Selbstgeführte Wechselrichter: -

Selbstgeführte Wechselrichter:
Es steht eine Gleichspannung zur Umwandlung in Wechselspannung zur Verfügung. Meist wird eine Brückenschaltung
mit Transistoren als Wechselrichter eingesetzt. Durch gegenphasiges Schalten der Brückenzweige wird
an der Last eine rechteckförmige Spannung eingeprägt. Daher auch der Name „Spannungswechselrichter“. Die
Stromform durch die Last hängt von deren Impedanz ab. Mit dieser Schaltung kann die Ausgangswechselspannung
in Amplitude und Frequenz verändert werden.
Die Gleichspannung kann aus einer Batterie oder über einen Gleichrichter vom Netz bezogen werden. Im letzteren
Fall spricht man auch von einem Frequenzumrichter, da die Netzspannung in eine Wechselspannung mit anderer
Frequenz umgewandelt werden kann.
Beispiel: Einphasiger Wechselrichter in
Brückenschaltung (W2C)
Die diagonal liegenden Schalter 1 und 2 werden
gleichzeitig eingeschaltet. Nach einer halben
+
id Periode werden sie ausgeschaltet und die Schalter
3 und 4 eingeschaltet. Am Brückenausgang
1
u L
3
entsteht eine rechteckförmige Wechselspannung.
Zwischen den Steuerimpulsen für die Schalter 1
und 4 (bzw. 2 und 3) ist eine Totzeit to notwendig,
damit kein Kurzschluß bei ungleich schnell
Ud iL R L
schaltenden Bauelementen entstehen kann. Damit
ist die Betriebsfrequenz eingeschränkt. Allerdings
erzeugen hohe Betriebsfrequenzen hohe
Schaltverluste.
4
2
In der Praxis bestimmen die thermischen
Verluste die maximale Betriebsfrequenz!
-
Bei induktiver Last (meist der Fall) hat der Strom nach dem Umschalten der Spannung einen exponentiell ansteigenden
(abfallenden) Verlauf. Daher sind für die Zeit nach der Spannungsumkehr Dioden notwendig, die den Strom solange
führen, bis auch dieser seine Richtung umgekehrt hat. In dieser Phase wird Energie in den Gleichstromkreis zurückgespeist
(daher auch Rückspeisedioden!).
u L
U d
- U d
i L
i d
Ohm’sche Last Induktive Last
T
t
t
t
u L
U d
- U d
i L
i d
I d
T
t
t
t

Ausgangsgrößen des Wechselrichters (Wechselstromseite)
ohmsche Last induktive Last dominiert
Spannungen: Scheitelwert $u L = U d
$u L = U d
Scheitelwert d. Grundschw.
4
$u 1L
= U d
π
4
$u 1L
= U d
π
Strom: Scheitelwert i$ L = U d / R $i
T U d
L =
4 L
Effektivwert I L = U d / R I L = i$
L / 3
Scheitelwert d. Grundschw. $i
4 U d
1L
=
π R
$i 1L 2T
U d
= 2
π L
Effektivwert d. Grundschw. I1L
=
1 4 U d
2 π R
I T U 2 d
1L = 2
π L
2 T
Leistung: Scheinleistung gesamt S = U d / R S I U
L U
= =
4 3
Grundschw. scheinleistung S
8
=
π
1 2
Wirkleistung gesamt P = U R
U
2
d
R
S
2
d / P
L d
2
d
4T
U d
=
π L
1 3
Grundschwingungsfaktor
g = S1 / S = 0, 81 g = 0, 89
Eingangsgrößen des Wechselrichters (Gleichstromseite):
2
2
U d
≈ mit τ = L / R
2 2
48τ f R
Spannung: Ud Ud Strom: Gleichstrommittelwert Id = I L = U d / R
U d
Id
≈
2 2
48τ f R
Effektivstrom IdRMS = I L = U d / R
T U d
IdRMS
=
4 3 L
Leistung: ges. Scheinleistung
2 T U d
S = P = U d / R
S ≈ U d IdRMS
=
4 3 L
aufgenommene Wirkleistung =abgegebene Wirkleistung!
Steuern der Ausgangsleistung:Über die Gleichspannung U d , die Frequenz f=1/T oder die Pulsbreite T1:
Für ohm'sche Last gilt:
T U T
U U I
P
T R T
U
2 1 d 2 1
d 2T
L = d L = =
R T
Wird das Tastverhältnis T1/T = 1/3 gewählt, werden die Oberschwingungen
zugunsten der Grundschwingung reduziert! (Die dritte Oberschwingung
verschwindet)
2
1
Steuersignal
T1
T
t
2

Wirkleistung
normiert
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
-0,2
-0,4
0,1
0,01
0,001
0,0001
Ausgangsleistung eines einphasigen Wechselrichters
1
0,01 0,02 0,03 0,04 0,06 0,10 0,16 0,25 0,40 0,63 1,00 1,58 2,51 3,98 6,31 10,00
v = 7
v = 3
v = 5
Frequenz * Lastzeitkonstante f*t
Grundschwingung
Wirkleistung
Leistungsfaktor
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
1,200
1,000
0,800
0,600
0,400
0,200
Oberschwingung mit der Ordnungszahl v
Oberschwingungen beim einphasigen Wechselrichter
v = 11
v = 9
Ausschaltphase PHI
Grund- und Oberschwingungsfaktor des einphasigen Wechselrichters
0,000
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
Ausschaltphase PHI
g = k =
2*PHI

Spannungsdimensionierung der Schalter
Durch das Abschalten des Transistors T1 kommutiert der Laststromes, der zu
diesem Zeitpunkt gerade seinen Scheitelwert erreicht hat, von T1 nach D4.
Dadurch entsteht an der Induktivität der Zuleitungen Ls eine Spannungsspitze.
Diese muß u. U. durch Beschaltungskondensatoren in der Höhe begrenzt werden.
Kurz vor der Kommutierung ist infolge des Laststromes in der Induktivität Ls
Energie gespeichert:
i = i$ W = L * i$
2
/ 2
U
Ls L Ls s L
CE1
= 0
Nach der Kommutierung:
Die Energie der Streuinduktivität schwingt in den Kondensator über und erzeugt an diesem die Überspannung ΔU.
Die zulässige Transistorsperrspannung UCE max muß größer als die Summe von Batteriespannung und Überspannung
sein!
i = 0 W = C∗ΔU / 2
Ls Ls
U = U + ΔU
< U
CE d CE max
2
Durch Vergrößern des Beschaltungskondensators C wird die Überspannung geringer. Die Überspannung klingt in
einer gedämpften Schwingung ab. Der Kondensator hat beim Wiedereinschalten des Transistors die Spannung Ud
und wird über den Transistor entladen. Der Widerstand R begrenzt diesen Entladestrom.
T1
T4
R
C
R
C
L s
D1
Last
D4
I L

Dreiphasenwechselrichter:
Zweistufenwechselrichter (Blockwechselrichter):
Werden drei Ventilzweige zur Erzeugung einer dreiphasigen Ausgangsspannung verwendet, so müssen diese um
T/3 zeitlich versetzt getaktet werden. In jedem Ventilzweig werden das obere und das untere Ventil wie beim einphasigen
Wechselrichter jeweils im Gegentakt geschaltet. Als Außenleiterspannung entstehen Spannungsblöcke
mit dem Scheitelwert Ud und einer Dauer von T/3. Aufgrund dieser Spannungsform wird diese Schaltung mit
diesem Betrieb als Blockwechselrichter bezeichnet.
U d
2
U d
2
=
=
M
+
-
1 3 5
4 6 2
i U
U V W
U
UN
U UV
N
i W
i V
i U
UV
U d
0 120 240 360 480
0 120 240 360 480
D1 T1 D4 T4 D1
Zweistufen WR
Effektive verkett.Spg. UUV /Ud 2 / 3 = 0, 817
Grundschwingungsampl. d. verk. Spg. Û1UV /Ud 2 3 / π = 1103 ,
Effektive Phasenspg. UUN /Ud 2 / 3 = 0, 471
Grundschwingungsampl. d. Phasenspg.Û1UN /Ud Ventilspannung (ohne Überspannungsspitzen)
2 / π = 0, 637
Ud Grundschwingungsfaktor g = U1 UV/UUV
3 /π
Pulswechselrichter:
In der oben gezeichneten Schaltung werden die Ventile eines Zweiges mit einer hohen Taktfrequenz (einige kHz)
so geschaltet, daß die Spannung an einer Phase aus Pulsen mit sinusförmig variierender Breite besteht. Wird diese
Ausgangsspannung über ein Tiefpaßfilter geführt, so wird die Ausgangsspannung sinusförmig. Voraussetzung
sind schnell schaltende Ventile mit niedrigen Schaltverlusten (meist IGBT’s, oder auch MOSFET’s oder Bipolare
Transistoren). Damit können Asynchronmotoren nahezu ideal in einem sehr weiten Drehzahlbereich verlustarm
angetrieben werden.
Blockschaltbild eines kompletten Pulswechselrichters:
Netz
1~, 3~
U , cos ϕ
N N
Gleichrichter Zwischenkreis Wechselrichter Motorfilter
Motor (ASM)
I
d
U
U d
V
W
ω t
ωt
U M I M cos ϕ Μ

Das Netzfilter dient zur Reduzierung der Netzstromoberschwingungen. Der Gleichrichter erzeugt die Zwischenkreis-Gleichspannung.
Soll diese verändert werden, wird ein gesteuerter Gelichrichter verwendet. Der Zwischenkreiskondensator
glättet die Zwischenkreisspannung. Die Glättungsdrossel im Zwischenkreis dient insbesondere
bei höheren Leistungen zur Verbesserung des Leistungsfaktors des Netzstromes. Der Wechselrichter dient zur
Erzeugung der dreiphasigen Wechselspannung. Das Motorfilter glättet die Ausgangsspannung und verhindert
einen ausgangsseitigen Totalkurzschluß des Wechselrichters.
Das nachstehende Bild zeigt, wie groß die Einschaltdauern von Transistor und Diode während einer Pulsperiode
sind, wie die Spannung einer Phase zwischen +Ud/2 und - Ud/2 geschaltet wird und wann die Transistoren bzw.
die Rückspeisedioden den Laststrom führen. Je größer die Phasenverschiebung zwischen Motorspannung und –
strom ist, desto größer wird der Diodenstrom, entsprechend kleiner der Transistorstrom und bei ϕ > 90 0 speist
der Motor Energie in den Gleichstromzwischenkreis zurück. In diesem Fall muß entweder der
Zwischenkreiskondensator die Energie aufnehmen (geht nur sehr kurze Zeit) oder ein zugeschalteter
Bremswiderstand vernichtet diese Energie. Bei längerer Rückspeisung (Bahnen) speist eine antiparallele
Gleichrichterschaltung diese Energie ins Netz zurück.
Einschaltdauer
100 %
50 %
0 %
Spannung
Größen des PWR:
Diode D1
Motor: P = 3* U M * I M *cosϕ $i = 2I
M M
3 U
Wechselrichter: d
UUV = U M = = 0, 612*
Ud
(Sinusbewertete Modulation)
2 2
Zwischenkreis: Id = P / Ud
(Gleichstrommittelwert)
I
d
3P
3
= = I M cos ϕ = 106 , * I M *cosϕ
(Sinusbewertete Modulation)
2 2U
2 2
M
Transistor T1
Strom
Diode D4
Transistor T1
Diode D4
Transistor T4
Diode D1