Kapitel 15
Kapitel 15
Kapitel 15
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
<strong>15</strong> Gleichspannungswandler<br />
Übungsziele:<br />
• Arbeitsweise von Gleichstromstellern mit abschaltbaren Ventilen<br />
• Zweipunktregelung<br />
• Tief- und Hochsetzsteller<br />
• Arbeiten mit Gegenspannung im lückenden und nicht lückenden Betrieb<br />
• Steuerverfahren der Gleichstromsteller<br />
• Mehrquadrantenbetrieb<br />
Übungsdateien:<br />
MATHCAD: gleichstel.mcd<br />
SIMPLORER: tiefsetz.ssh; quadrant1_gm..ssh; boostw.ssh;<br />
quadrant1u2_gmn.ssh; quadrant1u4a.ssh; quadrant1u4g.ssh;<br />
quadrant4_m.ssh;quadrant4_gm.ssh<br />
<strong>15</strong>.1 Allgemeines<br />
Gleichspannungswandler formen elektrische Gleichgrößen gegebener Spannung<br />
und Polarität in eine andere Gleichspannung um. Sie liegen bei den Simulationen<br />
an einer idealen Gleichspannungsquelle Ud. Sie ist zeitlich konstant und hat einen<br />
sehr kleinen Innenwiderstand. Die Ventile können hier nicht über den pe riodisch<br />
wiederkehrenden Stromnulldurchgang abgeschaltet werden. Früher sorgten spezielle<br />
Schaltkreise, z.B. die Tröger-Schaltung, für das sichere Ausschalten von<br />
Thyristoren. Abschaltbare Ventile verdrängen mit zunehmender Entwicklung zu<br />
höheren Schaltleistungen die ältere Technik. Die im Folgenden untersuchten Umrichter<br />
gehören zur Gruppe der selbstgeführten Stromrichter, bei denen die Taktfrequenz<br />
intern von Schwingquarzen erzeugt und nicht mehr von der Netzfrequenz<br />
vorgegeben wird.<br />
Allgemein gehören zu jedem Gleichspannungswandler mindestens ein steuerbarer<br />
Halbleiter und eine Diode. Die Grundformen bilden der Tiefsetzsteller oder Buck-<br />
Wandler und der Hochsetzsteller oder Boost-Wandler als hart schaltende Versionen.<br />
Das bedeutet, dass sie verlustbehaftet ohne resonante Schaltentlastung arbeiten.<br />
In den resonanten Schaltverfahren werden zur Verringerung der Schaltverluste<br />
entweder die Spannung beim Einschalten oder der Strom beim Ausschalten auf<br />
Null gesetzt. Die resonante Schaltentlastung wird hier nicht behandelt.
<strong>15</strong>.2 Steuerung von Gleichspannungswandlern 225<br />
Die Wandler werden z.B. für geregelte Netzgeräte, für die Energieumwandlung in<br />
der Fotovoltaik oder für die Versorgung von Gleichstromantrieben verwendet. In<br />
der elektrischen Antriebstechnik werden sie auch als Gleichstromsteller bezeichnet.<br />
<strong>15</strong>.2 Steuerung von Gleichspannungswandlern<br />
In der Schaltung Bild <strong>15</strong>.1 wird ein statisches GTO-Modell als abschaltbares Ventil<br />
verwendet. Mit der Datei tiefsetz.mcd können die Pulsweiten- und die Pulsfolgesteuerung<br />
getestet werden. Mit der Datei tiefsetz_stromreg.ssh wird der Tiefsetzsteller<br />
durch eine Zweipunktstromsteuerung getastet.<br />
Bild <strong>15</strong>.1: Tiefsetzsteller<br />
Der arithmetische Mittelwert der Ausgangsspannung oder Lastspannung UL ist<br />
vom Tastverhältnis a abhängig. Damit hat a bei den Gleichspannungswandlern die<br />
gleiche Funktion wie der bei der Anschnittsteuerung benutzte Steuerwinkel α.<br />
te<br />
te<br />
a = =<br />
(<strong>15</strong>-1)<br />
t + t T<br />
e<br />
a<br />
Aus der Definition des Tastverhältnisses (<strong>15</strong>-1) ergeben sich grundsätzlich zwei<br />
unterschiedliche Steuerarten:<br />
1. die Pulsweitensteuerung mit konstanter Periode (T = konst) und veränderlicher<br />
Einschaltdauer te,<br />
2. die Pulsfolgesteuerung mit konstanter Einschaltdauer (te = konst) und<br />
veränderlicher Periode T.<br />
<strong>15</strong>.2.1 Pulsweitensteuerung<br />
Die Pulsweitensteuerung (Bild <strong>15</strong>.2) wird hauptsächlich in Anlagen angewendet,<br />
bei denen der Laststrom iL mit dem arithmetischen Mittelwert IL möglichst geglättet<br />
sein soll. Die Zeitkonstante τL = L1/R1 wird so groß gewählt, dass der Strom bei
226<br />
<strong>15</strong> Gleichspannungswandler<br />
Entlastung nicht lückt. Die Einschaltdauer te sowie die Ausschaltdauer ta werden<br />
verändert, während die Periodendauer T und damit die Schaltfrequenz konstant<br />
bleiben. Der arithmetische Mittelwert der Lastspannung folgt aus Gleichung (<strong>15</strong>-2):<br />
te<br />
U L = U d = Ud<br />
a mit 0 ≤ a ≤ 1<br />
(<strong>15</strong>-2)<br />
T<br />
Die Einschaltdauer te kann nicht Null werden, da beim Ein- und Ausschalten realer<br />
Ventile eine endliche Umschaltzeit erforderlich ist. Mit der Mindesteinschaltzeit<br />
te min und der maximalen Einschaltzeit te max, die von der Ventilart und dem Laststrom<br />
abhängen, folgt der reale Stellbereich:<br />
U<br />
U<br />
t<br />
L max e max<br />
= (<strong>15</strong>-3)<br />
L min te<br />
min<br />
<strong>15</strong>.2.2 Pulsfolgesteuerung<br />
Bild <strong>15</strong>.2: Pulsweitensteuerung<br />
Bei der Pulsfolgesteuerung oder Frequenzsteuerung (Bild <strong>15</strong>.3) wird mit der konstanten<br />
Einschaltdauer te und veränderlicher Ausschaltdauer ta und folglich variabler<br />
Periodendauer T bzw. variabler Frequenz fT gearbeitet. Die Pulsfolgesteuerung<br />
erfordert geringeren technischen Aufwand. Niedrige Arbeitsfrequenzen benötigen<br />
allerdings große Induktivitäten, um ein Lücken des Laststroms zu vermeiden.<br />
Mit T = te+ta folgt:<br />
1 1<br />
f T = = ( te<br />
= konst;<br />
T variabel : te<br />
≤ T ≤ ∞)<br />
(<strong>15</strong>-4)<br />
t + t T<br />
e<br />
Damit ergibt sich die Lastspannung zu<br />
L<br />
d<br />
a<br />
U = U f t<br />
(<strong>15</strong>-5)<br />
T<br />
e
<strong>15</strong>.2 Steuerung von Gleichspannungswandlern 227<br />
<strong>15</strong>.2.3 Zweipunktregelung<br />
Bild <strong>15</strong>.3: Pulsfolgesteuerung<br />
Der Tiefsetzsteller wird bei Laststromregelungen eingesetzt. In der Datei tiefsetz_stromreg.ssh<br />
werden der Sollwert IL und die Schaltdifferenz Δ i eingegeben.<br />
Der Sollwert muss kleiner als der Kurzschlussstrom IK max = Ud/R sein. Eine geforderte<br />
minimale Welligkeit wi min des Laststromes kann mit einer bestimmten Glättungsinduktivität<br />
L nur ab einem minimalen Abtastbereich amin < a eingehalten<br />
werden. Mit der Zeitkonstanten τ = L/R des Lastkreises berechnet sich die<br />
Schwankungsbreite des Laststroms zu:<br />
U<br />
Δi<br />
=<br />
R<br />
−αT<br />
−(<br />
1−a)<br />
T −T<br />
τ<br />
d 1−<br />
e − e τ<br />
−T<br />
τ<br />
+ e τ<br />
(<strong>15</strong>-6)<br />
1−<br />
e<br />
Die Schwankungsbreite ist die Differenz Δi = Imax – Imin. Wird sie auf den Kurzschlussstrom<br />
bezogen, folgt Gleichung (<strong>15</strong>-7):<br />
Δi<br />
1 − e<br />
=<br />
I<br />
K<br />
−αT<br />
τ<br />
− e<br />
1−<br />
e<br />
−(<br />
1−a<br />
) T<br />
τ<br />
−T<br />
τ<br />
+ e<br />
−T<br />
τ<br />
(<strong>15</strong>-7)<br />
Nähert man den aus e-Funktionsabschnitten bestehenden schwankenden Strom<br />
durch eine Sinusfunktion an, ergibt sich die Geradenschar Δi/IK = f(a) nach Gle ichung<br />
(<strong>15</strong>-8) bei der wi ihre Steigung bestimmt.<br />
Δi<br />
≈ 2 2 wi<br />
a<br />
(<strong>15</strong>-8)<br />
I<br />
K<br />
Die Zeitkonstante τ enthält die Glättungsinduktivität L. Damit sind die Glättung,<br />
der Aussteuerungsgrad, die Schwankungsbreite sowie die Welligkeit voneinander<br />
abhängig. Die Funktionen Δi/IK = f(a) mit T/τ aus Gleichung (<strong>15</strong>-7) und die Geradenschar<br />
sind in Bild <strong>15</strong>.4. über dem Tastverhältnis a aufgetragen. Bei a = 0,5 ist<br />
die Glättung am ungünstigsten.
228<br />
Bild <strong>15</strong>.4: Welligkeit der Zeipunktregelung<br />
<strong>15</strong> Gleichspannungswandler<br />
Mit dieser Kurvenschar kann man z.B. aufgrund einer geforderten minimalen Welligkeit<br />
wi min und einer vorhandenen Glättung L das minimale Tastverhältnis ermitteln,<br />
bei dem die Welligkeit wi min noch erreicht wird oder man bestimmt die notwendige<br />
Glättung bei vorgegebenem minimalem Tastverhältnis. Je kleiner T/τ ist,<br />
desto besser ist die Glättung. Mit der MATHCAD-Datei gleichstl.mcd können die<br />
Verhältnisse für einen Betriebspunkt (Bild <strong>15</strong>.7) mathematisch bestimmt werden.<br />
1τ<br />
τ<br />
τ<br />
1τ 2τ 3τ 4τ 5τ<br />
Bild <strong>15</strong>.5: Zweipunkt-Stromregelung<br />
t
<strong>15</strong>.2 Steuerung von Gleichspannungswandlern 229<br />
Bild <strong>15</strong>.5 zeigt den Laststrom iL mit konstanter Schaltdifferenz Δi bei unterschiedlicher<br />
Steuerung a und einem Sollwert, der dem Mittelwert des pulsierenden<br />
Stromes entspricht. Die zugehörigen Stellgrößen sind Rechteckblöcke der Lastspannung<br />
uL Durch Verkleinerung der Schwankung Δi lässt sich zwar die Schaltdifferenz<br />
verkleinern, aber die Schalt häufigkeit steigt an. Das kann zur Verringerung<br />
der Lebensdauer mechanischer Schaltkontakte führen.<br />
Die Schaltung in Bild <strong>15</strong>.1 wird mit den Eingabewerten Δi = 60 A und Isoll =<br />
-300 A in der Datei tiefsetz_stromreg.ssh mit einer Zweipunktsteuerung simuliert.<br />
Die Last ist R = 0,8 Ω und L = 2 mH. Man beachte, dass sich sowohl te als auch T<br />
verändern; es bleiben weder die Pulsbreite noch die Pulsfrequenz konstant. Im<br />
Bild <strong>15</strong>.6 folgt der Strom nach einer gewissen Einschwingzeit dem Sollwert. Wird<br />
der Strom bezüglich seiner Kennwerte in der Datenanalyse DAY ausgewertet, ergibt<br />
sich ohne den Einschwingvorgang eine Welligkeit wi = 6,51 %. Die Periode<br />
wird mit QuickView/ExternView mit Cursoreinstellung gemessen und ergibt<br />
T = 1 ms bei a = 0,5 mit τ = 2,5 ms. Damit folgt T/τ = 0,4.<br />
Bild <strong>15</strong>.6: Stromregelung<br />
Diese Ergebnisse werden in die Datei gleichstel.mcd eingegeben. Damit folgt der<br />
Betriebspunkt in Bild <strong>15</strong>.7 entsprechend dem Kennlinienfeld in Bild <strong>15</strong>.4. Der Bereich,<br />
in dem die Betriebsbedingungen der Welligkeit und der Glättung erfüllt<br />
sind, wird durch beide Funktionen eingegrenzt.<br />
Bild <strong>15</strong>.7: Betriebspunkt nach MATHCAD
230<br />
<strong>15</strong> Gleichspannungswandler<br />
<strong>15</strong>.3 Gleichstromstellerschaltungen für den Ein- und<br />
Zweiquadranten-Betrieb<br />
Statt des Lastwiderstandes ist jetzt eine Gleichstrommaschine in den Ausgangskreis<br />
geschaltet (Bild <strong>15</strong>.8). Der Spannungsabfall ΔU am Lastwiderstand wird<br />
durch die von der Maschinendrehzahl abhängige Quellenspannung Uq ersetzt. Da<br />
der Läuferwiderstand RA sehr klein ist, gibt es nur einen geringen Spannungsabfall,<br />
so dass der Widerstand oft vernachlässigt wird.<br />
Für Antriebe mit Gleichstrommaschinen wird ein Mehrquadranten-Betrieb gefordert.<br />
Die Drehzahl und das Drehmoment sollen unabhängig voneiander eingestellt<br />
werden können. Bei der netzgeführten Stromnrichtersteuerung wurde der Vierquadranten-Betrieb<br />
simuliert. Im Folgenden wird die Entwicklung vom Einquadranten-Antrieb<br />
über den Zweiquadranten-Antrieb bis zum Vierquadranten-Antrieb<br />
mit zwei verschiedenen Ansteuerungen vorgestellt.<br />
<strong>15</strong>.3.1 Einquadranten-Betrieb<br />
Gleichstrommaschinen werden aus einem Gleichstromnetz konstanter Spannung<br />
Ud über pulsweitenmodulierte Gleichstromsteller mit einer kontinuierlich veränderlichen<br />
Gleichspannung UL versorgt, die stets kleiner als die Versorgungsspannung<br />
ist. Man spricht deswegen von einem Tiefsetzsteller. Die Gleichstrommaschine<br />
kann nur motorisch arbeiten. Die Belastung in der Übungsdatei quadrant1_gm<br />
(Bild <strong>15</strong>.9) besteht aus dem Ankerwiderstand RA, der Ankerinduktivität<br />
LA und der Gegen- oder Quellenspannung Uq ∼ Φ n. Bei nicht lückendem Ankerstrom<br />
berechnen sich die Mittelwerte aus den Momentanwerten uL und iL:<br />
U<br />
I<br />
L<br />
L<br />
= aU<br />
d<br />
A<br />
> 0<br />
U L − Uq<br />
aUd<br />
− U q<br />
= = > 0<br />
R R<br />
A<br />
Bild <strong>15</strong>.8: Einquadranten-Betrieb<br />
(<strong>15</strong>-9)
<strong>15</strong>.3 Gleichstromstellerschaltungen für den Ein- und Zweiquadranten-Betrieb 231<br />
Aufgrund der Freilaufdiode FD gilt uL ≥ 0, da bei negativen Lastspannungen die<br />
Freilaufdiode leitend wird und die Maschine kurzschließt. Die Ventile V und FD<br />
verhindern eine Stromumkehr. Da immer IL ≥ 0 ist, wird auch das Maschinenmoment<br />
MM ≥ 0, das bedeutet Motorbetrieb. Während des Freila ufes entnimmt der<br />
Motor keine Energie aus dem Netz. Er ist theoretisch vom Netzt abgekuppelt und<br />
liefert die Energie aus der rotierenden Masse.<br />
Bild <strong>15</strong>.9: Spannung und Strom in Abhängigkeit von der Steuerung<br />
Bild <strong>15</strong>.9 zeigt die Pulsweitensteuerung bei abnehmendem Spannungsmittelwert<br />
UL für drei typische Lastfälle. Im Fall A, dem Normalbetrieb, schwankt der Laststrom<br />
zwischen einem Maximal- und einem Minimalwert, wie bei einer Zweipunktregelung.<br />
Während der Abschaltzeit ta fließt der Laststrom über die Freilaufdiode.<br />
Wegen des Kurzschlusses über der Diode ist dann die Lastspannung Null.<br />
Im Fall B erreicht der Strom beim weiteren Absenken des Spannungsmittelwertes<br />
schließlich die Lückgrenze. Er kann in der Schaltung Bild <strong>15</strong>.8 nicht negativ werden.<br />
Im Fall C kommt es zum Lücken des Stromes. Wenn kein Strom fließt, liegt<br />
die Quellenspannung Uq am Ausgang. Im lückenden Betrieb wird die mittlere<br />
Lastspannung UL ≥ a Ud. Im Bild <strong>15</strong>.9 ist die Maschinendrehzahl verein fachend<br />
konstant angenommen worden. Der Lückbetrieb wird auch bei Entlastung der Maschine<br />
bei unveränderter Spannung erreicht, was im folgenden Beispiel 1 simuliert<br />
wird.<br />
Beispiel 1 (SIMPLORER)<br />
τd<br />
Mit der SIMPLORER-Datei quadrant1.ssh ist ein Hochlauf gegen ein konstantes<br />
Widerstandsmoment simuliert. Der Hochlauf aus dem Stillstand erfordert eine<br />
hohe Stromaufnahme, den Anfahrstrom. Danach wird der Motor entlastet, um damit<br />
den Lückbetrieb zu demonstrieren. Das Moment wird über eine Sprungfunk
232<br />
<strong>15</strong> Gleichspannungswandler<br />
tion simuliert, deren Nulllinie um -200 Einheiten gegenüber der Spanungsnulllinie<br />
verschoben wurde. Das Tastverhältnis a bleibt während des gesamten Vorgangs<br />
konstant. Die Maschinenparameter können über das Eigenschaftenmenü der fremderregten<br />
Gleichstrommaschine, siehe Bild <strong>15</strong>.8, verändert werden. In Bild <strong>15</strong>.10<br />
sind die Momentanwerte der Maschinenspannung uL; des Laststromes iL über der<br />
Zeit ausgegeben. Die Drehzahl n in U/min ist im Maßstab 1:10 verkleinert, um sie<br />
ebenfalls auf dem Bild zu zeigen.<br />
In allen Modellen ist darauf geachtet worden, dass die Zeitkonstante der Maschine<br />
möglichst klein ist, um die Schaltvorgänge des Stellers mit den Änderungen der<br />
Maschinendrehzahl besser vergleichen zu können. In der Praxis unterscheiden sich<br />
die Zeitkonstanten der Stromrichter von denen elektrischer Maschinen derartig,<br />
dass beide Zeitverhalten kaum zusammen in einem Diagramm gezeigt werden<br />
können. Die Versuchsmaschine läuft in etwa <strong>15</strong>0 ms hoch. Ihr Anfahrstrom klingt<br />
auf den Strom ab, der dem Widerstandsmoment entspricht. In diesem Zeitpunkt<br />
wird die Maschine entlastet und der Strom nimmt entsprechend ab. Die Drehzahl<br />
steigt auf die Leerlaufdrehzahl an. In diesem Bereich lückt der Laststrom. Im<br />
Lückbereich bilden sich an den Flanken der Spannungsblöcke Stufen, vergleiche<br />
mit Bild <strong>15</strong>.9 C, deren Höhe der Quellenspannung entspricht. Proportional zur<br />
Drehzahl werden folglich auch die Stufen höher.<br />
Bild <strong>15</strong>.10: Betriebsverhalten im ersten Quadranten<br />
<strong>15</strong>.3.2 Zweiquadranten-Betrieb mit Stromumschaltung<br />
(Hochsetzsteller)<br />
Mit den wesentlichen Schaltelementen des Einquadranten-Stellers wird ein Hochsetzsteller<br />
gebaut. Die mittlere Lastspannung UL soll nun größer als Ud werden.<br />
Dadurch kann Leistung von einem Generator in die Gleichspannungsquelle zurück<br />
gespeist werden. Der Laststrom kehrt sich um. Der Steller arbeitet im zweiten<br />
Quadranten. Eine Stromumkehr entspricht einem Momentenwechsel.
<strong>15</strong>.3 Gleichstromstellerschaltungen für den Ein- und Zweiquadranten-Betrieb 233<br />
Bild <strong>15</strong>.11: Hochsetzsteller<br />
Zunächst wird seine Funktion untersucht. Er erzeugt einen Spannungsmitte lwert<br />
UL, der größer als die Eingangsspannung Ud ist. Die Schaltung wird anhand Bild<br />
<strong>15</strong>.11 erklärt. Wenn das Ventil V eingeschaltet wird, sperrt die Diode D. An der<br />
Spule L liegt die Spannung Ud und der Strom steigt entsprechend der Spuleninduktivität<br />
an. Die momentane Spannung an der Induktivität folgt dem Induktionsgesetz<br />
uind = L di/dt. Sie ist eine Wechselspannung. Wenn das Ventil entsprechend<br />
dem eingestellten Tastverhältnis a abschaltet, fließt der abnehmende Strom iL über<br />
die Freilaufdiode D in den Lastkreis.<br />
Bild <strong>15</strong>.12: Ideale Zeitverläufe am Hochsetzsteller<br />
In Bild <strong>15</strong>.12 sind die Ventilspannung uVentil, der Strom durch die Induktivität iInd<br />
sowie die Wechselspannung an der Induktivität uInd gezeichnet. Es handelt sich um<br />
eine idealisierte Darstellung mit einem sehr großen kapazitiven Speicher.<br />
Beispiel 2 (SIMPLORER)<br />
Mit der Datei boostw.ssh wird die Schaltung nach Bild <strong>15</strong>.11 unter realen Bedingungen<br />
untersucht.<br />
Mit der Eingangsspannung Ud = 500 V und den Werten R = 3 Ω; L = 5 mH;<br />
C = 3 mF wird das Modell in Bild <strong>15</strong>.13 simuliert. Die Spannung und der Strom an
234<br />
<strong>15</strong> Gleichspannungswandler<br />
der Induktivität sowie die Ventilspannung sind in Bild <strong>15</strong>.14 bei a = 0,25 ausgegeben.<br />
Die jeweiligen Zeitachsen sind vertikal verschoben. Um die realen Verhältnisse<br />
in Bild <strong>15</strong>.14 mit den idealen Werten von Bild <strong>15</strong>.12 zu vergleichen, wurden<br />
gleiche Periodenzahlen gewählt. Während das Ventil eingeschaltet ist, fällt an ihm<br />
sehr geringe Spannung ab. Der Strom steigt linear nach dem Induktionsgesetz an.<br />
Öffnet das Ventil, fällt dort die Eingangsspannung von 500 V ab zuzüglich des<br />
Spannungsabfalls über der Induktivität, welcher durch den Entladestrom verursacht<br />
wird. Der Strom kommutiert auf die Diode. Bei erneutem Einschalten wiederholt<br />
sich dieser Vorgang.<br />
Bild <strong>15</strong>.13: Hochsetzsteller<br />
Bild <strong>15</strong>.14: Spannung und Strom des Hochsetzstellers nach Bild <strong>15</strong>.13<br />
Das Übersetzungsverhältnis ü hängt vom Tastverhältnis a ab und berechnet sich<br />
nach Gleichung (<strong>15</strong>.10):<br />
U<br />
U<br />
U<br />
U<br />
L<br />
d<br />
L<br />
d<br />
= ü = a<br />
1<br />
= ü =<br />
1−<br />
a<br />
beim<br />
beim<br />
Tiefsetzsteller<br />
Hochsetzsteller<br />
(<strong>15</strong>-10)
<strong>15</strong>.3 Gleichstromstellerschaltungen für den Ein- und Zweiquadranten-Betrieb 235<br />
Bild <strong>15</strong>.<strong>15</strong>: Übersetzungssverhältnis ü = f(a)<br />
Die bezogenen Spannungen sind aus den beiden Grafiken (Bild <strong>15</strong>.<strong>15</strong>) unmittelbar<br />
zu entnehmen. Für unser Beispiel a = 0,25 ergibt sich ein Übersetzungsverhältnis<br />
von ü = 1,33. Zur graphischen Überprüfung der Simulationsergebnisse wurden in<br />
Bild <strong>15</strong>.16 die Eingangsgleichspannung Ud und die Spannung am Lastwiderstand<br />
UL ausgegeben. Die Schätzung des arithmetischen Mittelwertes UL aus dem Momentanwert<br />
uL ergibt recht genau den erwarteten Wert von UL = 665 V.<br />
Bild <strong>15</strong>.16: Eingangs - und Ausgangsspannung des Boostwandlers<br />
<strong>15</strong>.3.3 Zweiquadranten-Betrieb mit Stromumkehr<br />
In Bild <strong>15</strong>.17 wurden die Stromwege eingezeichnet, die in der jeweiligen Betriebsart<br />
aktiv sind. Um den generatorischen Betrieb bei Stromumkehr zu ermöglichen,<br />
muss ein Gleichstromsteller als Hochsetzsteller eingesetzt werden. Tiefsetzsteller<br />
und Hochsetzsteller besitzen gleiche Bauelemente. Es reicht aus, die Elemente<br />
bei jedem Stromnulldurchgang umzuschalten, um vom ersten in den vierten<br />
Quadranten zu wechseln. Allerdings muss man bei der mechanischen Umschaltung<br />
eine längere stromlose Pause einhalten, um die Trägheit mechanischer Schalter<br />
zu berücksichtigen. Dadurch wird die Dynamik der Regelung herabgesetzt.
236<br />
Beispiel 3 (SIMLORER)<br />
Bild <strong>15</strong>.17: Stellerbetrieb im ersten und zweiten Quadranten<br />
<strong>15</strong> Gleichspannungswandler<br />
(A) Motorbetrieb im 1. Quadranten (Tiefsetzsteller) (B) Generatorbetrieb im 2. Quadranten<br />
In der Datei quadrant1u2_gmn.ssh wird die mechanische Umschaltung simuliert.<br />
Die Schalterstellung in Bild <strong>15</strong>.18 entspricht dem Betrieb im ersten Quadranten.<br />
Durch eine sprunghafte Änderung des Drehmomentes wird die Stromumkehr erzwungen.<br />
Der zeitliche Drehmomentenverlauf wird als Sollwert mit dem Sprungmakro vorgegeben.<br />
Zu diesem Zweck wird das Widerstandsmoment über den Namen MW des<br />
Makros mit der fremderregten Gleichstrommaschine verbunden. Bei 100 ms soll<br />
sich das Moment umkehren. Das Simulationsergebnis in Bild <strong>15</strong>.19 zeigt, dass sich<br />
die Gleichstrommaschine schon beim Einschalten dreht. Dadurch wird der Anlaufstrom<br />
verkleinert. Die Drehzahl ist im Maßstab 1/10 im Oszillogramm aufgezeichnet.<br />
Der pulsierende Ankerstrom folgt der gepulsten Ankerspannung. Durch die<br />
Momentenumkehr arbeitet die Maschine generatorisch im zweiten Quadranten und<br />
die Drehzahl steigt. Entsprechend der mechanischen Zeitkonstante eilt der Strom<br />
dem Momentenverlauf nach. Das Trägheitsmoment und die Erregung der Maschine<br />
können für weitere Experimente über das Eigenschaftenmenü der Maschinenkennlinien<br />
verändert werden.
<strong>15</strong>.3 Gleichstromstellerschaltungen für den Ein- und Zweiquadranten-Betrieb 237<br />
Bild <strong>15</strong>.18: Umschaltung für den Betrieb im ersten und zweiten Quadranten<br />
Im Falle der Stromumkehr ist aus Bild <strong>15</strong>.17 zu entnehmen, dass bei eingeschaltetem<br />
Ventil die Klemmenspannung der Maschine Null ist. Der Ankerstrom nimmt<br />
ab. Bei ausgeschaltetem Ventil liegt die volle Gleichspannung an der Maschine<br />
und der Laststrom nimmt zu. Die Diode wird jetzt leitend und speist in ihrer Funktion<br />
als Rückspeisediode RD Energie ins Netz. Die Schaltung arbeitet als Hochsetzsteller.<br />
Die Arbeitsweise der Diode hat sich grundsätzlich gegenüber dem Betrieb<br />
im ersten Quadranten geändert. Beim Tiefsetzsteller arbeitete sie als Freilaufdiode<br />
FD, die die Energiezufuhr aus dem Netz unterbricht und den Laststrom<br />
aus dem mechanischen und dem induktiven Speicher übernimmt.<br />
Bild <strong>15</strong>.19: Betrieb im ersten und zweiten Quadranten<br />
Der Zweiquadranten-Antrieb bei Ankerstromumkehr ohne mechanische Umschaltung<br />
wird durch die Schaltung nach Bild <strong>15</strong>.20 bei gegenphasiger Taktung zweier<br />
Ventile realisiert. Sie kann mit der Datei quadrant1u2gmn.ssh simuliert werden.<br />
Das Steuerverfahren: GTO1 und GTO2 werden gegenphasig geschaltet, d.h., während<br />
der Zeit te ist GTO1 ein- und GTO2 ausgeschaltet, während ta ist GTO2 eingeschaltet<br />
und GTO1 ausgeschaltet.
238<br />
Bild <strong>15</strong>.20: Zweiquadranten-Betrieb<br />
<strong>15</strong>.3.4 Zweiquadranten-Betrieb mit Spannungsumkehr<br />
<strong>15</strong> Gleichspannungswandler<br />
Das Bild <strong>15</strong>.21 zeigt in A die Strombahnen für den Zweiquadranten-Betrieb mit<br />
Spannungsumkehr und in B den Vierquadranten-Betrieb.<br />
(A) Motor- und Generatorbetrieb im 1. und 4. Quadranten (B) Motor- und Generatorbetrieb im allen 4 Quadranten<br />
Gleichzeitige Taktung<br />
Bild <strong>15</strong>.21: Spannungsumschaltung und Vierquadranten-Betrieb<br />
Bei der gleichzeitigen Taktung werden die Ventile GTO1 und GTO2 in der Simula<br />
tionsschaltung (Bild <strong>15</strong>.22) gleichzeitig ein- und ausgeschaltet. Der Vorgang ist<br />
in der Datei quadrant1u4g.ssh realisiert. Zum Vergleich wird die alternierende<br />
Taktung in der Datei quadrant1u4a.ssh untersucht.
<strong>15</strong>.3 Gleichstromstellerschaltungen für den Ein- und Zweiquadranten-Betrieb 239<br />
Bei der gleichzeitigen Taktung werden die Ventile mit gleichen Steuerimpulsen<br />
durchgeschaltet. Im eingeschalteten Zustand liegt die Spannung Ud an der Maschine.<br />
Der Gleichstrom steigt mit der Zeitkonstanten τL = RA/LA an. Werden die<br />
Ventile abgeschaltet, wechselt der Laststrom auf die Dioden D1 uund D2. Die<br />
Spannung kehrt das Vorzeichen um und ist jetzt -Ud.<br />
Bild <strong>15</strong>.22: Betrieb im ersten und vierten Quadranten<br />
Während der Stromführungszeit der Dioden wird Leistung aus dem Lastkreis in<br />
die Spannungsquelle zurückgespeist. Sie arbeiten als Rückspeisedioden. Mit erneutem<br />
Einschalten der Ventile wiederholt sich der Vorgang. Ebenso wie beim<br />
Einquadranten-Gleichstromsteller lückt der Strom bei Entlastung. Es enstehen<br />
wieder Absätze in den Flanken der Spannungsblöcke.<br />
Das Übersetzungsverhältnis ü bei gleichzeitiger Taktung beträgt:<br />
Alternierende Taktung<br />
U L Pd<br />
ü = = = 2a<br />
−1<br />
(<strong>15</strong>-11)<br />
U S<br />
d<br />
Bei der alternierenden Taktung nach der Schaltung im Bild <strong>15</strong>.22 ist bei nicht lückendem<br />
Strom und uL > 0 immer GTO2 stromführend, während GTO1 innerhalb<br />
einer Periodendauer T nur für die Dauer te eingeschaltet ist. Wenn beide elektronischen<br />
Schalter leitend sind, liegt an der Maschine die Spannung Ud. Wird GTO1<br />
abgeschaltet, fließt in dem aus GTO2 und D2 gebildeten Freilaufkreis der Laststrom<br />
iL weiter und die Lastspannung uL wird Null. Wird der GTO1 wieder eingeschaltet,<br />
ist erneut uL = Ud. Wenn GTO2 ausgeschaltet wird, kommutiert der Laststrom<br />
iL auf den Freilaufkreis, der jetzt aus den Schaltelementen GTO1 und D1<br />
gebildet wird. Die Lastspannung uL ist durch den Freilaufkreis wieder kurzgeschlossen<br />
und wird folglich Null. Das Übersetzungsverhältnis ü bei alternierender<br />
Taktung ist im nicht lückenden Betrieb genauso groß wie beim Einquadranten-Steller:
240<br />
Beispiel 5<br />
U Pd<br />
ü = = = a<br />
U S<br />
d<br />
<strong>15</strong> Gleichspannungswandler<br />
L (<strong>15</strong>-12)<br />
Entsprechend der beiden Steuerkennlinien in Bild <strong>15</strong>.23 wird für beide Taktungen<br />
die Lastspannung auf den gleichen Mittelwert UL = -0,5 Ud im vierten Quadranten<br />
auf halbe negative Spannungsmittelwerte gesteuert. Aus Bild <strong>15</strong>.23 folgt für die<br />
alternierende Taktung das Tastverhältnis a = -0,5 und für die gleichzeitige Taktung<br />
a = 0,25. Die Ergebnisse sind in den Diagrammen Bild <strong>15</strong>.24 und Bild <strong>15</strong>.25 zu<br />
sehen.<br />
1<br />
-1 1<br />
-1<br />
Bild <strong>15</strong>.23: Vergleich der Übersetzung<br />
Der Strom ist in beiden Diagrammen positiv und die Drehzahl bleibt fast konstant<br />
und liegt bei -4200 U/min im Maßstab 1/10. Da der Vergleich für die selben Mittelwerte<br />
der Spannung erfolgte, ergibt sich auch die gleiche Drehzahl. Der Laststrom<br />
stellt sich entsprechend dem Moment der Gleichstrommaschine ein.<br />
Bild <strong>15</strong>.24: Strom und Spannung und Drehzahl bei alternierender Taktung (a = -0,5)<br />
a
<strong>15</strong>.3 Gleichstromstellerschaltungen für den Ein- und Zweiquadranten-Betrieb 241<br />
Bild <strong>15</strong>.25: Strom, Spannung und Drehzahl bei gleichzeitiger Taktung (a = 0,25)<br />
Bild <strong>15</strong>.26: Pulse der gleichzeitigen Taktung<br />
Obwohl die Spannungsmittelwerte gleich sind, unterscheiden sich die Momentanwerte<br />
von Laststrom und Spannung erheblich. Die charakteristischen Werte der<br />
alternierenden Taktung entsprechen denen des Einquadranten-Stellers. Die Harmonischen<br />
der getakteten blockförmigen Lastspannung uLν für ν = 1;2;3... sind bei<br />
gleichzeitiger Taktung nach Gleichung (<strong>15</strong>-13) doppelt so groß wie bei alternierender<br />
Taktung. Die Welligkeiten verhalten sich ebenso.<br />
gleichzeitige Taktung alternierende Taktung<br />
U νL 2<br />
U νL 2<br />
= 2 sin ( aνð<br />
)<br />
= sin ( aνð<br />
)<br />
U<br />
w<br />
u<br />
d<br />
νð<br />
2<br />
a − a<br />
=<br />
a − 0,<br />
5<br />
U<br />
w u<br />
d<br />
=<br />
ν ð<br />
1<br />
−1<br />
a<br />
(<strong>15</strong>-13)
242<br />
<strong>15</strong> Gleichspannungswandler<br />
Deswegen ist die alternierende Taktung gegenüber der gleic hzeitigen Taktung vorzuziehen.<br />
Auch die folgende Leistungsbilanz ergibt, dass die alternierende Taktung<br />
der gleichzeitigen Taktung überlegen ist. Die Bilder <strong>15</strong>.26 und <strong>15</strong>.27 zeigen<br />
die Pulse für beide Taktungen.<br />
Bild <strong>15</strong>.27: Pulse der alternierenden Taktung<br />
Unter der ideellen Voraussetzung, dass der Eingangs strom id ein ideal geglätteter<br />
Gleichstrom ist, kann die Leistungsbilanz mathematisch formuliert werden. Wenn<br />
die Scheinleistung am Eingang S = Ud IL ist, folgen mit S 2 = Q 2 +Pd 2 die Gleichungen<br />
(<strong>15</strong>-14), die in Bild <strong>15</strong>.28 ausgewertet wurden.<br />
Die Berechnung kann als Orientierung für die Leistungsbilanz im Datenanalyseprogramms<br />
DAY dienen. Da der Strom der Analyse den realen Bedingungen entspricht<br />
und nicht rechteckförmig ist, sondern sich aus e-Funktionsabschnitten zusammensetzt,<br />
sind Abweichungen zu den Simulationsergebnissen zu erwarten.<br />
Bild <strong>15</strong>.28: Leistungen über dem Tastverhältnis a<br />
gleichzeitige Taktung alternierende Taktung<br />
P d P d<br />
= ( 2a<br />
−1)<br />
= a<br />
U I<br />
d<br />
Q<br />
U<br />
L<br />
U I<br />
2<br />
2<br />
= 2 a−a<br />
=<br />
a − a<br />
dI<br />
U<br />
L<br />
dI<br />
L<br />
d<br />
Q<br />
L<br />
(<strong>15</strong>-14)
<strong>15</strong>.4 Vierquadranten-Betrieb 243<br />
<strong>15</strong>.4 Vierquadranten-Betrieb<br />
Die vier Betriebsarten zeigt Bild <strong>15</strong>.29. Der Vierquadranten-Gleichstromsteller<br />
(Bild <strong>15</strong>.30) folgt aus der Antiparalle lschaltung zweier Zweiquadranten-Gleichstromsteller.<br />
Es werden jetzt vier abschaltbare Ventile und vier Dioden eingesetzt.<br />
Diese Schaltung ist auch mit den oben genannten Verfahren der gleichzeitigen<br />
oder der alternierenden Taktung steuerbar. Die Dateien quadrant1_4.ssh und quadrant1_4_m.ssh<br />
enthalten den Vierquadrantensteller als Netzwerk und als Makroversion.<br />
UL ~ n<br />
Generatorbetrieb<br />
Rechtslauf<br />
Motorbetrieb<br />
Linkslauf<br />
Motorbetrieb<br />
Rechtslauf<br />
Generatorbetrieb<br />
Linkslauf<br />
Bild <strong>15</strong>.29: Betriebsarten<br />
IL ~ MW<br />
Gene-<br />
Das Netzwerk Bild <strong>15</strong>.30 besteht aus zwei antiparallel geschalteten Wechselstrombrücken.<br />
Die abschaltbaren Ventile GTO1 bis GTO4 bilden die eine Brücke und<br />
die Dioden D1 bis D4 die andere. Um einen Kurzschluss der Gleichspannungsquelle<br />
zu vermeiden, dürfen die zu einem Brückenzweigpaar gehörenden Schalter nie<br />
gleichzeitig leitend sein. Deswegen werden nur GTO1 und GTO2 gezündet, wenn<br />
positiver Laststrom fließt, und GTO3 und GTO4 bei negativem Strom. Bei der<br />
Aussteuerung des Vierquadranten-Gleichstromstellers auf den Gleichspannungsmittelwert<br />
UL = 0 ist uL eine Wechselspannung. Der Vierquadranten-Gleichstromsteller<br />
hat die gleiche Struktur wie der einphasige, selbstgeführte Stromrichter. Er<br />
arbeitet je nach Energiefluss als Gleich- oder als Wechselrichter.<br />
Bild <strong>15</strong>.30: Gleichstromsteller für Vierquadranten-Betrieb
244<br />
Beispiel 6 (SIMPLORER)<br />
<strong>15</strong> Gleichspannungswandler<br />
Zum Betrieb in den vier Quadranten wird im Beispiel 6 ein Rechteckgenerator<br />
eingesetzt. Es wird mit dem Tastverhältnis a von 20 % mit den Amplituden 0,2<br />
und -0,2 und einer Frequenz von 6,66 Hz bei alternierender Taktung umgeschaltet.<br />
Die Stromumschaltung erfolgt separat durch einen Momentensprung bei<br />
t = 300 ms.<br />
In Bild <strong>15</strong>.31 sind die Oszillogramme von Strom und Spannung der Gleichstrommaschine<br />
in allen vier Quadranten zu sehen. Der Betrieb beginnt im ersten Quadranten<br />
bei positiven Strom- und Spannungswerten. Anschließend wird die Spannung<br />
umgeschaltet und die Schaltung arbeitet im vierten Quadranten bei positivem<br />
Strom und negativer Spannung. Das entspricht einer Drehzahlumkehr der Maschine.<br />
Bei 0,3 s wird das Moment umgeschaltet. Die Spannung ist positiv bei negativem<br />
Strom. Wir sind im zweiten Quadranten beim generatorischen Bremsbetrieb.<br />
Im dritten Quadranten ab 0,45 s arbeitet die Maschine wieder als Motor mit entgegengesetzter<br />
Drehrichtung zum ersten Quadranten. Entsprechend der mechanischen<br />
Zeitkonstanten folgt die Drehzahl der Spannungsumschaltung nur langsam.<br />
Bild <strong>15</strong>.31: Vierquadranten-Betrieb