Stellglieder für elektrische Antriebe
Stellglieder für elektrische Antriebe
Stellglieder für elektrische Antriebe
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3. <strong>Stellglieder</strong> <strong>für</strong> <strong>elektrische</strong> <strong>Antriebe</strong><br />
Der Energiefluß der <strong>elektrische</strong>n Maschinen wird über <strong>Stellglieder</strong> zu- bzw. abgeschaltet. In<br />
vielen Fällen dienen sie der Steuerung und Regelung dieses Energieflusses und werden zur<br />
Realisierung verschiedener Betriebszustände, wie Anlauf, Drehzahlstellung und Bremsen<br />
eingesetzt. Die <strong>Stellglieder</strong> müssen der Maschinenart angepaßt sein.<br />
3.1 Übersicht und Einteilung der <strong>Stellglieder</strong><br />
Zu den <strong>Stellglieder</strong>n gehören<br />
• Schaltgeräte Leistungsschalter, Schütze<br />
• konventionelle Stellgeräte Stelltransformatoren, Stellwiderstände<br />
• Maschinenumformer Leonardumformer, Synchronmaschinensätze<br />
• Stromrichter Wechsel-/Drehstromsteller, Gleich- und Wechsel-<br />
richter, Gleichstromsteller und Umrichter<br />
Da Stromrichter vielseitige Stellmöglichkeiten bieten, haben sie die Maschinenumformer weitgehend<br />
verdrängt. Stromrichter erzeugen durch Oberschwingungen größere Netzverzerrungen<br />
und haben <strong>für</strong> verschiedene Aussteuerbereiche einen größeren Bedarf an Grundschwingungsblindleistung.<br />
Leistungselektronische <strong>Stellglieder</strong> lassen sich nach ihrer Funktion einteilen.<br />
• Wechselstromsteller zur Veränderung der Wechselspannung ohne Frequenzänderung.<br />
• Gleichrichter zur Umwandlung von Wechsel- in Gleichspannung. Wechselrichter zur<br />
Umwandlung von Gleich- in Wechselspannung.<br />
• Gleichstromsteller zur Veränderung des Mittelwertes der Gleichspannung.<br />
• Umrichter zur Umwandlung von Wechselspannung mit einer Frequenz und Phasenzahl in<br />
eine andere Wechselspannungsart variabler Frequenz und Spannung.<br />
Stromrichter werden auch nach Art und Herkunft der Kommutierungsspannung eingeteilt.<br />
• kommutierungsfreie Stromrichter sind Schalter und Steller <strong>für</strong> Wechelstrom.<br />
• fremdgeführte Stromrichter, bei denen die Kommutierungsspannung nicht vom Stromrichtergerät<br />
geliefert wird. Diese wird entweder vom Netz (netzgeführter Stromrichter) oder<br />
von der Last (lastgeführter Stromrichter) zur Verfügung gestellt.<br />
• selbstgeführte Stromrichter, bei denen der Stromrichter selbst die Kommutierungsspannung<br />
bereitstellt.<br />
Bauelemente <strong>für</strong> Stromrichter:<br />
Dioden, Netzthyristoren (SCR), Frequenzthyristoren, Triacs, Abschaltthyristoren (GTO),<br />
bipolare Leistungstransistoren, Feldeffekt-Leistungstransistoren, IGBT, MCT.<br />
3.2 <strong>Stellglieder</strong> <strong>für</strong> Gleichstromantriebe<br />
Netzgeführte Stromrichter<br />
Für die Energieversorgung von Gleichstrommaschinen im industriellen Einsatz, werden meist<br />
Stromrichterschaltungen eingesetzt, welche die variable Gleichspannung unmittelbar aus der<br />
Kurvenform der Netzspannung bilden. Da bei diesen Stromrichtern die Ansteuerung der<br />
Leistungshalbleiter (Dioden und/oder Thyristoren) netzsynchron erfolgen muß, werden sie netzgeführte<br />
Schaltungen genannt. Thyristoren lassen sich durch einen Stromimpuls auf die Steuerelektrode<br />
(Gate) während der positiven Halbschwingung der Netzspannung einschalten und haben<br />
bis zum nächsten Stromnulldurchgang die Eigenschaften einer Diode.<br />
Prinzipiell können Mittelpunktschaltungen (M1 und M2 am Wechselstromnetz, M3 und M6 am<br />
Drehstromnetz) oder Brückenschaltungen eingesetzt werden. Besondere Bedeutung haben die<br />
Zweipuls-Brückenschaltung B2 <strong>für</strong> den Anschluß an das Wechselstromnetz (bis 3 kW) und die<br />
Sechspuls-Brückenschaltung B6 <strong>für</strong> den Anschluß an das Drehstromnetz (bis 500 kW).<br />
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte <strong>Antriebe</strong> FB Technik, Abt. E+I 20
U 1 U 2 U 3<br />
- (+)<br />
U d<br />
+ (-)<br />
I d<br />
GM<br />
L d<br />
- (+)<br />
+ (-)<br />
Dreipuls-Mittelpunktschaltung M3<br />
Bei der Projektierung eines Gleichstromantriebs<br />
muß neben den Nenndaten PN, UN und<br />
nN auch bekannt sein, ob ein Motorbetrieb <strong>für</strong><br />
eine oder beide Drehrichtungen und eventuell<br />
eine Nutzbremsung erforderlich ist. Durch die<br />
Beziehungen n ∼ UA/Φ und M ∼ IA · Φ liegt<br />
dabei fest, welche Vorzeichen Ankerspannung,<br />
-strom und Hauptfeld in den verschiedenen<br />
Arbeitsweisen haben.<br />
An einem einfachen netzgeführten Stromrichter,<br />
der Dreipuls-Mittelpunktschaltung (M3),<br />
werden im folgenden die charakteristischen Eigenschaften<br />
netzgeführter Stromrichter untersucht.<br />
Ohne Berücksichtigung der Kommutierung erhält man <strong>für</strong> den arithmetischen Mittelwert der<br />
Gleichspannung bei Vollaussteuerung:<br />
3 π 3⋅<br />
3<br />
U ⋅<br />
π 3 π ⋅ 2<br />
di = 2U<br />
str ⋅sin<br />
= U str<br />
Man bezeichnet Udi als ideelle Leerlaufgleichspannung bei ungesteuertem Gleichrichterbetrieb,<br />
die sich unter Vernachlässigung ohmscher und induktiver Spannungsfälle aus der Phasenspannung<br />
Ustr auf der Sekundärseite des Stromrichtertransformators ergibt. Für die beim Steuerwinkel<br />
α auftretende ideelle Leerlaufgleichspannung Udiα gilt:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Udi α = Udi<br />
⋅ cosα<br />
(3.2)<br />
Der Mittelwert der Gleichspannung netzgeführter Stromrichter ändert sich nach der cos-Funktion<br />
des Steuerwinkels α.<br />
Der Steuerwinkel kann von Vollaussteuerung bei α = 0° stetig gesteigert werden. Die abgegebene<br />
u1 u2 u3 u1 ud 0<br />
ωt<br />
Gleichspannung ändert sich<br />
dabei entsprechend Gl. (3.2).<br />
Bei α = 90° ist der Mittelwert<br />
der Gleichspannung Null. Bei<br />
weiterer Vergrößerung des<br />
Steuerwinkels über 90° hinaus<br />
-π/3 0 π/3<br />
wird der Mittelwert der Gleich-<br />
α α<br />
u1 u2 u3 u1 ud 0<br />
ωt<br />
Gleichspannungsbildung bei der M3-Schaltung<br />
spannung negativ und steigt<br />
mit zunehmendem Steuerwinkel<br />
mit negativem Vorzeichen<br />
weiter an. Bei α = 180° - γ<br />
erreicht sie den maximal<br />
möglichen negativen Mittelwert.<br />
Der Bereich mit Steuerwinkeln von α = 0° bis 90° wird Gleichrichterbetrieb und von α = 90° bis<br />
180° - γ mit negativem Gleichspannungsmittelwert wird Wechselrichterbetrieb genannt. Im<br />
Gleichrichterbetrieb erfolgt der Energiefluß vom Drehstromnetz über den Stromrichter zur<br />
Gleichstrommaschine. Im Wechselrichterbetrieb dreht sich die Richtung des Energieflusses.<br />
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte <strong>Antriebe</strong> FB Technik, Abt. E+I 21<br />
(3.1)
Im Wechselrichterbetrieb muß ein Sicherheitsabstand zum Schnittpunkt der Phasenspannungen<br />
eingehalten werden, deshalb darf der Steuerwinkel α nur bis 180° - γ gesteigert werden. Der<br />
Löschwinkel γ stellt die erforderliche Schonzeit tc <strong>für</strong> die Thyristoren sicher.<br />
Unter Kommutierung versteht man die Übergabe eines Stromes von einem Stromzweig auf<br />
einen anderen, wobei während der Kommutierungszeit tu beide Zweige Strom führen. Der Verlauf<br />
des Kommutierungsstromes läßt sich aus der Kommutierungsspannung Uk, die bei netzgeführten<br />
Stromrichtern sich als Differenz der sinusförmigen Wechselspannungen zweier miteinander<br />
kommutierender Phasen ergibt, und der im Kommutierungskreis liegenden Impedanzen<br />
berechnen.<br />
π<br />
U k = 2U str ⋅ sin<br />
(3.3)<br />
q<br />
Bei der M3-Schaltung ist die Kommutierungszahl q = 3.<br />
Werden die ohmschen Widerstände im Kommutierungskreis vernachlässigt und wird außerdem<br />
angenommen, daß die Kommutierungsinduktivitäten Lk gleich groß sind, so gilt <strong>für</strong> den Verlauf<br />
2U<br />
k<br />
i k = ⋅ ( cosα<br />
- cosωt)<br />
= i 2 = Id<br />
- i1<br />
(3.4)<br />
2ωL<br />
k<br />
des Kurzschlußstromes ik (Phasenkurzschluß <strong>für</strong> tu) im Kommutierungskreis:<br />
Die Kommutierungszeit tu wird Überlappungszeit oder einfach Überlappung u genannt und in<br />
<strong>elektrische</strong>n Graden angegeben.<br />
Integriert man die Maschengleichung des vereinfachten Kommutierungskreisen über die<br />
Kommutierungszeit tu, so erhält man:<br />
2ωL<br />
k ⋅ Id<br />
Id<br />
cos( α + u) = cosα<br />
- = cosα<br />
-<br />
(3.5)<br />
2U<br />
2I<br />
u 1 u 2 u 3<br />
u A1<br />
L k<br />
uk Lk L k<br />
R k R k R k<br />
i 1 i 2 i 3<br />
k<br />
u d<br />
I d<br />
GM<br />
L d<br />
k<br />
M3-Schaltung und Kommutierung bei α = 0°<br />
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte <strong>Antriebe</strong> FB Technik, Abt. E+I 22
u d<br />
0<br />
i<br />
u d<br />
0<br />
i<br />
<br />
<br />
u1 u u 2 3<br />
u 1 u 2 u 3<br />
i 3<br />
i 1<br />
α<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
u<br />
α = 140°<br />
α<br />
i 2<br />
i 1<br />
I d<br />
<br />
<br />
α = 30° ωt<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
u<br />
γ<br />
i 2<br />
i 3<br />
<br />
<br />
<br />
ωt<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
I d<br />
I d<br />
Kommutierung bei der<br />
M3-Schaltung im<br />
Gleichrichterbetrieb<br />
(α = 30°)<br />
Kommutierung bei der<br />
M3-Schaltung im<br />
Wechselrichterbetrieb<br />
(α = 140°)<br />
Wird der Stromrichter mit dem Gleichstrom Id belastet, so ergibt sich ein Mittelwert der Gleichspannung<br />
Ud am Ausgang, der infolge von Spannungsfällen kleiner ist als Udi. Dieser Spannungsfall<br />
setzt sich aus der induktiven Gleichspannungsänderung Dx (Udx), der ohmschen Gleichspannungsänderung<br />
Dr (Udr) und der Durchlaßspannung der Stromrichterventile zusammen.<br />
U = U ⋅ cosα<br />
- D - D - U<br />
D x<br />
D r<br />
U F<br />
dα<br />
=<br />
U<br />
di<br />
di<br />
cosα<br />
+ cos(<br />
α + u)<br />
⋅<br />
2<br />
<br />
<br />
L k<br />
<br />
<br />
R k<br />
u F<br />
x<br />
u d<br />
r<br />
F<br />
- R<br />
GM<br />
k<br />
L d<br />
⋅ I<br />
d<br />
- U<br />
U di<br />
U dN<br />
U d<br />
F<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
0 0 Id I dN<br />
M3-Schaltung mit linearisierter Belastungskennlinie<br />
bei voller Aussteuerung (α = 0°)<br />
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte <strong>Antriebe</strong> FB Technik, Abt. E+I 23<br />
(3.6)<br />
U F<br />
D r<br />
D x
U L<br />
u d<br />
u A GM<br />
L d<br />
Gleichstromantrieb mit<br />
Stromrichter in<br />
i A Sechspuls-Brückenschaltung (B6)<br />
Die Bildung der momentanen Stromrichterspannung ud erfolgt nach dem <strong>für</strong> die Drehstrom-<br />
Brückenschaltung gültigen Diagramm unter der Voraussetzung, daß <strong>für</strong> den Laststrom stets iA > 0<br />
gilt.<br />
u<br />
0<br />
α = 0°<br />
u d<br />
30°<br />
α<br />
60°<br />
Gleichrichterbetrieb<br />
90°<br />
120°<br />
150°<br />
α<br />
ω t<br />
Wechselrichterbetrieb<br />
Bildung der Gleichspannung<br />
ud bei der B6-Schaltung<br />
Bei der Sechspuls-Brückenschaltung (B6, Drehstrom-Brückenschaltung) entsteht der maximale<br />
Mittelwert der Gleichspannung durch die Hüllkurve der Netzspannung UL.<br />
3⋅<br />
2<br />
U di = ⋅ U L<br />
<strong>für</strong> B6 - Schaltung<br />
(3.7)<br />
π<br />
Für die Zweipuls-Brückenschaltung (B2, Einphasen-Brükenschaltung) gilt <strong>für</strong> Udi entsprechendes.<br />
2 ⋅ 2<br />
U di = ⋅ U L<br />
<strong>für</strong> B2<br />
- Schaltung<br />
(3.8)<br />
π<br />
Für die Berechnung von Udiα gilt Gl. (3.2) und <strong>für</strong> die Bestimmung des Mittelwertes der<br />
Gleichspannung Ud (Udα) gilt analog Gl. (3.6); hier muß berücksichtigt werden, daß zwei Ventile<br />
in Reihe geschaltet sind.<br />
Werden keine negativen Gleichspannungen benötigt, so kann man bei den Brückenschaltungen<br />
B2 und B6 die Hälfte der Thyristoren durch Dioden ersetzen und man erhält eine halbgesteuerte<br />
Schaltung. Die Abhängigkeit der Gleichspannung Udiα vom Steuerwinkel α berechnet sich hier<br />
nach Gl.(3.9):<br />
U 1<br />
diα<br />
= U (1+<br />
cos )<br />
2 di ⋅ α<br />
(3.9)<br />
Sind <strong>für</strong> einen Gleichstromantrieb beide Drehrichtungen vorgesehen, so muß eine Momentenumkehr<br />
und damit bei fester Erregung eine Umpolung des Ankerstromes möglich sein.<br />
Sind stromlose Pausen von rd. 0,2 s möglich, so kann die Umpolung des Ankerstromes mit einem<br />
mechanischen Umschalter erfolgen, ansonsten ist eine Gegenparallelschaltung zweier Stromrichter<br />
im Ankerkreis notwendig.<br />
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte <strong>Antriebe</strong> FB Technik, Abt. E+I 24
Bei Umkehr des Drehmomentes kann die Ankerstromrichtung beibehalten werden, wenn eine<br />
Änderung der Feldrichtung erfolgt. Da die Erregerleistung nur wenige Prozent der Nennleistung<br />
beträgt, kann man diese Lösung mit geringem Zusatzaufwand realisieren. Es ist jedoch zu berücksichtigen,<br />
daß bei jeder Umsteuerung mit Rücksicht auf den Feldabbau eine Pause von 0,5 bis<br />
2,5 s entsteht.<br />
L1<br />
L2<br />
L3<br />
N<br />
i A<br />
L L L L L L<br />
GM<br />
i A<br />
I E<br />
i A<br />
GM<br />
GM<br />
a) b) c)<br />
a) Ankerumschaltung mit einem Polwender<br />
b) Feldumkehr durch zwei Stromrichter<br />
c) Gegenparallelschaltung zweier Stromrichter im Ankerkreis<br />
Schaltung <strong>für</strong> Umkehrantriebe<br />
Gleichstromsteller<br />
Während bei allen netzgeführten Stromrichterschaltungen die Bildung der variablen Ankerspannung<br />
durch Phasenanschnittsteuerung der Netzwechselspannung erfolgt, arbeitet der Gleichstromsteller<br />
bereits mit einer konstanten Gleichspannung am Eingang (z.B. Batterie).<br />
Beim Gleichstromsteller wird durch ein elektronisches Stellglied S die Netzspannung UN mit<br />
möglichst hoher Frequenz fP pulsförmig auf den Antrieb geschaltet. Bei der häufig verwendeten<br />
Pulsbreitensteuerung ist dabei innerhalb der konstanten Periodendauer tP = 1/fP die Einschaltzeit tE<br />
einstellbar. In den Pausen fließt der Ankerstrom IA über einen Freilaufkreis mit der Diode D weiter.<br />
S elektronischer Ein-Ausschalter<br />
L Glättungsinduktivität<br />
D Freilaufdiode<br />
S<br />
L iA i N i D<br />
U N<br />
D<br />
u L<br />
U A<br />
GM<br />
I E IE<br />
I E<br />
u L<br />
i N<br />
i A<br />
i A<br />
i D<br />
t E t A t P<br />
Prinzipschaltung Pulsbreitensteuerung der Gleichspannung UA<br />
Technik eines Gleichstromstellers<br />
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte <strong>Antriebe</strong> FB Technik, Abt. E+I 25<br />
u L<br />
i A<br />
u A<br />
I E<br />
U N<br />
t<br />
i A
Wenn das Stellglied S während der Zeit tE geschlossen ist, nimmt der Antrieb mit iA = iN Energie<br />
aus dem Netz auf. Die Spannungsgleichung des Kreises lautet:<br />
di A<br />
U N = U A + u L mit u L = L ⋅ (3.10)<br />
dt<br />
In der Zeit tA ist das Stellglied S geöffnet; der Strom iA = iD klingt infolge der magnetischen<br />
Energie der Induktivität L nur langsam über den Freilaufkreis ab. Im Freilaufkreis gilt:<br />
U A + u L = 0<br />
(3.11)<br />
Der Ankerstrom schwankt um den Wert ∆i, der um so kleiner ist, je größer die Pulsfrequenz fP<br />
und die Induktivität L gewählt werden.<br />
Als Mittelwert der Spannungsimpulse stellt sich die Ankerspannung UA nach Gl.(3.12) ein.<br />
t<br />
U = U<br />
⋅<br />
A<br />
t<br />
E<br />
E<br />
N ⋅ = U N<br />
(3.12)<br />
t P t E + t A<br />
Die Ankerspannung kann so stufenlos zwischen Null und UN variiert werden.<br />
Als Stellglied werden heute vorwiegend eingesetzt:<br />
• Feldeffekt-Leistungstransistoren und IGBT's bis zu mittleren Leistungen bei hoher<br />
Schaltfrequenz;<br />
• GTO-Thyristoren bei hohen Leistungen.<br />
Durch Vertauschen der Anordnung von Freilaufdiode und Stellglied kann eine Rücklieferung von<br />
Energie in die Batterie beim Gleichstromsteller erfolgen.<br />
3.3 <strong>Stellglieder</strong> <strong>für</strong> Drehstromantriebe<br />
Drehstromsteller<br />
Die Schaltung eines dreiphasigen Drehstromstellers wird mit drei gegensinnig parallelen<br />
Thyristorpaaren gebildet; diese werden periodisch angesteuert. Bei kleinen <strong>Antriebe</strong>n kann ein<br />
Thyristorpaar durch einen Triac ersetzt werden.<br />
L1<br />
L2<br />
L3<br />
N<br />
i 1 i 2 i 3<br />
R R<br />
Drehstromsteller mit ohmsch-induktiver Last<br />
R<br />
L L L<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Steuerkennlinie eines Drehstromstellers<br />
Der Steuerwinkel α entspricht dem Winkel zwischen dem Nulldurchgang einer Phasenspannung,<br />
das ist der Nulldurchgang des ungesteuerten ohmschen Dauerstromes einer Phase, und dem<br />
zugehörigen Zündwinkel. Durch Vergrößerung des Steuerwinkels α von 0° auf 150° bei<br />
ohmscher Last und von 90° bis 150° bei induktiver Last kann die Leistungsaufnahme einer<br />
symmetrischen dreiphasigen Last stetig zwischen dem Maximalwert und Null gesteuert werden<br />
I eff<br />
I 0eff<br />
1,0<br />
0,8<br />
0,6<br />
0,4<br />
0,2<br />
cosϕ = 1<br />
cosϕ = 0<br />
0<br />
0 30 60 90 120 150 180<br />
α/°<br />
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte <strong>Antriebe</strong> FB Technik, Abt. E+I 26
Pulsgesteuerter Widerstand<br />
Abschaltbare leistungselektronische Ventile können parallel oder in Reihe zu ohmschen<br />
Widerständen R angeordnet werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, den wirksamen<br />
Widerstand R * abhängig vom Einschaltverhältnis λ = TE/T zu verändern. Dieser pulsgesteuerte<br />
Widerstand ist eine Sonderform des Gleichstromstellers. Beim pulsgesteuerten Widerstand in<br />
Parallelschaltung ist zur Glättung des Gleichstromes ein Energiespeicher in Form einer<br />
Induktivität L notwendig. Der wirksame Widerstand R * kann hier zwischen den Werten Null<br />
(Ventil leitend) und R (Ventil gesperrt) stetig verändert werden. Beim pulsgesteuerten Widerstand<br />
in Reihenschaltung kann der wirksame Widerstand R * zwischen R und unendlich verstellt<br />
werden. Als Ventile werden FET´s (kleine Leistung), IGBT's (mittlere Leistung) und GTO's<br />
(große Leistung) eingesetzt.<br />
Direktumrichter<br />
Umkehrstromrichter können zur Umformung von Wechsel- bzw. Drehstrom einer Frequenz f1 in<br />
eine andere Frequenz f2 verwendet werden. Dazu muß man ihre Ausgangsspannung periodisch<br />
u 1 u 2 u 3<br />
umsteuern, und zwar im Takt der gewünschten<br />
Ausgangsfrequenz f2. Die Fre-<br />
u<br />
quenzumformung erfolgt durch direktes<br />
Umschalten der Phasenspannungen des<br />
0<br />
Primärnetzes ohne Benutzung eines<br />
T 1<br />
n Kuppen je T 2 /2 t<br />
Gleichstromzwischenkreises, daher spricht<br />
man von Direktumrichtern. Die Ausgangsfrequenz<br />
f2 darf max. 40% der Netzfrequenz<br />
f1 erreichen.<br />
p 1<br />
T 1<br />
T 2<br />
Spannungsverlauf beim Trapezumrichter<br />
Beim sogenannten Trapezumrichter, einem Hüllkurvenumrichter, verläuft die Spannung einer<br />
Ausgangsphase auf den Kuppen der Phasenspannungen des speisenden Drehstromnetzes. Zur<br />
Bildung der Ausgangsspannung einer Phase des Trapezumrichters ist ein Umkehrstromrichter,<br />
bestehend aus zwei antiparallelen M3-Schaltungen, erforderlich (insgesamt 18 Thyristoren <strong>für</strong><br />
drei Phasen, p1 = 3). Mit diesem Direktumrichter können nur diskrete, nach Gl.(3.13) berechnete<br />
Ausgangsfrequenzen f2 erreicht werden.<br />
f<br />
2<br />
f 2<br />
U 2<br />
=<br />
f<br />
1<br />
St<br />
p1<br />
⋅ n = 1, 2, 3, .....<br />
(3.13)<br />
p + 2 ⋅ (n -1)<br />
1<br />
u 2<br />
f 1<br />
f M 2<br />
3 ~<br />
Beim Steuerumrichter wird die Ausgangsspannung<br />
der beiden gegenparallel arbeitenden<br />
Teilstromrichter sinusförmig ausgesteuert. Die<br />
Steuerwinkel αI und αII müssen während jeder<br />
Halbschwingung der Ausgangsspannung stetig<br />
verändert werden. Jede Ausgangsphase wird<br />
von der Gegenparallelschaltung 6pulsiger Teilstromrichter<br />
(B6-Schaltungen) mit insgesamt<br />
36 Ventile gebildet.<br />
Schaltung des Steuerumrichter<br />
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte <strong>Antriebe</strong> FB Technik, Abt. E+I 27
u I<br />
0<br />
α<br />
Gleichrichterbetrieb<br />
α<br />
Wechselrichterbetrieb<br />
t<br />
Spannung einer Phase<br />
beim Steuerumrichter<br />
Die abgegebene Ausgangsspannung wird einem vorgegebenen sinusförmigen Sollwert möglichst<br />
gut angenähert. Beide Teilstromrichter arbeiten abwechselnd im Gleich- bzw. Wechselrichterbetrieb.<br />
Der Verschiebungsfaktor der Lastseite bestimmt dabei die jeweilige Stromrichtung.<br />
Wegen überwiegender Phasenanschnittsteuerung ist der Blindleistungsbedarf aus dem speisenden<br />
Drehstromnetz beim Steuerumrichter hoch.<br />
Maschinengeführter Wechselrichter<br />
Der lastgeführte Wechelrichter bezieht von der Last, z. B. eine übererregte Synchronmaschine,<br />
seine Kommutierungsblindleistung - Strom muß der Spannung voreilen -. Die Schaltung<br />
ermöglicht im allgemeinen auch eine Umkehr des Energieflusses. Die Schaltung maschinengeführter<br />
Wechselrichter, die aus der Hintereinanderschaltung eines netzgeführten Gleichrichters<br />
und eines lastgeführten Wechselrichters mit Synchronmaschine als Last besteht, wird auch Strom-<br />
L1<br />
L2<br />
L3<br />
I II<br />
U dI<br />
L d<br />
I d<br />
U dII<br />
Maschinengeführter Wechselrichter (Stromrichtermotor)<br />
richtermotor genannt. Im allgemeinen<br />
wird im Gleichstromzwischenkreis eine<br />
Glättungsinduktivität Ld vorgesehen, die<br />
den netzseitigen Stromrichter I vom lastseitigen<br />
II energetisch entkoppelt.<br />
Der netzseitige Stromrichter I arbeitet im Motorbetrieb der angeschlossenen Synchronmaschine<br />
als netzgeführter Gleichrichter. Er erzeugt die durch Anschnittsteuerung über den Steuerwinkel α<br />
einstellbare Gleichspannung UdI des Zwischenkreises.<br />
Der Strom im Gleichstromzwischenkreis Id wird durch die Induktivität Ld geglättet. Der lastseitige<br />
Stromrichter arbeitet als lastgeführter Wechselrichter. Er erzeugt die Gleichspannung UdII. Da<br />
Wechselrichterbetrieb vorliegt, ist der Mittelwert dieser Gleichspannung negativ. Im stationären<br />
Betrieb ist UdII = -UdI.<br />
Arbeitet die Synchronmaschine als Generator, so muß der Stromrichter II in den<br />
Gleichrichterbetrieb und der Stromrichter I in den Wechselrichterbetrieb umgesteuert werden.<br />
Im Stillstand kann die Synchronmaschine kein führendes Netz auf der Sekundärseite erzeugen, so<br />
daß das Anfahren z.B. durch Auf- und Zusteuern des eingangsseitigen Stromrichters im Takt der<br />
niedrigen Anfahrfrequenz erfolgen kann.<br />
Zwischenkreisumrichter<br />
Zwischenkreisumrichter bestehen aus drei wesentlichen Komponenten, dem netzgeführten<br />
Stromrichter, einem Strom- oder Spannungszwischenkreis und einem selbst- oder lastgeführten<br />
Wechselrichter. Die Schaltung mit lastgeführtem Wechselrichter (Stromrichtermotor) wurde zuvor<br />
behandelt.<br />
Kann die Last, z.B. eine Asynchronmaschine, keine Kommutierungsblindleistung bereitstellen, so<br />
muß ein selbstgeführter Stromrichter eingesetzt werden. Die Kommutierungsspannung muß hier<br />
über Löschkreise bereitgestellt werden, oder es müssen abschaltbare Stromrichterventile wie<br />
FET´s, IGBT's oder GTO's eingesetzt werden.<br />
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte <strong>Antriebe</strong> FB Technik, Abt. E+I 28
Stromzwischenkreis-Umrichter (I-Umrichter)<br />
Beim I-Umrichter liefert der netzseitige Stromrichter in Sechspuls-Brükenschaltung (B6-<br />
Schaltung) einen durch die Anschnittsteuerung der Thyristoren einstellbaren Gleichstrom Id der<br />
infolge der Induktivität L der Zwischenkreisdrossel <strong>für</strong> den nachgeschalteten Stromrichter eingeprägt<br />
ist (Gleichstromzwischenkreis).<br />
GR ZD WR<br />
Der maschinenseitige Stromrichter<br />
arbeitet als selbstgeführter<br />
Wechselrichter. Die<br />
ND<br />
Technik der Phasenfolgelö-<br />
L1<br />
schung mit sechs Konden-<br />
L2<br />
ASYM satoren erlaubt ein Ein- und<br />
L3<br />
Ausschalten der Thyristoren,<br />
so daß der Gleichstrom Id in<br />
120°-Stromblöcken in jedem<br />
Wicklungsstrang fließt.<br />
Schaltung des Stromzwischenkreis-Umrichters<br />
Die Last (Maschine) ist Bestandteil des Kommutierungskreises und muß mit dem Wechselrichter<br />
des Umrichters abgestimmt sein. Die Kommutierungseinrichtung im Wechselrichter muß sowohl<br />
das Löschen des abzulösenden Thyristors sicherstellen, als auch die in den Streuinduktivitäten der<br />
Maschine gespeicherte Energie aufnehmen können. Die Kondensatoren müssen so dimensioniert<br />
sein, daß keine unzulässigen Spannungserhöhungen entstehen. Durch das zyklische Aufschalten<br />
des Stromes an die Motorklemmen entsteht in der angeschlossenen Maschine ein sprungförmig<br />
umlaufendes Ständerfeld einstellbarer Frequenz.<br />
Für die Funktion der Regelelektronik gibt es je nach den Anforderungen an die Dynamik des<br />
Antriebs unterschiedliche Konzepte. Mit entsprechendem Aufwand lassen sich etwa Stellzeiten<br />
eines Gleichstromantriebs erreichen. Besonders einfach und ohne Mehraufwand im Leistungsteil<br />
ist ein Vierquadrantenbetrieb möglich. Mit einer Spannungsumkehr im Zwischenkreis durch<br />
Wechselrichteransteuerung des netzseitigen Stromrichters bei unveränderter Stromrichtung kann<br />
eine Rückspeisung von Bremsenergie ins Netz erfolgen. Durch Änderung der Ansteuerfolge beim<br />
maschinenseitigen Stromrichter erzielt man Drehrichtungsumkehr, was einen Wechsel in der<br />
Drehrichtung bewirkt.<br />
Für Drehstromantriebe mit I-Umrichtern können Normmotoren verwendet werden, wobei<br />
allerdings auf Grund der nichtsinusförmigen Ströme und Spannungen erhöhte Stromwärme-<br />
und Eisenverluste auftreten. Im allgemeinen genügt es zum Ausgleich, die Leistung um 10 bis<br />
15 % herabzusetzen. Der typische Frequenzbereich liegt bei 2 Hz bis 87 Hz. Bei niedrigen<br />
Frequenzen wird der Rundlauf der Asynchronmaschine durch Zwischentaktung erreicht.<br />
Spannungszwischenkreis-Umrichter (U-Umrichter)<br />
U-Umrichter mit variabler Zwischenkreisspannung bestehen im allgemeinen aus einem<br />
netzgeführten, gesteuerten Stromrichter zur Bildung der variablen Zwischenkreisspannung, einem<br />
Zwischenkreis, bestehend aus Glättungdrossel und Zwischenkreiskondensator, und dem<br />
selbstgeführten Stromrichter (Wechselrichter) zur Bildung der frequenz- und spannungsvariablen<br />
Ausgangsspannung.<br />
Selbstgeführte Wechselrichter bestehen heute fast ausschließlich <strong>für</strong> alle Leistungsbereiche aus<br />
abschaltbaren Stromrichterventilen, <strong>für</strong> den unteren Leistungsbereich aus Leistungs-MOSFET's,<br />
<strong>für</strong> den mittleren Leistungsbereich aus IGBT's und <strong>für</strong> hohe Leistungen aus GTO's. Selbstgeführte<br />
Wechselrichter <strong>für</strong> eine einphasige Last bestehen aus 4 abschaltbaren Ventilen mit jeweils<br />
antiparalleler schneller Diode.<br />
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte <strong>Antriebe</strong> FB Technik, Abt. E+I 29
U d<br />
U d<br />
2<br />
U d<br />
2<br />
T1 D1 T4 D4<br />
T3 D3 T2 D2<br />
1 U12 2<br />
Last<br />
Einphasiger Wechselrichter<br />
Je zwei diagonal angeordnete abschaltbare Stromrichterventile<br />
werden <strong>für</strong> die Grundfunktion gleichzeitig angesteuert.<br />
Diese wechseln sich periodisch mit den beiden<br />
anderen abschaltbaren Stromrichterventilen entsprechend<br />
der gewünschten Frequenz ab.<br />
Bei ohmscher Last führen nur die abschaltbaren Stromrichterventile<br />
den Strom. Tritt auf der Lastseite Blindleistung<br />
auf, so sind auch die Dioden (Rücklaufzweige)<br />
periodisch an der Stromführung beteiligt. Bei Umkehr<br />
der Energierichtung übernehmen die Dioden die Stromführung.<br />
Soll die Wechselspannung unabhängig von der Gleichspannung Ud verändert werden, so kann<br />
dies mit der Aussteuerung nach dem Schwenkverfahren oder nach dem Pulsverfahren erfolgen.<br />
Bei der Aussteuerung nach dem Schwenkverfahren werden Wechselspannungen zweier unge-<br />
u 10<br />
0<br />
u 20<br />
0<br />
u 12<br />
0<br />
T1<br />
T3<br />
T1<br />
T4 T4 T4<br />
0<br />
T2 T2 T2<br />
180°<br />
180°<br />
U d<br />
t<br />
u 10<br />
0<br />
u 20<br />
u 12<br />
0<br />
α<br />
180°<br />
T1 T1<br />
Vollaussteuerung Teilaussteuerung<br />
Spannungsverstellung nach dem Schwenkverfahren<br />
U d<br />
T3<br />
t<br />
steuerter Wechselrichter phasenversetzt<br />
addiert, wobei die Wechselspannung<br />
der beiden Wechselrichter<br />
um den Winkel α gegen-<br />
einander versetzt sind.<br />
Durch die Verkürzung der Spannungsblöcke<br />
wird die Grundschwingungsamplitude<br />
der Ausgangspannung<br />
verringert, so daß<br />
sich die Oberschwingungen mehr<br />
hervor heben. Aus diesem Grund<br />
kann dieses Verfahren der Spannungssteuerung<br />
nur in einem begrenzten<br />
Stellbereich eingesetzt<br />
werden.<br />
Bei der Aussteuerung nach dem Pulsverfahren werden die Stromrichterzweige in jeder Periode<br />
der Grundschwingung mehrfach gezündet und gelöscht. Durch das Pulsverfahren ergibt sich eine<br />
Folge einzelner Stromfluß- und Sperrzeiten im Stromrichterzweig, deren Verhältnis den<br />
Effektivwert der Ausgangsspannung bestimmt. Je nach Schaltung sind entweder nur zwei<br />
Spannungszustände +Ud und -Ud möglich oder drei Spannungszustände +Ud, 0 und -Ud. Pulsverfahren<br />
mit drei Spannungszuständen werden heute fast ausschließlich eingesetzt, da sie den<br />
Vorteil haben, daß die Energie nicht unnötig zwischen der angeschlossenen Maschine und dem<br />
Gleichspannungszwischenkreis pulsiert.<br />
Meistens wird nicht mit konstantem Einschaltverhältnis λ = TE/(TE + TA), sondern die Dauer der<br />
angelegten Spannungsblöcke dem Verlauf des sinusförmigen Sollwertes angepaßt, so ergibt sich<br />
eine gute Annäherung an die Grundschwingung. Die nach dem Pulsverfahren so erzeugte<br />
Grundschwingung der Ausgangsspannung wird auch Unterschwingung genannt. An der<br />
Maschine treten hierbei außer der Grundschwingung nur Oberschwingungen der gewählten<br />
Pulsfrequenz fp und noch höhere Harmonische auf. Der Maschinenstrom ist nahezu sinusförmig.<br />
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte <strong>Antriebe</strong> FB Technik, Abt. E+I 30
u<br />
0<br />
T e<br />
T a<br />
U d<br />
t<br />
Zwei Spannungszustände mit +Ud und –Ud Drei Spannungszustände mit +Ud, 0 und -Ud<br />
u<br />
0<br />
T a<br />
T e<br />
U d<br />
u 1<br />
t<br />
u<br />
0<br />
T e<br />
T a<br />
U d<br />
nach Sinusfunktion<br />
veränderliches Einschaltverhältnis λ<br />
Spannungssteuerung nach dem<br />
Pulsverfahren<br />
Umrichter mit konstanter Zwischenkreisspannung<br />
(Frequenzumrichter, früher Puls-Umrichter genannt)<br />
Frequenzumrichter bestehen im allgemeinen aus einem netzgeführten, ungesteuerten Stromrichter<br />
zur Bildung der konstanten Zwischenkreisspannung, einem Zwischenkreis, bestehend<br />
aus Glättungdrossel und Zwischenkreiskondensator, und dem selbstgeführten Pulswechselrichter<br />
zur Bildung der frequenz- und spannungsvariablen Ausgangsspannung.<br />
Im allgemeinen speist der netzseitige, ungesteuerte Stromrichter (Dioden in B6-Schaltung und<br />
bei S < 2 kW in B2-Schaltung) über eine Glättungsdrossel den Zwischenkreiskondensator C<br />
mit nahezu konstanter Gleichspannung Ud ein. Wegen des ungesteuerten Gleichrichters<br />
entsteht keine Steuerblindleistung und man arbeitet über den ganzen Stellbereich mit einem<br />
guten Grundschwingungsverschiebungsfaktor cosϕ1 im speisenden Netz. Die Netz-Oberschwingungen<br />
werden durch die netzseitige Drehstromdrossel begrenzt, so daß der Leistungsfaktor<br />
λ > 0,8 erreicht wird. EMV-Filter reduzieren die höheren Frequenzen im Netzstrom auf<br />
zulässige Werte. Zur Stützung des Zwischenkreises können Batterien herangezogen werden,<br />
die eine Überbrückung bei Netzausfällen ermöglichen. Der Zwischenkreis läßt sich außerdem<br />
als Gleichspannungs-Sammelschiene ausbilden, an die mehrere, voneinander unabhängige<br />
Pulswechselrichter angeschlossen sein können.<br />
L1<br />
L2<br />
L3<br />
netzseitige<br />
Drossel<br />
Gleichrichter<br />
Zwischenkreis<br />
Pulswechselrichter<br />
Schutzdrossel<br />
Frequenzumrichter mit konstanter Zwischenkreisspannung<br />
ASYM<br />
Der maschinenseitige Pulswechselrichter schaltet Spannungsblöcke variabler Breite (z.B.<br />
Pulsbreitenmodulation) auf die Maschinenklemmen, so daß sich eine sinusförmige Grundschwingung<br />
der gewünschten Frequenz bildet.<br />
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte <strong>Antriebe</strong> FB Technik, Abt. E+I 31<br />
t
Beim Pulswechselrichter in Drehstrom-Brückenschaltung ist bei sinusförmigem Stromverlauf<br />
und symmetrischer Last die Summe der aufgenommenen Phasenleistungen auf der Wechselstromseite<br />
konstant.<br />
In der Grundschaltung ist beim Frequenzumrichter nur Motorbetrieb möglich, wobei durch<br />
Vertauschen der Phasenfolge bei der Ansteuerung der abschaltbaren Stromrichterventile eine<br />
Drehrichtungsumkehr entsteht.<br />
Für den Bremsbetrieb wird meistens ein ohmscher Widerstand über einen Widerstandsschalter<br />
(Chopper) im Zwischenkreis vorgesehen. Mit hohem Zusatzaufwand ist auch Energierückspeisung<br />
ins Netz bei Bremsbetrieb möglich.<br />
Beim Frequenzumrichter wird die Zwischenkreisspannung durch den Pulswechselrichter mit<br />
einer hohen Taktfrequenz auf die Maschine geschaltet, ein nahezu sinusförmiger Maschinenstrom<br />
wird so angestrebt. Bei Frequezumrichtern mit IGBT´s ist die Taktfrequenz bis 16 kHz wählbar;<br />
bei Frequenzumrichtern mit FET´s (nur bei kleiner Leistung) kann die Taktfrequenz bis zu<br />
100 kHz betragen.<br />
L1<br />
L2<br />
L3<br />
L N<br />
C F<br />
L F<br />
U d<br />
Dreiphasiger Wechselrichter<br />
<strong>für</strong> Frequenzumrichter<br />
mit Energierückspeisung<br />
Statt der sonst bei Frequenzumrichtern verwendeten ungesteuerten Gleichrichterdiodenbrücke<br />
(ungesteuerte B6-Schaltung) zwischen den Netzklemmen und dem Gleichspannungs-Zwischenkreis<br />
werden ein dreiphasiger Wechselrichter und ein L-C-L-Filter eingefügt. Dabei ist das<br />
Leistungsstellglied dieses dreiphasigen Eingangsteils wie ein üblicher Puls-Wechselrichter (Ausgangsseite<br />
eines normalen Frequenzumrichters) aufgebaut.<br />
Der dreiphasige Wechselrichter mit den Filterdrosseln LF und den Kondensatoren CF stellt eine<br />
steuerbare dreiphasige Spannungsquelle dar. Über die Netzdrosseln LN läßt sich der sinusförmige<br />
Netzstrom frei einstellen (Amplitude und Phasenlage).<br />
Der Regler hält die Zwischenkreisspannung Ud konstant und übernimmt die Netzsynchronisation.<br />
Dazu wird der Wirkstromsollwert IWsoll über ein PI-Glied aus der Differenz Sollwert der<br />
Zwischenkreisspannung und Istwert der Zwischenkreisspannung Ud ermittelt; der Blindstromsollwert<br />
wird mit IBsoll = 0 vorgegeben.<br />
Beim "Speisen" (Motorbetrieb) sind die Netzspannung und der nahezu sinusförmige Netzstrom in<br />
Phase. Beim "Rückspeisen" (Generatorbetrieb) sind die Netzspannung und der nahezu<br />
sinusförmige Netzstrom um 180° phasenverschoben.<br />
Vorteile des dreiphasigen Wechselrichters mit L-C-L-Filter <strong>für</strong> Frequenzumrichter sind:<br />
• stabilisierte konstante Zwischenkreisspannung,<br />
• Speisen vom und Rückspeisen in das Versorgungnetz möglich,<br />
• Leistungsfaktor │λ│ nahe 1, das heißt, fast keine Blindleistungsaufnahme und geringer<br />
Oberschwingungsgehalt,<br />
• geringer Funkstörspannungspegel.<br />
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte <strong>Antriebe</strong> FB Technik, Abt. E+I 32
Versorgungs- und Rückspeisemodule <strong>für</strong> Frequenzumrichter (FU) im Verbundbetrieb<br />
Werden mehrere Frequenzumrichter im Verbund als sogenannter Mehrachsenantrieb, wie bei<br />
Robotern betrieben, so kann ein Versorgungs- und Rückspeisemodul den Energieaustausch<br />
zwischen dem Drehstromnetz und der gemeinsamen Gleichspannungsschiene (Gleichspannungs-<br />
Zwischenkreis) übernehmen. Der Energieaustausch zwischen den einzelnen Frequenzumrichtern<br />
erfolgt über die Gleichspannungsschiene.<br />
Die Energieversorgung erfolgt<br />
über die ungesteuerte B6-Schaltung.<br />
Der Einspeisebetrieb ist<br />
damit in weiten Grenzen und<br />
L1<br />
sogar beim Ausfall einer Phase<br />
L2<br />
U möglich. Der Rückspeisebetrieb<br />
d<br />
L3<br />
erfolgt nur, wenn alle drei<br />
Phasen im Frequenzbereich von<br />
48 Hz ... 62 Hz vorhanden sind.<br />
Versorgungs- und Rückspeisemodul<br />
<strong>für</strong> FU<br />
Der Rückspeisebetrieb setzt automatisch ein, wenn die Gleichspannung den Scheitelwert der<br />
Netzspannung um ca. 20 V überschreitet. Der Rückspeisebetrieb wird eingestellt bei Übertemperatur<br />
oder beim Überschreiten der Spitzenbremsleistung. Abhilfe schaffen hier zusätzliche<br />
Bremseinheiten. Dem Versorgungs- und Rückspeisemodul muß eine Netzdrossel oder besser ein<br />
Filter vorgeschaltet werden. Beispielhaft sind die Messungen an einem 15-kW-Asynchronmaschinen-Antrieb<br />
mit Versorgungs- und Rückspeisemodul <strong>für</strong> den Frequenzumrichter.<br />
u 1 in V<br />
u 1 in V<br />
U1 = 231 V I1 = 8,3 A Ud = 550 V<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0<br />
-100<br />
-200<br />
-300<br />
-400<br />
0 2 4 6 8 10<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
-10<br />
-20<br />
-30<br />
-40<br />
12 14 16 18 20<br />
t in ms<br />
U1 = 230 V I1 = 14,4 A Ud = 538 V<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0<br />
-100<br />
-200<br />
-300<br />
0<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
-10<br />
-20<br />
-30<br />
-40<br />
12 14 16 18 20<br />
t in ms<br />
0<br />
i 1 in A<br />
i 1 in A<br />
u 1 in V<br />
U1 = 233 V I1 = 5,4 A Ud = 580 V<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0<br />
-100<br />
-200<br />
-300<br />
-400<br />
0 2 4 6 8 10<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
-10<br />
-20<br />
-30<br />
-40<br />
12 14 16 18 20<br />
t in ms<br />
Einspeisebetrieb bei Motorbetrieb Rückspeisebetrieb bei Generatorbetrieb<br />
Netzstrom i1 und Netzspannung u1 bei n = 500 min -1 , M = 60 Nm<br />
-400<br />
0 2 4 6 8 10<br />
u 1 in V<br />
U1 = 235 V I1 = 9,6 A Ud = 581 V<br />
400<br />
-400<br />
0 2 4 6 8 10<br />
-40<br />
12 14 16 18 20<br />
t in ms<br />
Einspeisebetrieb bei Motorbetrieb Rückspeisebetrieb bei Generatorbetrieb<br />
Netzstrom i1 und Netzspannung u1 bei bei n = 1000 min -1 , M = 60 Nm)<br />
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte <strong>Antriebe</strong> FB Technik, Abt. E+I 33<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0<br />
-100<br />
-200<br />
-300<br />
0<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
-10<br />
-20<br />
-30<br />
i 1 in A<br />
i 1 in A
3.4 Netzrückwirkungen von Stromrichtern<br />
Unter Netzrückwirkungen von Stromrichtern versteht man den Einfluß ihrer Blindleistung und<br />
ihrer Stromoberschwingungen auf das <strong>elektrische</strong> Netz. Hierdurch wird die Spannung gesenkt<br />
bzw. verzerrt.<br />
Induktive Blindleistung entsteht, wenn infolge der Phasenanschnittsteuerung des Stromrichters<br />
die erste Harmonische des Netzstromes gegenüber der zugeordneten Strangspannung nacheilt. Im<br />
ungesteuerten Bereich (α = 0°) ist das beim Kommutierungsvorgang durch den verzögerten<br />
Stromübergang von einem Ventil auf das andere der Fall. Im gesteuerten Betrieb (α > 0°) wird die<br />
Phasenverschiebung um den Steuerwinkel α vergrößert und damit die vom Stromrichter<br />
aufgenommene Blindleistung erhöht. Nach ihrer Entstehung bezeichnet man diese Grundschwingungsblindleistung<br />
Q1 als Kommutierungs- bzw. Steuerblindleistung. Wird der geringe<br />
Magnetisierungsstrom des Stromrichtertransformators vernachlässigt, so gilt <strong>für</strong> vollgesteuerte<br />
Schaltungen ohne Freilaufdiode (M3, B2, B6):<br />
Q<br />
S<br />
1<br />
1<br />
2u + sin 2α<br />
- sin [2 ⋅ ( α + u)]<br />
= sin ϕ 1 =<br />
(3.14)<br />
4 ⋅[<br />
cosα<br />
- cos ( α + u)]<br />
Für den ungesteuerten Betrieb mit dem Steuerwinkel α = 0° und dem Überlappungswinkel u = u0<br />
gilt:<br />
⎛ Q<br />
⎜<br />
⎝ S<br />
1<br />
1<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
α = 0°<br />
=<br />
2u<br />
0<br />
- sin 2u<br />
4 ⋅ (1-<br />
cos u<br />
0<br />
0<br />
)<br />
(3.15)<br />
S1 = Scheinleistung des Stromrichters <strong>für</strong> die Grundschwingung<br />
Häufig beträgt der Überlappungswinkel u0 nur wenige Grade, so daß die Kommutierungsblindleistung<br />
vernachlässigt werden kann (u = 0°). Aus Gl. (3.14) erhält man:<br />
⎛ Q1<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎟ = sin α<br />
(3.16)<br />
⎝ S1<br />
⎠u<br />
= 0°<br />
Für den Grundschwingungsverschiebungsfaktor cosϕ1 gilt:<br />
P Q<br />
cosϕ 1 = = 1-<br />
(3.17)<br />
S S<br />
40°<br />
20° 30°<br />
10°<br />
0°<br />
1<br />
γ<br />
Q1 Udi·Id 2<br />
1<br />
2<br />
1<br />
0,8<br />
0,6<br />
0,4<br />
0,2<br />
-1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1<br />
Anfangsüberlappung u 0 = 0°; 10°; 20°; 30°; 40°<br />
k<br />
i<br />
=<br />
∞<br />
∑<br />
ν = 2<br />
I<br />
I<br />
2<br />
ν<br />
g<br />
i<br />
=<br />
I1<br />
I<br />
Ud Udi 40°<br />
30°<br />
20°<br />
10°<br />
0°<br />
Grundschwingungsblindleistung in<br />
Abhängigkeit von der Gleichspannung<br />
<strong>für</strong> vollgesteuerte Schaltungen<br />
(M3, B6)<br />
Eine weitere Blindleistungskomponente<br />
ist die Verzerrungsblindleistung D.<br />
Wird sinusförmige Netzspannung und<br />
nichtsinusförmiger Strom vorausgesetzt,<br />
dann gilt:<br />
ki = Oberschwingungsgehalt (Klirrfaktor) und gi = Grundschwingungsgehalt des Stromes I<br />
(3.18)<br />
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte <strong>Antriebe</strong> FB Technik, Abt. E+I 34
Die Grundschwingungsscheinleistung S1, die Wirkleistung P, die Oberschwingungsblindleistung<br />
D und die Grundschwingungsblindleistung Q1 werden nach Gl. (3.19) berechnet.<br />
S1<br />
= S⋅<br />
g i P = S⋅<br />
g i ⋅ cosϕ1<br />
= S⋅<br />
λ<br />
(3.19)<br />
D = S⋅<br />
k Q = S⋅<br />
g ⋅s<br />
inϕ<br />
i<br />
1<br />
i<br />
1<br />
Bei Stromrichtern entstehen sowohl auf der Gleichstrom- als auch auf der Wechselstromseite<br />
Oberschwingungen, die miteinander in Wechselwirkung stehen.<br />
Unter Annahme völliger Glättung des Gleichstromes und Vollaussteuerung entstehen auf der<br />
Gleichstromseite Spannungsoberschwingungen Uvi (k = 1, 2, 3 ....)<br />
U ν i =<br />
2<br />
⋅ U 2 di<br />
ν -1<br />
mit ν u = k ⋅ p<br />
(3.20)<br />
u<br />
und auf der Netzseite enthält der Netzstrom neben der Grundschwingung Oberschwingungen Iv<br />
Iν =<br />
I1<br />
ν i<br />
mit ν i = k ⋅ p ± 1<br />
(3.21)<br />
v = Ordnungszahl der Oberschwingung p = Pulszahl<br />
Maßnahmen zur Verminderung der Netzrückwirkungen<br />
Aus energietechnischen Gründen ist es wichtig, die auftretende Blindleistung und die Oberschwingungen<br />
möglichst weitgehend zu kompensieren. Das kann durch eine ventil- und netzseitige<br />
Kompensation bzw. Verringerung der Blindleistung geschehen.<br />
Vollgesteuerte Brücken- und Mittelpunktschaltungen benötigen abhängig von der Aussteuerung<br />
eine sehr hohe Blindleistung. Mit der Folgesteuerung von zwei Teilstromrichtern, die meistens<br />
durch Reihenschaltung eines nicht steuerbaren mit einem steuerbaren Stromrichter gebildet wird,<br />
kann der Blindleistungsbedarf reduziert werden. Ein ähnliches Verhalten bezüglich des Blindleistungsbedarfs<br />
zeigen halbgesteuerte Brückenschaltungen (B6H) mit und ohne Freilaufdiode.<br />
0,8<br />
0,2<br />
γ<br />
γ<br />
-1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1<br />
Q 1<br />
U di·I d<br />
Anfangsüberlappung u 0 = 0° bzw. 40°<br />
40°<br />
0°<br />
Ud Udi Verminderung der<br />
Netzblindleistung bei<br />
Folgesteuerung<br />
Mit der Reihenschaltung eines ungesteuerten Stromrichters (Gleichrichters) mit einem<br />
nachgeschaltetem Gleichstromsteller kann die Steuerblindleistung weitgehend vermieden werden.<br />
Netzseitig kann die Grundschwingungsblindleistung Q1 mit Kompensationseinrichtungen<br />
erfolgen, die häufig aus regelbaren Kondensatoranlagen bestehen. Bei der Auslegung dieser<br />
Anlagen ist auf Resonanzerscheinungen zu achten, um eine Überlastung der Kondensatoren und<br />
unzulässige Verzerrungen der Netzspannung zu vermeiden. Deshalb werden häufig zu den<br />
Leistungskondensatoren Drosselspulen in Reihe geschaltet, um so die Resonanzlage der Anlage<br />
zu verstimmen. In der Praxis haben sich Resonanzfrequenzen unterhalb der 5. Oberschwingung<br />
bewährt.<br />
= P ⋅ ( tan ϕ - tan ϕ )<br />
(3.22)<br />
QC C<br />
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte <strong>Antriebe</strong> FB Technik, Abt. E+I 35
Die Verzerrungsleistung D kann durch Gruppenschaltungen oder durch netzseitige Saugkreise<br />
verringert werden. Mit zunehmender Pulszahl verringert sich der Oberschwingungsgehalt des<br />
Stromes. Die Amplitude der einzelnen Stromoberschwingung ist von der Belastung und der Ordnungszahl<br />
abhängig. Bei Stromrichterleistungen oberhalb von 300 kVA finden deshalb<br />
vorwiegend 12pulsige Schaltungen Anwendung.<br />
Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung der Stromoberschwingungen im Netz besteht durch<br />
Kurzschließen der vom Stromrichter erzeugten Oberschwingungen mit Resonanzkreisen<br />
(Saugkreise).<br />
L1 L2 L3<br />
U L1N<br />
2 3<br />
U S1 2 3 1 2 U Str3<br />
L d<br />
U dI<br />
U dII<br />
U d<br />
M<br />
12pulsige Schaltung aus zwei parallel geschalteten Drehstrombrücken (B6.2/15-Schaltung)<br />
U n<br />
Q<br />
M<br />
I ν<br />
I d<br />
<br />
<br />
I Q<br />
250 Hz<br />
ν = 5<br />
L S<br />
I C5 I C7 I C11 I C13<br />
350 Hz<br />
ν = 7<br />
550 Hz<br />
ν = 11<br />
650 Hz<br />
ν = 13<br />
Stromrichter mit abgestimmte Saugkreisen<br />
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte <strong>Antriebe</strong> FB Technik, Abt. E+I 36<br />
I dI<br />
I dII<br />
I d