Antriebssystem für höchste Geschwindigkeiten - Bergische ...
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6. Realisierungsmöglichkeiten für die Leistungsendstufe 85 6.1.2 Modulationsverfahren In der Antriebstechnik wird als Modulationsverfahren die Raumzeigermodulation, das Unterschwingungsverfahren oder ein hysteresebasiertes Zweipunkt-Regelverfahren (Hystereseregler) verwendet. Alle Verfahren haben spezielle Einsatzgebiete, in denen ihre Vorteile optimal genutzt werden können. Die Eigenschaften und Vorteile der einzelnen Modulationsverfahren sind in [50] ausführlich dargestellt. Aufgrund der hohen Schaltfrequenz und des fehlenden Signalrechners kann die Raumzeigermodulation hier nicht eingesetzt werden. Der Hystereseregler ist sehr einfach zu parametrieren, liefert jedoch keine feste Schaltfrequenz. Eine konstante Schaltfrequenz ist für die Auswertung der Klemmenspannung der Maschine jedoch wünschenswert. Als einfaches Modulationsverfahren mit hinreichend guten Eigenschaften wird das Unterschwingungsverfahren eingesetzt. Es ist preisgünstig in Hardware zu realisieren und kann an die erforderliche hohe Schaltgeschwindigkeit angepasst werden. Bild 6.5 veranschaulicht das Prinzip. u s * a u s * b u s * c Abtastung Verriegelung 300 kHz 80 MHz A Clk-a B Clk-b C Clk-c a1 a2 b1 b2 c1 c2 1 A a1 0 1 0 1 a2 0 Verriegelung a) Signalflussbild b) Verriegelung in der Phase a Bild 6.5: Unterschwingungsverfahren für 300 kHz Schaltfrequenz Die Sollspannungszeiger der drei Strangspannungen werden jeweils mit einer in Frequenz und Amplitude konstanten Dreieckspannung verglichen (Bild 6.5a). Die Frequenz der Dreieckspannung entspricht der Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter. Um eine möglichst hohe Auflösung zu erreichen, werden schnelle Komparatoren mit digitalen Ausgängen eingesetzt. t t t
6. Realisierungsmöglichkeiten für die Leistungsendstufe 86 Das Funktionsprinzip des Komparators bedingt die Einführung einer Hysterese. Da die Frequenz des Dreiecksignals konstant und bekannt ist, bietet sich die Einführung der zeitlich begrenzten Hysterese (siehe Kapitel 4.1.4) an. Die Hysterese kann hier auf digitaler Ebene realisiert werden. Dazu wird der Komparatorausgang mit einer hohen Frequenz abgetastet. Ändert sich der Pegel des Ausgangs, wird die Abtastung für einen begrenzten Zeitraum unterdrückt und so der Ausgangspegel des Komparators festgehalten. Das Ausgangssignal der Komparatoren entspricht dem Sollwert für den Schaltzustand der jeweiligen Halbbrücke. Zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter wird dieses Signal in zwei Steuersignale für den oberen und unteren Transistor einer Halbbrücke aufgeteilt. Bedingt durch die endlichen und unterschiedlichen Schaltzeiten der Leistungshalbleiter kann im Umschaltaugenblick ein Brückenkurzschluss entstehen. Dies kann sicher vermieden werden, wenn beim Schalten eine Warte- oder Verriegelungszeit eingeführt wird. Bild 6.5b zeigt beispielhaft die Zeitverläufe der Steuersignale für eine Phase. Durch die Wartezeit entspricht das Ausgangssignal der Halbbrücke nicht mehr exakt dem Sollsignal des Modulators. Es entsteht eine stromrichtungsabhängige Verzerrung der Statorspannung [51]. Durch den Einsatz schnellschaltender Feldeffekttransistoren beträgt die Verriegelungszeit nur ca. 1 % der Verriegelungszeit eines modernen Industrieumrichters für Servoantriebe. Der Spannungsfehler durch die Verriegelungszeit kann daher trotz hoher Schaltfrequenz vernachlässigt werden. 6.1.3 Verhalten im Bremsbetrieb Ein besonderer Betriebsfall für den Antrieb stellt das aktive Bremsen dar. Im Bremsbetrieb erzeugt die Maschine ein gegenüber dem Antriebsfall negatives Drehmoment. Die Maschine arbeitet generatorisch und speist Energie in den Wechselrichter zurück. Da die induzierte Spannung der Maschine immer kleiner als die Zwischenkreisspannung des Wechselrichters ist, arbeitet der Wechselrichter als Hochsetzsteller. Die Funktion des Hochsetzstellers beruht auf der Zwischenspeicherung von Energie in einer Speicherinduktivität. In der Speicherphase wird die
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Das Funktionsprinzip des Komparators bedingt die Einführung einer<br />
Hysterese. Da die Frequenz des Dreiecksignals konstant und bekannt ist,<br />
bietet sich die Einführung der zeitlich begrenzten Hysterese (siehe Kapitel<br />
4.1.4) an. Die Hysterese kann hier auf digitaler Ebene realisiert werden.<br />
Dazu wird der Komparatorausgang mit einer hohen Frequenz abgetastet.<br />
Ändert sich der Pegel des Ausgangs, wird die Abtastung <strong>für</strong> einen begrenzten<br />
Zeitraum unterdrückt und so der Ausgangspegel des Komparators<br />
festgehalten.<br />
Das Ausgangssignal der Komparatoren entspricht dem Sollwert <strong>für</strong> den<br />
Schaltzustand der jeweiligen Halbbrücke. Zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter<br />
wird dieses Signal in zwei Steuersignale <strong>für</strong> den oberen<br />
und unteren Transistor einer Halbbrücke aufgeteilt.<br />
Bedingt durch die endlichen und unterschiedlichen Schaltzeiten der Leistungshalbleiter<br />
kann im Umschaltaugenblick ein Brückenkurzschluss entstehen.<br />
Dies kann sicher vermieden werden, wenn beim Schalten eine<br />
Warte- oder Verriegelungszeit eingeführt wird. Bild 6.5b zeigt beispielhaft<br />
die Zeitverläufe der Steuersignale <strong>für</strong> eine Phase.<br />
Durch die Wartezeit entspricht das Ausgangssignal der Halbbrücke nicht<br />
mehr exakt dem Sollsignal des Modulators. Es entsteht eine stromrichtungsabhängige<br />
Verzerrung der Statorspannung [51]. Durch den Einsatz<br />
schnellschaltender Feldeffekttransistoren beträgt die Verriegelungszeit<br />
nur ca. 1 % der Verriegelungszeit eines modernen Industrieumrichters <strong>für</strong><br />
Servoantriebe. Der Spannungsfehler durch die Verriegelungszeit kann<br />
daher trotz hoher Schaltfrequenz vernachlässigt werden.<br />
6.1.3 Verhalten im Bremsbetrieb<br />
Ein besonderer Betriebsfall <strong>für</strong> den Antrieb stellt das aktive Bremsen dar.<br />
Im Bremsbetrieb erzeugt die Maschine ein gegenüber dem Antriebsfall<br />
negatives Drehmoment. Die Maschine arbeitet generatorisch und speist<br />
Energie in den Wechselrichter zurück. Da die induzierte Spannung der<br />
Maschine immer kleiner als die Zwischenkreisspannung des Wechselrichters<br />
ist, arbeitet der Wechselrichter als Hochsetzsteller.<br />
Die Funktion des Hochsetzstellers beruht auf der Zwischenspeicherung<br />
von Energie in einer Speicherinduktivität. In der Speicherphase wird die
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