Drehstromschaltungen

133

9 Drehstromschaltungen

9.1 Die Mittelpunktschaltung M3

Für den Betrieb einer Mittelpunktschaltung ist ein Transformator zur Bereitstellung desMittelpunktanschlusses erforderlich. Die M3-Schaltung in Abb. 9-1 wird über einen Trans-formator in Dreieck-Stern-Schaltung (Dy) betrieben.

Die Ventile sind abwechselnd für jeweils 120° leitend. Wegen der Symmetrie des Drehspan-nungssystems sind die Effektivwerte der drei Phasenspannungen gleich, d. h. US1 = US2 = US3= US. Die nicht leitenden Ventile sind mit einer verketteten uV Spannung belastet. Die natürliche Ablösung der Ventile erfolgt unter dem Einfluss der Phasenspannungen u1, u2und u3 unmittelbar im Spannungsschnittpunkt. Dieser Punkt liegt im Nulldurchgang der ver-ketteten Spannungen, die als Kommutierungsspannungen bezeichnet werden. Wenn z. B. dieSpannung u21 positiv wird, so schaltet in Abb. 9-4 Ventil V2 ein und das leitende Ventil V1 ab.Bei natürlicher Kommutierung bzw. = 0° ist somit immer das Ventil mit der momentanhöchsten Spannung leitend. Bei einer gesteuerten Schaltung wird die Stromübergabe auf dasnächste Ventil bei positiver Kommutierungsspannung erst durch einen Zündimpuls ausgelöst.

Abbildung 9-1 Vollständiges und vereinfachtes Ersatzschaltbild

uS1 uS2 uS3

uS12

2U 2V 2WuS23

uS31

iS1

T1 uT1 T2 T3

iS2 iS3

ud

id

1U 1V 1W

iP1 iP2 iP3

i1

2N

T

u1 u2 u3

uT1

ud

T1 T2 T3

id

R L Uq

iS1

b)

a)

u12 u23

u31

R L Uq

K

NP

NS

134 9 Drehstromschaltungen

9.1.1 GleichspannungsbildungDie natürliche Kommutierung der Ventile lässt sich durch ein Schaltermodell nach Abb. 9-3darstellen. Die möglichen Schalterstellungen sind in der Tabelle aufgeführt, den resultierendenGleichspannungsverlauf ud zeigt Abb. 9-4.

Abbildung 9-2 Zur Ventilablösung im Drehspannungssystem (V2 löst V1 ab)

S Winkelbereich + - ud

1 0° - 120° u1 0 u1

2 120° - 240° u2 0 u2

3 240° - 360° u3 0 u3

Abbildung 9-3 Schaltermodell und Schaltzustände der M3-Schaltung

u1

u2

u3

1

2

3

S

ud

+

Abbildung 9-4 Drehspannungssystem mit Gleichspannungsbildung

u1

u2 uV2

V1 leitet

M

V2

u 0 u1 uV2 u2uV2 u2 u1 u21

u1 u2

u21120°

id

u3

t

V3

V1 V2 V3

u1 u2 u3

t

1 2 3 Schalterstellung

23

9.1 Die Mittelpunktschaltung M3 135

9.1.1.1 Ohmsche Last

Für die Berechnung des Gleichspannungsmittelwertes wird in Abb. 9-5 zweckmäßigerweiseder Nullpunkt des Koordinatensystems so gelegt, dass die Gleichspannung ud durch eine cos-Funktion beschrieben wird. Aus Symmetriegründen ist ûd = ûS .

U di = 32

3

3

ud d t (9-1)

Die Auflösung von Gl. (9-1) liefert für die Gleichspannung Udi:

Udi3 32

uS3 3

2US = 3

2UV mit U V 3U S und 3

20,675 (9-2)

Das bedeutet, das eine ungesteuerte M3-Schaltung am 230/400 V Drehspannungsnetz eineGleichspannung von Udi = 270 V liefert. Bei der gesteuerten M3-Schaltung ist die Gleichspan-nung Udi abhängig vom Steuerwinkel . Da bei Steuerwinkeln > 30° auch negative ud-Werteauftreten, ist eine Fallunterscheidung für den lückenden und nichtlückenden Betrieb bei30° erforderlich. Abb. 9-6 stellt die Gleichspannung ud an der Lückgrenze bei = LG = 30°dar. Die Gleichspannung Udi berechnet sich für 0° 30° nach Gl. (9-3).

Durch Einsetzen der Grenzen in Gl. (9-1) erhält man für Udi (nichtlückender Betrieb):

(9-3)

Hinweis: sin sin cos sin cos

Abbildung 9-5

Definition der Gleichspannung ud( = 0°, V1 leitet)

3 3

ud

0 t

u1 u2u3

ûS

3t

3 : ud uS cos t

Abbildung 9-6

Gleichspannungsverlauf beim Betrieb an derLückgrenze

= LG = 30° ( /6)

t

ud

0

ûd

3 3

0 30 ° : U di

uS23 3

3

cos t d t U di U di cos


Steuerwinkel > 30°:Bei einem Steuerwinkel von > 30° nimmt ud auch negative Werte an. Bei ohmscher Lastführt eine negative Gleichspannung zu einem sofortigen Verlöschen der Ventile. Bis zumfolgenden Zündimpuls ist dann in Abb. 9-7 der Gleichstrom und die Gleichspannung Null(Stromlücken).

30° 150° (lückender Betrieb)

30° 150° : Udi

U di

31 cos 30° (9-4)

Der Lückeinsatz lässt sich durch einen induktiven Energiespeicher zu höheren Steuerwinkelnverschieben. Bei negativer Gleichspannung ud bleibt der positive Gleichstrom noch solangeerhalten, bis die in der Last gespeicherte Energie aufgebraucht ist. Ein Lückeinsatz ist dahervon der Lastzeitkonstanten L mitbestimmt. Bei einer passiven R-L-Last (Verbraucher) kannder lückfreie Betrieb jedoch nur bei positivem Gleichspannungsmittelwert erreicht werden.Befindet sich auf der Lastseite eine aktive Last (Energiequelle), so tritt der Lückbetrieb auchbei negativen Gleichspannungsmittelwerten nicht oder nur verzögert auf.

Abbildung 9-7

Steuerwinkel: 30° < 150°Lückende Ausgangsspannung der M3-Schaltung(R-Last)

U di1

23 3

2

uS cos t d t 32

uS sin2

sin3

Eine Umformung mit sin sin cos sin cos führt auf :

Udi

3uS

21 sin cos

3cos sin

3 mit

3 uS

2

Udi

3

Udi 3Udi 1 12

sin 32

cos U di

31 c sin

arctan

32

12

60° c 12

2 32

21 sin cos 90°

3 t0

ud

ûd

3

150°


9.1.1.2 Aktive Last

Ist der Gleichstrom durch eine aktive Last eingeprägt, so leiten die Ventile weiter, obwohlnegative Momentanwerte der Gleichspannung auftreten. Eine Fallunterscheidung ist nichterforderlich. Den Spannungsverlauf zeigt Abb. 9-8.

(9-5)

Stellt man die Gleichspannung Udi bezogen auf Udi über dem Steuerwinkel dar, so erhältman die Steuerkennlinien nach Abb. 9-9.

Abbildung 9-8

Gleichspannung bei eingeprägtem Strom

– aktive Last, Steuerwinkel: 0° 180°

0° 180° : Udi

uS

23 3

3

cos t d t sin sin cos sin cos

Udi uS3 32

cos U di cos

Abbildung 9-9

M3-Steuerkennlinie der Gleichspannung fürunterschiedliche Lastfälle

Oberhalb der Lückgrenze = LG = 30° ver-laufen beide Kennlinien unterschiedlich. Beieiner aktiven Last ist der lückfreie Betriebtheoretisch bis zu einem Steuerwinkel von180° möglich. Bei ohmscher Last ist dieSteuergrenze 150°, da wegen des Lückbe-triebes an den Ventilen jeweils nur einePhasenspannung anliegt. Die Phasenspan-nungen haben ihren Nulldurchgang 30° vorden verketteten Spannungen.

Udi = 30°U di

31 cos 30° 30° U di cos 30° U di

12

3

t0

ûd

ud

33

30°

180°0

-1

ohmsche Last

eingeprägter Gleichstrom

Aktive Last

Udi

U di

1

90°

32

LG

Lückgrenze


9.1.2 Ventilbelastung

Die Spannungsbelastung der Ventile ist durch die Momentanwerte der verketteten Spannungenfestgelegt. Die Strombelastung folgt aus der Art der Last, wobei hier wieder zwischenohmscher Last und idealer Glättung unterschieden wird.

9.1.2.1 Spannung

Zur Darstellung einer Ventilspannung wird für die möglichen Schaltzustände eine Potenzialbe-trachtung von Anoden- und Kathodenseite durchgeführt. Das Potenzial K entspricht derGleichspannung ud. Die Ventilspannung uV ergibt sich als Differenz von Anoden- und Ka-thodenpotenzial. Die möglichen Zustände für Ventil V1 sind in Tab. 9.1 zusammengestellt.Abb. 9-12 und 9-13 zeigt die Ventilspannung uV1 bei einer gesteuerten M3C-Schaltung fürohmsche Last und eingeprägtem Gleichstrom bei = 60°.

Tabelle 9.1 Ventilspannung uV1

leitend: A K uV1

V1 u1 u1 0

V2 u1 u2 u12

V3 u1 u3 u13

Lücken: u1 0 u1

Abbildung 9-10 Ungesteuerte M3-SchaltunguV1 A K

Abbildung 9-11 Ventilspannung uV1 einer ungesteuerten M3-Schaltung

u13u12

uRM

t

u1 u2 u3

ud

uV1

u

u1

V1

u2

V2

u3

V3

R

ud

uV1

A

K


Abbildung 9-12 Ventilspannungsbildung bei ohmscher Last und = 60°

t

= 60° u1 u2 u3

u12 u13

tuV1

u1

Lücken

Abbildung 9-13 Ventilspannung bei eingeprägtem Strom und = 60°

= 60° u1 u2 u3

u12 u13

t

tuV1

u1


9.1.2.2 StromFür die Berechnung der Verlustleistung mit Hilfe der Knick-Kennlinie wird der Mittel- undEffektivwert des Ventilstromes benötigt. In Tab. 9-2 sind für typische Lastfälle (R-Last undideale Glättung) die Berechnungen dieser Werte angegeben.Tabelle 9.2 Ventilstrom bei unterschiedlicher Last

Ohmsche Last Ideale Glättung

Definition des Gleichstromes

Mittelwert

iV 12

3

3

id cos t d t

12

id sin3

sin3

I V id3

2id 0,276

Effektivwert

3 3

îV

iV

0 t2 23

iV

Id

0 t2

3t

3 id id cos t

3

t5 3

id 0

0 t23

id I d

2 3

t 2 id 0

iV1

2 0

23

I d d t

I V1

2I d

23

0I d3

I VRMS1

23

3

id2 cos2 t d t

id1

212

t 14

sin 2 t

3

3

id 0,4853

IVRMS Id 0,588 mit I d id3 32

I VRMS1

2 0

2 3

I d2 d t

12

I d2 2

30

I d

3

IVRMS Id 0,577


9.1.3 Netzstrom

Die Ströme in Abb. 9-14 beziehen sich auf die M3C-Schaltung nach Abb. 9-1. Die Gleichan-teile der Ventilströme iS1 ... iS3 werden vom Transformator nicht übertragen, so dass sich diePrimärströme entsprechend Abb. 9-14 einstellen. Vereinfachend sei NS = NP angenommen.Die Zusammenfassung von iP1 und iP3 liefert im Knoten K (Abb. 9-1) den Leiterstrom i1.

Die Transformator-Stromeffektivwerte berechnen sich bei der gegebenen Kurvenform zu:

Primärstrom I P1

223

I d

2 23

13

I d

2 43

Id2

3(9-6)

Sekundärstrom: I S1

2I d

2 23

I d13

(9-7)

Als Summenleistung der 3 Sekundärwicklungen ergibt sich mit Gl. (9-2) zu:

SS 3 US I S

3 U di01,17

I d

3Pd

31,17

1,48 Pd (9-8)

Die Summenleistung der 3 Primärwicklungen ergibt sich zu:

S P 3 I PU P 3 I PU S 3 Id2

3

Udi01,17

Pd2

1,171,21P d

(9-9)

Für die Primärseite gilt: K: i 0 i1 iP1 iP3 daraus folgt i1 iP1 iP3

Abbildung 9-14 Primärströme eines idealen Transformator in DY-Schaltung nach Abb. 9-1 und Netz-strom i1 bei idealer Stromglättung und NS = NP

iP1

t

iP2

iP3

i1

t

t

t

IdI d3


Daraus kann die Bauleistung STr des Transformators ermittelt werden:

S T

SP SS2

1,21 1,482

Pd 1,35 Pd(9-10)

9.1.4 Die Kommutierung

Wie bei der M2 Schaltung erläutert, verzögern wechselspannungsseitige Induktivitäten dieVentilablösung. In Abb. 9-15 sind diese Induktivitäten wieder durch L berücksichtigt. AusSymmetriegründen wird L für alle Stränge gleich groß angenommen. Reduziert man dasSchaltbild auf den an der Ventilablösung beteiligten Stromkreis, so erhält man mit Abb. 9-16zur M2-Schaltung vergleichbare Verhältnisse. Die Stromverläufe zeigt Abb. 9-17.

Die Kommutierungsspannung uK wird durch die kommutierenden Ventile bestimmt. Als Bei-spiel wird die Kommutierung von V1 nach V2 ausgewählt (uK = u21). Im Gegensatz zur M2-Schaltung beträgt die Phasenverschiebung hier nur 120°, so dass die KommutierungsspannunguK nur um 3 größer ist als die Phasenspannung.

Abbildung 9-15

M3-Schaltung mit Kommutierungsinduktivitäten

Die Ventile V1, V2 und V3 lösen sich innerhalb einerNetzperiode durch die Kommutierungsspannungengegenseitig ab und bilden eine Kommutierungs-gruppe. Der Gleichstrom id ist eingeprägt.

Die Kommutierungszahl q ist 3.

L

ud

V1

V2

V3

u1 L

id = konstant

iV1

K

iV2

iV3

M

u2

u3

L

L

Abbildung 9-16 Ventilablösung bei ungesteuerten Ventilen (natürliche Kommutierung)

u1

u2 uV2

V1

M

V2

u1 u2

u21120°

id

u3 V3

u21

u0

Id

iV2

iV1

tiV2

iV1

u 0 u1 uV2 u2uV2 u2 u1 u21


9.1.4.1 Einfluss auf die GleichspannungFür die Kommutierung von V1 nach V2 gilt dasErsatzschaltbild nach Abb. 9-19. Die Verhält-nisse unmittelbar vor der Kommutierung, wäh-rend und nach erfolgter Kommutierung zeigt dasZeigerdiagramm in Abb. 9-18.

Abbildung 9-17 Netz- und Primärströme des DY-Transformators mit Kommutierungseinfluss

Abbildung 9-18 Kommutierung V1 nach V2

u21 u2 u1

u1

u2 u3

12

u3

12

u21

Vor der Kommutierung,V1 leitend

Während der Kommutierung,V1 und V2 leitend

u1 Nach der Kommutierung,V2 leitend

Abbildung 9-19 Spannungsverhältnisse beider Kommutierung von V1 nach V2

V1u1 uL

M

K

u21

ud u2

iV1

iV2 idV2

uL

u0

V1 V2

iP1

iP2

iP3

Id

i1

t

t

t

t


Während einer Kommutierung verläuft die Gleich-spannung auf dem halben negativen Wert der jeweils nichtan der Kommutierung beteiligten Phasenspannung.Die Gleichspannung ud wird zunächst von der Phasen-spannung u1 gebildet (Abb. 9-18, ), dann für die Dauerder Kommutierung von (–u3/2) und schließlich von u2.

Den entsprechenden Verlauf der Gleichspannung udzeigt Abb. 9-20 für = 0° und Abb. 9-21 für = 90° bzw.150°. Die Leit- und Kommutierungszustände sind in Tab.9.3 zusammengefasst.

M : u 0 u2 uL

ud

aus Symmetriegründen ist

uL

u212

Aus M folgt daher für ud :

ud u2

u212

u32

Abbildung 9-21 Gleichspannung bei = 90° und = 150° (WR-Betrieb)

u u = 150°

u1 u2 u3

t

u1 u2 u3

t

= 90°

Tabelle 9.3 Leitzustände mit Kommutierungen

leitend: ud

V1 u1

V2 u2

V3 u3

V1 V2 -½ u3

V2 V3 -½ u1

V3 V1 -½ u2Abbildung 9-20 Steuerwinkel = 0°

= 0°u0

u1 u2 u3

u22

u32

u12

t


9.1.4.2 Berechnung des induktiven Gleichspannungsabfalls

Die Berechnung des Gleichspannungsabfalls, der während einer Kommutierung durch dieKommutierungsreaktanzen hervorgerufen wird, geht zunächst von den beteiligten Wechsel-spannungen aus. Es wird die Spannungszeitfläche A abhängig vom Gleichstrom Id und derInduktivität LK berechnet. Das Ergebnis zeigt, dass die bei der M2-Schaltung ermittelten Be-ziehungen auch bei der M3-Schaltung anzuwenden sind, wenn die Kommutierungszahlenbeider Schaltungen berücksichtigt werden.

Berechnung der Spannungszeitfläche A:

Spannungszeitfläche A uS12

3 1 cos u0 (9-11)

Durch Mittelwertbildung erhält man die induktive Gleichspannungsänderung Udx:

uS: Scheitelwert der PhasenspannunguS u1 u2 u3

A

u0

u S

6

u S sin t 6

u S

2cos t

23

u

t

UdxA

23

A uS

u

sin t6

d t 12

uS

u

cos t d t

Anmerkung: sin t6

sin t cos6

cos t sin6

A uS cos6

u

sin t d t sin6

u

cos t d t 12

u

cos t d t

wegen sin6

12

und cos6

12

3 folgt:

A uS12

3u

sin t d t uS12

3 cos t u uS12

3 cos cos u

Es ist cos u cos 1 cosu0 , so dass für A folgt :


wegen 1 cosu0

Id

LK

uK

ist Udx US3

232

Id

LK

uK

ferner ist uK

2 3US

und LK

2 L so dass für Udx

schließlich folgt

Udx

uK

2 33

232

I d 2 L

uK

(9-12)

oderU

dx3 L f I

d (9-13)

Wird Udx auf die ideelle Gleichspannung Udi bei Nennstrom Id,n bezogen, so erhält man dierelative induktive Gleichspannungsänderung dx nach Gl. (9-14).

d x

Udx

Udi

mit U di3 3

2U S ( I d I d,n ) (9-14)

Die Kennlinie des Stromrichters kann mit dx abhängig vom Gleichstrom Id nach Gl. (9-15) an-gegeben werden:

(9-15)

Die M3-Schaltung zeigt mit Gl. (9-13) und Gl. (9-15) die gleichen Zusammenhänge für deninduktiven Spannungsabfall wie die M2-Schaltung. Deshalb ist der dort gewählte Ansatz auchhier, unter Berücksichtigung der höheren Kommutierungszahl q, anwendbar. Die für die M2-Schaltung gefundenen Zusammenhänge sind somit übertragbar auf 3-phasige Schaltungen.Das Lastverhalten der Gleichspannung Udi ist daher mit Gl. (9-16) unter Berücksichtigungder unterschiedlichen Kommutierungszahl q allgemein für beide Mittelpunkt-Schaltungenbeschrieben. L ist die pro Strang wirksame Induktivität.

Udx

q L f Id M2: q = 2, M3: q = 3 (9-16)

Die Belastungskennlinie entspricht unter Berücksichtigung des Ohmschen Spannungsabfallsund des Ventilspannungsabfalls somit der in Abb. 8-24 angegebenen Kennlinie.

UdU di

1 d x

I dI d,n

Udx

uS

12

3 1 cosu0

23

2US12

3 32

1 cos u0 U S3

232

1 cos u0


9.1.4.3 Kommutierungseinfluss auf die VentilspannungDie Induktivitäten L bilden während der Kommutierung einen induktiven Spannungsteiler,der neben der Gleichspannung ud auch die Ventilspannung uV beeinflusst. In Tab. 9.4 sind alleinteressierenden Zustände der M3-Schaltung aufgeführt. Die Zeitverläufe zeigt Abb. 9-23.

Tabelle 9.4 Potenziale und uV1 (id = konstant)

leitend: A K uV1

V1 u1 u1 0

V2 u1 u2 u12

V3 u1 u3 u13

V1 V2 -½ u3 -½ u3 0

V2 V3 u1 -½ u1 1½ u1

V3 V1 -½ u2 -½ u2 0

Abbildung 9-23 Ventilspannung uV1 unter Berücksichtigung der Überlappung ( = 60°)

u1

t

K= 60°

1½ u1

t

Kommutierungs-einfluss

u2 u3

uV1

u12 u13

A

Abbildung 9-22 M3C-Schaltung mit Kommutierungs-induktivitäten

Ld

ud

V1 u1 L

id = konstant

iV1

iV2

iV3

u2

u3 V2

V3

A KuV1 L

L


9.2 Die Brückenschaltung B6

Die Reihenschaltung einer M3-Kathoden- und einer M3-Anoden-Schaltung führt auf die B6-Brückenschaltung nach Abb. 9-24. In dieser Schaltung sei der Sternpunkt noch zugänglich, sodass auch weiterhin die Gleichspannung ud1 bzw. ud2 verfügbar ist.

9.2.1 Gleichspannungsbildung

Aus der Maschengleichung u 0 ud,1 ud ud,2 folgt Gl. (9-17) für dieGleichspannung ud der B6-Schaltung nach Abb. 9-24. Für ud ist kein Sternpunkt erforderlich.

ud ud,1 ud,2 (9-17)

Die Schnittpunkte der Phasenspannungen beider M3-Schaltungen sind um 60° gegeneinanderverschoben. Die Spannung ud arbeitet daher sechspulsig (p = 6). Die Strom- und Spannungs-belastung der Ventile entsprechen weiterhin denen der M3-Schaltung.

Abbildung 9-24 B6-Schaltung mit Dy-Transformator und aktiver Last

uS1 uS2 uS3

uS12

2U 2V 2WuS23

iS1

T1

iS2 iS3

ud

id

1U 1V 1W

iP1 iP2 iP3

i1

T

T3

T5

T4

T6

T2

Anodenschaltung Kathodenschaltung

ud1 ud2

iT1 iT4

R L Uq

K

uS31

9.2 Die Brückenschaltung B6 149

9.2.2 Leitzustände der Ventile

Es sind immer zwei Ventile gleichzeitig leitend, eines in der oberen Brückenhälfte (Plus-klemme, Potenzial +) und eines in der unteren Brückenhälfte (Minusklemme, Potenzial ).Durch die Führung der Netzspannung erfolgt bei einer ungesteuerten Schaltung bzw. bei =0° die Umschaltung der Ventile jeweils im Schnittpunkt der Phasenspannungen. Dadurch leitetin jeder Brückenhälfte das Ventil mit der momentan höchsten Phasenpannung. In derDarstellung nach Abb. 9-25a ist die B6-Brücke nach 9-25b durch ein Schaltermodell ersetzt.Die sechs möglichen Schaltzustände zeigt Tab. 9.5, die entsprechenden Zeitverläufe zeigt Abb.9-26. Die Ventilleitdauer ist durch die jeweils wirksame verkettete Spannung bestimmt undbeträgt 120°. Die Leitzustände der Ventile in der oberen und unteren Brückenhälfte überlappensich um 60°. Der Lückeinsatz erfolgt bei der B6-Schaltung im Schnittpunkt derPhasenspannungen und daher erst bei = 60°.

Tabelle 9.5 Schaltzustände und Gleichspannung der B6-Schaltung

Stellung

Nr. S+ S+ ud

1 1 2 0° - 60° u1 u3 u13

2 3 2 60° - 120° u2 u3 u23

3 3 4 120° - 180° u2 u1 u21

4 5 4 180° - 240° u3 u1 u31

5 5 6 240° - 300° u3 u2 u32

6 1 6 300° - 360° u1 u2 u12

Abbildung 9-25 Schaltermodell der B6-Schaltung

13

5

46

2

id

ud

S+

S

ud

V1

u2

u3

V3 V5

V4 V6 V2

u1

i1

iV1

iV4

Ku2

u3

u1

a) b)


Die Gleichspannungsberechnung der Kurvenform von ud nach Abb. 9-26 erfolgt über 60° nachAbb. 9-27. Das Ergebnis der Berechnung für Udi bei = 0° (ungesteuerte Schaltung) zeigt Gl.(9-18). (UV: Effektivwert der verketteten Spannungen).

(9-18)

Abbildung 9-26 Spannungsbildung bei der B6C-Schaltung ( = 0°)

Abbildung 9-27 Gleichspannungsbe-rechnung der B6-Schaltung

6 6

uv

ûv

t

U di

uV

3 6

6

cos t d t

U di 3 2 U V sin6

sin6

U di 3 2 U V mit 3 2 1,35

tUdi2

Udi1

Udi

ud

t

t

1 2 3 4 5 6

60°

u1 u2 u3

u12 u13 u23 u21 u31 u32 u12

u1 u2u3

9.2 Die Brückenschaltung B6 151

9.2.3 StromrichtereingangsstromDer Stromrichtereingangsstrom setzt sich je Phase aus zwei Ventilströmen zusammen. ZurErmittlung von i1 in Abb. 9-28 dient die Knotengleichung (9-19). (K: siehe Abb. 9-25b).

K: i 0 i1 iV1 iV4 folgt : i1 iV1 iV4 (9-19)

Ideale Glättung Ohmsche Last

Abbildung 9-28 Eingangsstrom der B6-Schaltung bei idealer Glättung und ohmscher Last

9.2.4 NetzstromFür den idealen Transformator in Dy-Schaltung mit aktiver Last (Abb. 9-24) ergeben sich fürden Netzstrom i1 und die Primärströme für NS = NP die in Abb. 9-29 dargestellten Verläufe.

tiV4

i1

iV1

t

t

tiV4

i1

iV1

t

t

Abbildung 9-29 Zur Bildung des Netzstromes i1 (ideale Glättung)

iP1

iP2

iP3

i1

t

i P1 I d

N SN P

mit NP = NS

2 3

t

t

t


Ein Vergleich mit den entsprechenden Größen der M3-Schaltung nach Abb. 9-14 zeigtdeutlich den Vorteil der höherpulsigen B6-Schaltung. In allen Wicklungen fließen reineWechselströme und die Netzstromkurvenform ist symmetrisch.

9.3 ZündimpulseDie Zündreihenfolge entspricht der natürlichen Ventilablösung der B6-Brückenschaltung ent-sprechend Abb. 9-25. Da für einen geschlossenen Stromkreis immer zwei Ventile gleichzeitiggezündet werden müssen, wird jeweils ein zusätzlicher Zündimpuls (Folgeimpuls) für den2. Thyristor erzeugt. An einem Thyristor entsteht daher eine Zündimpulsfolge nach Abb. 9-30.

Der erste Impuls eines Thyristors heißt Hauptimpuls, der zweite, 60° spätere Impuls, heißtFolgeimpuls. Der Hauptimpuls ist um den Steuerwinkel gegenüber dem Schnittpunkt derPhasenspannungen verschoben. Erst durch den Folgeimpuls kann die Schaltung in Betriebgehen und auch im Lückbetrieb sicher arbeiten. Abb. 9-31 zeigt das vollständige Zündimpuls-schema einer B6C-Brückenschaltung (Bezugsventil V1).

Abbildung 9-30 Impulsfolge eines Thyristors

FolgeimpulsHauptimpuls60°

t

Abbildung 9-31 Impulsschema der B6C-Brückenschaltung ( = 0°)

u1

t

Steuerwinkel

u2 u3

u

V1

V2

V3

V4

V5

V6

60°

Hauptimpuls

Folgeimpuls

t

t

t

t

t

t

9.3 Zündimpulse 153

Die Synchronisation des Steuerwinkels erfolgt mit der Netzspannung. Durch in der Praxisauftretende Kurzzeit-Unterbrechungen oder Spannungsoberschwingungen darf die Synchro-nisation nicht gestört werden. Die Filterung der Netzspannung erfolgt daher mit einer digitalenPLL-Schaltung entsprechend Abb. 9-32. Diese Schaltung synchronisiert sich auf die Grund-schwingung der Netzspannung. Auf Grund der geringen Eigenfrequenz des PLL werden diegenannten Störungen der Netzspannung unterdrückt. Wählt man als Referenzspannung uRefdie Leiterspannung u13, so ist der Zündimpuls ZI 1 dem Ventil 1 zugeordnet. Wird der Teiler-faktor n zu 360 eingestellt, so hat die Zählfrequenz fclock die 360-fache Frequenz der Netz-spannung f1 und die nachgeschaltete digitale Zählschaltung arbeitet mit einer Winkelauflösungvon 1°.

Die Zündimpulse ZI 1-6 haben stationär einen Abstand von jeweils 60°. Die Zündimpulsewerden z. B. über eine Diodenschaltung in Abb. 9-33 zu den Gateimpulsen mit Haupt- undFolgeimpulsen für die einzelnen Thyristoren zusammengefasst. Ein Schalttransistor steuertanschließend über einen Impulsübertrager den Thyristor an (weitere Einzelheiten zurThyristor-Ansteuerung in Kapitel 5.3.3).

Abbildung 9-32 Impulserzeugung und Synchronisation mit der Netzspannung durch eine PLL-Schaltung

Abbildung 9-33

Zündverstärker mit Bildung der Folgeimpulseüber eine Diodenverknüpfung

Für Thyristor 1 ist der Zündübertrager mitFreilaufkreis dargestellt.

Die Ansteuerung der Thyristoren 2-6 erfolgtanalog zu Thyristor 1 (G1-K1).

G1

K1

15 V

ZI 1

ZI 2

ZI 3

ZI 4

ZI 5

ZI 6

PLL-Schaltung

PD VCO

1/n

Tiefpassfclock

uRefZI 1

ZI 2

ZI 3

ZI 4

ZI 5

ZI 6

f1

PD: Phasendiskriminator

VCO: spannungsgesteuerter Oszillator


9.3.1 GleichspannungsbildungDie Gleichspannung ud folgt aus der Potenzialdifferenz zwischen oberer und unterer Brücken-hälfte, d. h. ud = + - –. Abb. 9-34 zeigt die Potenziale und die resultierende Gleichspannungfür die Lückgrenze bei = 60°. Abb. 9-35 zeigt beispielhaft die Gleichspannung im Lück-betrieb bei ohmscher Last und = 90°.

Abbildung 9-34 Gleichspannungsbildung der gesteuerten B6-Schaltung ( = 60°)

u32 u12 u23u13u31 u21 u31

+

Folgeimpuls

ud

Hauptimpuls

u3 u1 u2u3

u3 u1 u2u3

t

t

t

= 60°

= 60°


Abbildung 9-35 Gleichspannungsbildung im Lückbetrieb mit ohmscher Last ( = 90°)

u2u1 u3

u32

u3

u12

u23 u13

u31 u21 u31

u32

= 90°

t

u3+

= 90°

Folgeimpuls

ud

Lückeinsatz

Hauptimpuls

Folgeimpuls

Hauptimpuls

Lückeinsatz

Lückeinsatzu1 u3u2

t

t


9.3.2 Einfluss der Kommutierungen

Wie bereits bei der M2- und M3-Schaltung dargelegt, beeinflussen die wechselspannungsseiti-gen Induktivitäten, die pro Strang mit L zusammengefasst werden, sowohl die Gleich-spannung als auch die Ventilspannung. Bei der B6-Schaltung arbeiten die beiden Kommutie-rungsgruppen um 60° versetzt, so dass alle 60° eine Kommutierung erfolgt. Den Einfluss derKommutierungen auf die Gleichspannung ud bei ideal geglättetem Gleichstrom id zeigt Abb. 9-37. Den Einfluss auf die Ventilspannung zeigt Abb. 9-38. Tab. 9.6 gibt die möglichenSchaltzustände, Potenziale und Spannungen der B6C-Schaltung nach Abb. 9-36 an.

Tabelle 9.6 Potenziale und Spannungen der B6C-Schaltung mit Kommutierungseinfluss für u < 60°

leitend:

+ -A

K

+- uV1 ud

1 V3 V2 V4 -½ u2 u2 -½ u2 -1½ u2 1½ u2

2 V3 V4 u1 u2 u1 u12 u21

3 V3 V5 V4 u1 -½ u1 u1 1½ u1 -1½ u1

4 V5 V4 u1 u3 u1 u13 u31

5 V5 V4 V6 -½ u3 u3 -½ u3 -1½ u3 1½ u3

6 V5 V6 u1 u3 u2 u13 u32

7 V5 V1 V6 -½ u2 -½ u2 u2 0 -1½ u2

8 V1 V6 u1 u1 u2 0 u12

9 V1 V6 V2 u1 u1 -½ u1 0 1½ u1

10 V1 V2 u1 u1 u3 0 u13

11 V1 V3 V2 -½ u3 -½ u3 u3 0 -1½ u3

12 V3 V2 u1 u2 u3 u12 u23

Abbildung 9-36

B6C-Schaltung mit wechsel-spannungsseitigen Induktivitäten(je Strang zu L zusammengefasst)

ud

u3

V1

id

LuV1

L1

N

V3 V5

V4 V6 V2

L3

L2

u2

u1

A

K = +

L

L


Abbildung 9-37 Gleichspannung mit Kommutierungseinfluss ( = 60°)

u32 u12 u23u13u31 u21 u31

u32

-

u3+

= 60°

u12

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1

t

t

ud

u3u2u1

u3

t

u3u2u1


Abbildung 9-38 Potenziale und Ventilspannung der B6-Schaltung für Id = konstant, R = 0 und = 60°

K

A

u13u12

u2

2

u3

2

= 60°

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1

-1,5 u2

u3

u1

2

u1 u2

t

u3 u1 u2

t

t

uV1 -1,5 u31,5 u1


Eine Simulation der B6C-Schaltung nach Abb. 9-36 mit unterschiedlichen Steuerwinkelnzeigen die Kurvenverläufe nach Abb. 9-39. In Abb. 9-39 ist neben LN auch der Einfluss desohmschen Wicklungswiderstandes R berücksichtigt (vgl. Abb. 9-38, = 60°).

Abbildung 9-39 Ventilspannung bei unterschiedlichen Steuerwinkeln (Id = konstant, R > 0)

30°

0°

60°

u31

tuV1

90°

uV1

uV1

uV1

t

t

t


9.4 12-pulsige Schaltungen Werden zwei B6-Brückenschaltungen mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 30°betrieben, so lässt sich die effektive Pulszahl p der Gleichspannung ud auf 12 verdoppeln. Zudiesem Zweck ist der Transformator T in Abb. 9-42 mit zwei unterschiedlicher Schaltgruppenbestückt, z. B. Yy6 und Dy5. Es stellt sich zwischen den entsprechenden Leiterspannungen aufder Sekundärseite eine Phasenverschiebung von 30° ein.

Die sekundären Spannungssysteme sind potenzialfrei, so dass die einzelnen B6-Brücken-schaltungen sowohl in reihe als auch parallel betrieben werden können.

Bei einer Parallelschaltung entstehen durch die unterschiedlichen Momentanwerte der Gleich-spannungen ud1 und ud2 Ausgleichströme über die Transformatorwicklungen. Zur Unter-drückung dieser Ausgleichströme ist eine Entkopplungsdrossel LS entsprechend Abb. 9-41bund 9-44 erforderlich. An der Drossel LS liegt als Differenz der 6-pulsigen Gleichspannungenud1 und ud2 eine 6-pulsige Wechselspannung ud.

ud ud1 ud2 mit ud 0 (9-20)

Die Gleichspannung ud hat bei der Reihen- und Parallelschaltung eine 12-pulsigeWelligkeit.

Abbildung 9-40

Stromrichter-Transformator für eine12-pulsige Schaltung

Die Windungszahlen auf der Sekun-därseite müssen so gewählt werden,dass die Beträge der verkettetenSpannungen gleich sind. Dann sindauch die Mittelwerte der Gleich-spannungen ud1 und ud2 gleich.

Abbildung 9-41 Reihen- und Parallelschaltung

ud,1

ud,2

ud

idid,1

id,2

idid~ LS

ud,1 ud,2

a) Reihenschaltung b) Parallelschaltung

ud

u1S12

u2S12

uP12

L1

L2

NP N1S

u2S23

u1S23

B6

B6

ud1

ud2

N1S3NP

L3

9.4 12-pulsige Schaltungen 161

9.4.1 Stromrichter-Reihenschaltung

Abbildung 9-42

12-Puls-Schaltung (B6C) 2S

ud ud1 ud2

Abbildung 9-43

Reihenschaltung,12-pulsige Spannungs-bildung

Die Reihenschaltung von zwei 6-pulsigen,30° versetzten Span-nungen (ud1 und ud2)liefert eine 12-pulsigeGleichspannung (ud).

t

ud

2

ud1 ud2

30°

i1S1

i2S1

u1S12

u2S12

uP12

L1

L2

L3

id

ud

NP

NP N2S

N1S

ud1

ud2

i2P1

i1P1iP1


9.4.2 Stromrichter-Parallelschaltung

Die Induktivität LS begrenzt den Differenzstrom id~. Für den magnetischen Kreis der Saug-drossel liegt eine Wechselstrombelastung vor, da sich die gegensinnigen Gleichanteile immagnetischen Kreis aufheben. Die Drossel hat in dieser Ausführung eine günstige Baugröße.

Der Vorteil 12-pulsiger Schaltungen liegt in der günstigen Netzstromkurvenform und in dergeringen Welligkeit der Gleichspannung. Auf zusätzliche Glättungsmittel kann häufig ver-

Abbildung 9-45 Parallelschaltung, 12-pulsige Gleichspannung, Drosselspannung und -strom

Abbildung 9-44

12-Puls Saugdrossel-schaltung (B6C) 2P

id id1 id2

uLS ud1 ud2

i1S1

i2S1

u1S12

u2S12

uP12

L1

L2

L3

id1

ud

NP

NP N2S

N1S

id2

id

ud2

ud1

uLS

i2P1

i1P1iP1

t

2

ud = ud1 - ud2

ud

id~

ud1 ud2

9.4 12-pulsige Schaltungen 163

zichtet werden. Der in Abb. 9-46 dargestellte Verlauf des Phasenstromes iP1 ermittelt sich mitGl. (9-21). Die Ströme sind in Abb. 9-44 definiert.

iP1 i1P1 i2P1 (9-21)

Die Qualität des Netzstromes ist durch die vergrößerte Pulszahl deutlich verbessert, so dasssich der Filteraufwand reduzieren lässt. Ferner ist die Ansprechzeit des Stromrichters mitzunehmender Pulszahl reduziert, wodurch sich eine bessere Regeldynamik erzielen lässt. Eintypisches Anwendungsbeispiel für 12-pulsige Stromrichter sind die Hochspannungs-Gleich-strom-Übertragungen (HGÜ) und Kurzkupplungen entsprechend Abb. 9-47.

HGÜ: Bei der Energieübertragung über große Strecken wird zur Vermeidung induktiverSpannungsabfälle und der damit verbundenen Verluste die elektrische Energie mitGleichstrom übertragen. Die Station 1 arbeitet im Gleichrichterbetrieb, die Station II imWechselrichterbetrieb. Die Spannung wird so hoch gewählt, dass der Strom (der die ohmschenVerluste bestimmt) möglichst klein ist, aber die Koronaverluste aufgrund der hohen Spannungnoch klein genug sind. Hier ist eine Spannung von 500 kV angenommen. Bei einemGleichstrom von z. B. 2 kA kann damit eine Leistung von 1000 MW übertragen werden.Üblich sind Zweipol-Übertragungen mit einer Plus- und einer Minus-Leitung. Damit auch bei

Abbildung 9-46

Ermittlung desNetzstromverlaufs iP1

12-pulsiger Strom-richter in Reihen- oderParallelschaltung.

Abbildung 9-47 Grundsätzlicher Aufbau einer HGÜ-Anlage

ti1P1

i2P1

iP1

t

t

B6C

B6C

B6C

B6C

Station II, WechselrichterStation I, Gleichrichter

+500 kV

-500 kV

Pol A

Pol B

P


Ausfall einer Leitung eine Leistungsübertragung möglich ist, wird ein dritter Leiter (Erde odereine weitere Leitung) verwendet. Als Stromrichter werden 6-pulsige Brücken eingesetzt, diezur Erzeugung der hohen Spannung in Serie geschaltet sind. Die Speisung durch Stern-Dreieckschaltung ergibt eine 12-pulsige Anordnung. Auf der Wechselstromseite werdenSaugkreise und Kondensatoren zur Filterung der Oberschwingungen und zur Kompensationder Blindleistung verwendet.

Mit den Filterelementen sind elektrische Verluste bis zu mehreren hundert kW in den erforder-lichen Dämpfungswiderständen verbunden.

Kurzkupplungen: Zur Verbindung von zwei Netzen mit entweder unterschiedlicher Frequenzoder mit schwankender Phasenlage werden ähnliche Schaltungen wie bei der HGÜ verwendet.Allerdings sind meist beide Stromrichter in einem Gebäude untergebracht. Die fehlendeÜbertragungsstrecke ermöglicht niedrigere Spannungen (ca. 50 bis 200 kV). Die Spannungwird zweckmäßig so hoch gewählt, dass der Gleichstrom Id bei der maximal zu übertragendenLeistung keine Parallelschaltung der Thyristoren erfordert (derzeit: Id < 4000 A).

9.5 Höherpulsige SchaltungenMit zusätzlichen Transformatorwicklungen lässt sich die Pulszahl noch weiter anheben. Beiz. B. 3 sekundären Drehstromwicklungen, die jeweils um 20° versetzte Drehspannungssystemeliefern müssen, erhält man eine 18-pulsige Gleichspannung, bei 4 Sekundärwicklungen diejeweils um 15° versetzt arbeiten, erreicht man eine 24-pulsige Gleichspannung.

Die erforderliche Phasendrehung erfolgt durch Kombination von jeweils zwei Phasenspan-nungen über die Transformatorwicklungen entsprechend Abb. 9-48. Die Beträge der einzelnenSpannungen müssen einander entsprechen.

Abbildung 9-48

Drehung eines Drehspannungssystems durchKombination von Phasenspannungen

Der Schwenkwinkel wird über die anteiligenWindungszahlen derTransformatorwicklungen festgelegt.

Schwenkwinkel

Drehstromschaltungen

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