden.<br />
MOSFET haben inhärente Dioden, welche normalerweise aber für den Freilaufbetrieb nicht schnell genug<br />
sind. Externe schnelle Freilaufdioden sind daher notwendig. Trotzdem fließt ein Teil des Laststromes in <strong>der</strong><br />
Freilaufphase über die interne Diode. Bipolartransistoren und IGBT’s sperren (in geringem Maße) in
Rückwärtsrichtung. Bei ihnen fließt praktisch <strong>der</strong> volle Laststrom während <strong>der</strong> Freilaufphase in <strong>der</strong><br />
Freilaufdiode.<br />
Die Bestimmung <strong>der</strong> Schalterverluste und <strong>der</strong> Diodenverluste ist für den ganzen Betriebsfrequenzbereich<br />
und für die vorkommenden Belastungen (Maximalstrom, ohm’sche Last, stark induktive Last) wichtig. Die<br />
Verluste setzen sich <strong>aus</strong> den Durchlaßverlusten und den Schaltverlusten zusammen. Die Schaltverluste<br />
steigen mit dem Strom und <strong>der</strong> Betriebsfrequenz an. Die Erwärmung aufgrund <strong>der</strong> gesamten Verluste<br />
begrenzen die Betriebsfrequenz.<br />
Zum Wirkleistungsumsatz in <strong>der</strong> Last tragen beim Motor praktisch nur die Grundschwingungen von Strom<br />
und Spannung bei. Sie können mit <strong>der</strong> Fourieranalyse ermittelt werden. Dabei zeigt sich, daß bei induktiven<br />
Lasten die Stromoberschwingungen durch die Lastinduktivität stark reduziert sind und <strong>der</strong><br />
Stromgrundschwingungsfaktor meist über 0,95 liegt. Bei <strong>der</strong> rechteckigen Ausgangsspannung beträgt <strong>der</strong><br />
Spannungsgrundschwingungsfaktor 2 2 / π = 0,9. Dies kann verbessert werden durch<br />
Pulswechselrichter. Hier wird die Spannung nicht blockweise umgeschaltet, son<strong>der</strong>n mit einer sehr hohen<br />
Frequenz während einer Periode <strong>der</strong> Ausgangsspannung so umgeschaltet, daß im Mittel eine sinusförmige<br />
Ausgangsspannung entsteht. Der Laststrom ist damit natürlich auch sinusförmig. Vor<strong>aus</strong>setzung hierfür<br />
sind Schalter mit niedrigen Schaltverlusten.<br />
Die Ausgangsspannung eines Spannungswechselrichters enthält steile Sprünge (insbes. bei<br />
Pulswechselrichtern mit IGBT-Schaltern), welche von <strong>der</strong> Motorzuleitung abgestrahlt werden und die<br />
Motorisolation belasten. Es wird daher meist ein Tiefpaßfilter vorgeschaltet, das die Spannungssteilheit auf<br />
Werte unter 500 V/ms begrenzt.<br />
4.5 Netzrückwirkungen<br />
Versorgungsnetze <strong>der</strong> EVU’s o<strong>der</strong> in <strong>der</strong> Industrie werden von mehreren Quellen gespeist und von vielen<br />
Verbrauchern belastet.<br />
Die Speisung erfolgt von Hochspannungsnetzen o<strong>der</strong> direkt von Generatoren über Transformatoren. Für die<br />
Simulation sind die Speiseleistung und Impedanz <strong>der</strong> Quellen und die Nennscheinleistung und<br />
Kurzschlußimpedanz des Trafos wichtige Kenngrößen.<br />
Das Netz selbst wird durch Leitungen mit einem Reaktanz- Kapazitäts- und Wi<strong>der</strong>standsbelag sowie die<br />
Leitungslängen gekennzeichnet (Betriebsgrößen).<br />
Die Last ist eine sehr vielseitige Größe, da sie sich zeitlich häufig än<strong>der</strong>t. Im Extremfall schaltet sie<br />
zwischen Leerlauf und Kurzschluß abrupt hin und her; bei Stromrichtern sogar mehrfach in je<strong>der</strong><br />
Netzperiode.<br />
Je länger die Netzzuführungen sind, umso größer ist die Netzimpedanz und umso stärker wird die<br />
Rückwirkung von Verbrauchern auf das Netz. Eine beson<strong>der</strong>e Belastung stellen die schnell schaltenden<br />
Stromrichter dar, welche während <strong>der</strong> Kommutierungszeit einen zweipoligen Kurzschluß am Netz<br />
verursachen. Das Verhältnis von Netzimpedanz und Impedanz des Stromrichters bestimmt das Ausmaß <strong>der</strong><br />
Rückwirkung. Bei langen Netzzuführungen stellt das Netz ein schwingungsfähiges Gebilde dar, das durch<br />
abrupte Lastän<strong>der</strong>ungen o<strong>der</strong> sonstige Störungen zu drastischen Spannungsschwankungen führen kann.