Stellglieder für elektrische Antriebe

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Stromzwischenkreis-Umrichter (I-Umrichter) Beim I-Umrichter liefert der netzseitige Stromrichter in Sechspuls-Brükenschaltung (B6- Schaltung) einen durch die Anschnittsteuerung der Thyristoren einstellbaren Gleichstrom Id der infolge der Induktivität L der Zwischenkreisdrossel für den nachgeschalteten Stromrichter eingeprägt ist (Gleichstromzwischenkreis). GR ZD WR Der maschinenseitige Stromrichter arbeitet als selbstgeführter Wechselrichter. Die ND Technik der Phasenfolgelö- L1 schung mit sechs Konden- L2 ASYM satoren erlaubt ein Ein- und L3 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 Glättungdrossel 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. G. Schenke, 3.2003 Automatisierte Antriebe FB Technik, Abt. E+I 29
U d U d 2 U d 2 T1 D1 T4 D4 T3 D3 T2 D2 1 U12 2 Last Einphasiger Wechselrichter Je zwei diagonal angeordnete abschaltbare Stromrichterventile werden für die Grundfunktion gleichzeitig angesteuert. Diese wechseln sich periodisch mit den beiden anderen abschaltbaren Stromrichterventilen entsprechend der gewünschten Frequenz ab. Bei ohmscher Last führen nur die abschaltbaren Stromrichterventile den Strom. Tritt auf der Lastseite Blindleistung auf, so sind auch die Dioden (Rücklaufzweige) periodisch an der Stromführung beteiligt. Bei Umkehr der Energierichtung übernehmen die Dioden die Stromführung. 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- u 10 0 u 20 0 u 12 0 T1 T3 T1 T4 T4 T4 0 T2 T2 T2 180° 180° U d t u 10 0 u 20 u 12 0 α 180° T1 T1 Vollaussteuerung Teilaussteuerung Spannungsverstellung nach dem Schwenkverfahren U d T3 t steuerter Wechselrichter phasenversetzt addiert, wobei die Wechselspannung der beiden Wechselrichter um den Winkel α gegen- einander versetzt sind. Durch die Verkürzung der Spannungsblöcke wird die Grundschwingungsamplitude der Ausgangspannung verringert, so daß sich die Oberschwingungen mehr hervor heben. Aus diesem Grund kann dieses Verfahren der Spannungssteuerung nur in einem begrenzten Stellbereich eingesetzt werden. 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. Pulsverfahren 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. G. Schenke, 3.2003 Automatisierte Antriebe FB Technik, Abt. E+I 30
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