Lastgeführte Stromrichter

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11 Lastgeführte Stromrichter

Bei lastgeführten Stromrichtern erfolgt die Ventilablösung durch die Lastspannung bzw. denLaststrom. Die Ventilsteuerung erfolgt somit in Bezug auf die Spannung- bzw. Strom-nulldurchgänge der Last. Wir unterscheiden ein- und mehrphasige Schaltungen. Die Last kannpassiv als Schwingkreis (Schwingkreiswechselrichter) oder aktiv z. B. als Synchronmaschine(Stromrichtermotor) ausgeführt sein.

11.1 SchwingkreiswechselrichterSchwingkreiswechselrichter werden für ohmsch-induktive Verbraucher eingesetzt, die miteiner höherfrequenten Wechselspannung arbeiten. Der ohmsch-induktive Verbraucher wirdnach Abb. 11-1 mit einem Kompensationskondensator C zu einem Reihen- oder Parallel-schwingkreis zusammengeschaltet. Mit beiden Kompensationsarten lassen sich Wechselrichterunterschiedlichen Betriebsverhaltens aufbauen.

11.1.1 Betrieb mit eingeprägter Gleichspannung Für den Betrieb mit eingeprägter Spannung arbeitet die Schaltung nach Abb. 11-2 mit einerSerienkompensation. Die Schalter S1 und S2 haben die Stellungen +1 bzw. -1. Die Ausgangs-spannung uA ist durch die Schalter S1 und S2 eingeprägt und nimmt die Werte +/- U0 an.

Der Laststrom iA in Abb. 11-3 führt, angeregt durch die Spannung uA, eine gedämpfteSchwingung aus. Die Eigenfrequenz ist durch die Parameter des Schwingkreises festgelegt.Ohne Änderung der Schalterstellungen wäre nach Abklingen der Schwingung der Kondensatorauf U0 aufgeladen. Das ist aber nicht Zweck dieser Schaltung. Werden die Schalter S1 und S2im Nulldurchgang des Laststromes umgeschaltet, so wird eine neue Eigenschwingung iA2 an-

Abbildung 11-1 Kompensationsformen der LR-Last

Abbildung 11-2 Prinzip des Reihenschwingkreiswechselrichters

uA

RiA

iL

C

Serienkompensation Parallelkompensation

L

L

uA

CRiA

R

+1

-1

+1

-1L

iA

uA

C

S2S1U0

184 11 Lastgeführte Stromrichter

geregt (Abb. 11-3). Durch weitere Umschaltungen, jeweils im Stromnulldurchgang, entstehtein näherungsweise sinusförmiger Stromverlauf in der Last.

Abhängig vom verwendeten Halbleiterschalter können für die Zeitpunkte zur Spannungsum-schaltung Einschränkungen vorhanden sein. Durch die Eigenschwingung des Lastkreises hatbei der Serienkompensation der Laststrom, der gleich dem Ventilstrom ist, natürliche Null-durchgänge. Ohne äußeren Eingriff wäre bei einem Thyristorschalter die durch einmaligeVentilzündung angeregte Eigenschwingung nach einer Halbschwingung wieder abgebrochen.Damit eine periodische Schwingung auftritt, müssen die Thyristoren für die entgegengesetzteStromrichtung rechtzeitig gezündet werden. Geschieht dies unmittelbar im Stromnulldurch-gang, so wird die Spannung uA im Stromnulldurchgang umgepolt ohne die Freiwerdezeit (tq)für die Thyristoren abzuwarten. In diesem Fall kommt es zu einem Kurzschluss der Gleich-spannung über zwei in Reihe liegende Thyristoren (Wechselrichterkippen). Daher setzt manbei der Serienkompensation zusätzlich zu den Thyristoren antiparallele Dioden ein (Abb. 11-4). Über diese Dioden kann der Laststrom nach dem Nulldurchgang in entgegengesetzterRichtung zunächst weiterfließen. Die Spannungsverhältnisse an der Last bleiben dadurchunverändert (Abb. 11-5 Abschnitt a und b bzw. c und d). Erst nach Ablauf einer MindestzeittS, (tS: Schonzeit) die größer als die Freiwerdezeit tq sein muss, kann durch Zündung derentsprechenden Thyristoren auch die Verbraucherspannung uA umgeschaltet werden (Abb.11-5 Abschnitt c bzw. a).

Betrachtet man in Abb. 11-5 die positiven Nulldurchgänge von uA und iA, so ist leicht einzu-sehen, dass die Spannung uA dem Strom iA nacheilt. Es liegt durch Sicherstellung der Frei-werdezeit tq stets ein kapazitiver Betriebszustand vor. Da sich die L-C-Reihenschaltung nurunterhalb der Resonanzfrequenz f0 kapazitiv verhält, liegt die Arbeitsfrequenz fA immer unterf0 . Die Schaltung läuft daher auch selbsttätig an.

Abbildung 11-3

Stromverlauf beiSpannungs-umschaltungen

uAiA1

Stromnulldurchgang

Neue SchwingungUmschaltvorgang

+U0

-U0

iA2

t

Abbildung 11-4 Reihenschwingkreiswechselrichter mit Thyristoren

RL

uA

U0iA

D2

V1

V4

V3

V2

D3

D4

D1

C

Ri

i0

11.1 Schwingkreiswechselrichter 185

Der Grundschwingungs-Effektivwert der Ausgangsspannung UA,1 ist durch die Gleichspan-nung U0 eingeprägt. Der Effektivwert des Verbraucherstromes IA,1 stellt sich abhängig von derArbeitsfrequenz ein. IA,1 errechnet sich aus der Leistungsbilanz bei Vernachlässigung derWechselrichterverluste nach Gl. (11-1). Mit Berücksichtigung des Phasenverschiebungswinkel

( = 0 tS, tS = Schonzeit) erhält man für die Wirkleistungsübertragung:

Pd U0 I 0 U A,1 I A,1 cos (11-1)

Die Gleichstromquelle liefert die Wirkleistung Pd. Diese Wirkleistung entspricht der Grund-schwingungsscheinleistung multipliziert mit cos . Aus Gl. (11-1) folgt für den Effektivwertder Stromgrundschwingung IA,1:

I A,1

U 0 I 0

U A,1 cos(11-2)

Für den Grundschwingungseffektivwert UA,1 der rechteckförmigen Ausgangsspannung uAnach Abb. 11-5 erhält man durch Fourier-Analyse:

mit U A,1 U02 2 folgt I A,1 I 0 2 2

1cos

(11-3)

Bei = 0 ist der Eingangsgleichstrom I0 gleich dem Ausgangsstrom IA,1. Abhängig vomKehrwert des cos steigt der Ausgangsstrom IA mit zunehmendem Winkel an, wodurchsich die Strombelastung von den Thyristoren zu den Dioden verschiebt. Die Strombelastungder Dioden ist somit durch die Blindleistung der Last bestimmt. Höhere Ausgangsfrequenzen

Abbildung 11-5

Ströme und Aus-gangsspannungdes Reihen-schwingkreiswechselrichters

Annahmen:

sinusförmigerAusgangsstrom,ideale Ventile, Ri = 0.

t

U0uA

iA

tSi

i

iV1,2

iD1,2

iD3,4

iV3,4

a b c d a bui

t

t

t

t

Rückspeisung


als f0 können beim Reihenschwingkreiswechselrichter nur durch den Einsatz abschaltbarerVentile (GTO bzw. Transistor) erreicht werden.

11.1.2 Betrieb mit eingeprägtem Gleichstrom Diese Schaltung nach Abb. 11-7 arbeitet mit Parallelkompensation und eingeprägtem Gleich-strom. Der Ausgangsstrom hat abhängig von der Schalterstellung die Werte iA = ± I0.

Angeregt durch den Ausgangsstrom iA führt die Ausgangsspannung uA, die gleich der Kon-densatorspannung ist, eine Eigenschwingung aus. Schaltet man im Spannungsnulldurchgangden Strom iA um, so wird eine erneute Eigenschwingung ausgelöst (Abb. 11-8). Durch peri-odisches Umschalten der Stromrichtung lässt sich eine näherungsweise sinusförmige Span-nung uA erzeugen. Realisiert man die Schalter in Abb. 11-7 durch Thyristoren, so erhält mandas Schaltbild nach Abb. 11-9. Damit die Thyristoren sich gegenseitig ablösen können, musszum Umschaltzeitpunkt die Spannung uA so gepolt sein, das es beim Einschalten der nächstenThyristoren zum Abschalten der vorher leitenden Thyristoren kommt. Anschließend muss zurSicherstellung der erforderlichen Schonzeit tS die Polarität der Ausgangsspannung uA für die

Abbildung 11-7

Prinzip des Parallel-wechselrichters

Abbildung 11-6 Simulation der Ausgangsgrößen und des Eingangsstromes für Ri > 0 mitBerücksichtigung der Ventilspannungen für U0 = 20 V

uA

iA

t

U0

t

i0

uA

iA

Rückspeisung

i0

Ventilspannungsabfall

Ri · i0

+1

-1

+1

-1

C

RLiA

uA

iL

L0 I0

S1 S2


Dauer tS erhalten bleiben, damit es nicht zur Rückzündung der Thyristoren (Wechselrichter-kurzschluss) kommen kann.

Ein Vergleich der Nulldurchgänge von Strom und Spannung zeigt, das der Strom iA gegenüberder Spannung uA in Abb. 11-10 vorauseilend ist. Aufgrund der Freiwerdezeit tq liegt also wiebeim Reihenschwingkreiswechselrichter ein kapazitiver Betriebszustand vor. Dies setzt zumBetrieb des Parallelschwingkreiswechselrichter aber voraus, dass die Betriebsfrequenz fAgrößer sein muss als die Resonanzfrequenz f0. Zum Anlaufen der Schaltung ist derKondensator C deshalb vorzuladen. Der Ausgangsstrom iA ist rechteckförmig und durch denEingangsgleichstrom I0 eingeprägt. Der Laststrom iL verläuft nahezu sinusförmig. Die Höheder Ausgangsspannung UA stellt sich abhängig von den Betriebsparametern ein.

Abbildung 11-8 Spannungsverlauf bei Stromumschaltung im Spannungsnulldurchgang

Spannungs-nulldurchgang

iAuA

(1) Neue Schwingung

Umschalten im Spannungsnulldurchgang

+I0

-I0

uA(2)

t

Abbildung 11-9

Thyristor mit Parallel-kompensation

C

RLiA

uA

iL

L0 I0

uV1 V1

V4 V2

V3

Abbildung 11-10

Ventilspannung undAusgangsstrom

tS

iAuV1

t

I0

uA


11.1.3 Vergleich der WechselrichtertypenDer Parallelschwingkreiswechselrichter hat gegenüber dem Reihenschwingkreiswechselrichterden Vorteil, dass die Blindleistung direkt vom Kompensationskondensator C an die Last ge-liefert wird. Die Ventile sind daher nur durch die Wirkleistung belastet. Im Falle einesKurzschlusses begrenzt die eingangsseitige Drossel Ld den Stromanstieg, wodurch dieseSchaltung insgesamt betriebssicherer arbeitet. In beiden Schaltungen werden die Thyristorendurch die Spannung an der Last gelöscht. Deshalb bezeichnet man diese Schaltungen alslastgeführt. Damit die Schaltungen kommutieren können, muss die Betriebsfrequenz in einembestimmten Verhältnis zur Eigenfrequenz der Last stehen, so dass sich ein kapazitiv Verhalteneinstellt. Es zeigt sich, dass die Verwendung von Thyristoren mit Einschränkungen behaftetist:

Keine hohe Frequenzen mit Rücksicht auf die Thyristor-Freiwerdezeit.Die Betriebsfrequenz muss von der Resonanzfrequenz des Schwingkreises um einen be-stimmten Mindestwert abweichen und stets so gewählt werden, dass die Last ein kapaziti-ves Verhalten zeigt. Andernfalls werden die Thyristoren nicht gelöscht und der Wechsel-richter ist kurzgeschlossen.Ein Betrieb, bei der sich die Last induktiv verhält, ist nicht möglich.

Es zeigt sich, dass – insbesondere bei hoher Frequenz – ein Betrieb mit induktivem Verhaltender Last oder mit einer Frequenz, die sehr nahe bei der Resonanzfrequenz liegt, zu geringerenSchaltverlusten führt. Diese Betriebsweise erfordert jedoch den Einsatz abschaltbarerBauelemente. Am Beispiel des Reihenschwingkreiswechselrichter wird gezeigt, welcheMöglichkeiten der Einsatz abschaltbarer Ventile bieten kann.

11.1.4 Schwingkreiswechselrichter mit abschaltbaren VentilenEin Reihenschwingkreiswechselrichter mit abschaltbaren Ventilen ist in Abb. 11-11 darge-stellt. Die Transistoren T1 und T4 arbeiten im Gegentakt mit T2 und T3. Der Schaltzeitpunkt istunter Berücksichtigung einer Pausenzeit für die sichere Umschaltung beliebig einstellbar.

Für diese Schaltung sollen drei Betriebsfälle betrachtet werden:

Die Betriebsfrequenz ist niedriger als die Resonanzfrequenz.Der Wechselrichter möge zuerst mit einer Frequenz kleiner als die Resonanzfrequenzbetrieben werden, also mit kapazitiver Last. Die Verhältnisse entsprechen denen vomkonventionellen Thyristor. Beim Stromnulldurchgang fließt der Strom zunächst über dieFreilaufdioden (Abb. 11-12). Beim nächsten Einschalten kommutiert der Laststrom mit hoher

Abbildung 11-11

Schwingkreiswechsel-richter mit IGBT-Transistoren

uA

RU0

C

D1

iA

L

D2

T1

T2

C0

D3

D4

T3

T4


Steilheit von den Freilaufdioden zurück auf die Transistoren. An den Dioden treten dabei hoheStromsteilheiten auf. Wegen der Dioden-Rückstromspitzen entstehen in den Transistoren hoheEinschaltverluste. Es treten aber keine Ausschaltverluste auf.

Die Betriebsfrequenz ist gleich der Resonanzfrequenz.Wird der Wechselrichter schließlich mit Resonanzfrequenz betrieben, so treten keine Schalt-verluste auf.

Die Betriebsfrequenz ist höher als die Resonanzfrequenz.Wird der Wechselrichter mit einer höheren Frequenz als die Resonanzfrequenz betrieben, soverhält sich die Last induktiv. Dieser Zustand setzt abschaltbare Leistungshalbleiter voraus.Beim Abschalten der Transistoren kommutiert der Laststrom mit hoher Steilheit auf die Frei-laufdioden über. Dabei treten, abhängig vom Momentanwert des Laststromes, Ausschaltver-luste in den Transistoren auf. Nach dem Stromnulldurchgang übernehmen die eingeschaltetenTransistoren den Laststrom. Es treten keine Einschaltverluste auf. Bei dieser Betriebsarttreten im Schaltvorgang keine Rückstromspitzen auf, weshalb die auftretenden Schaltverlustebei induktiver Last kleiner sind als bei kapazitiver Last.

Man kann somit feststellen, dass bei einem Schwingkreiswechselrichter allgemein nur geringeSchaltverluste entstehen. Abhängig von der Betriebsart handelt es sich dabei entweder umEinschaltverluste oder um Ausschaltverluste. Die Frage nach den Schaltverlusten bei hohenSchaltfrequenzen ist besonders kritisch, weil sich durch eine Steigerung der Schaltfrequenz dieBaugröße der passiven Komponenten in Stromrichterschaltungen (Induktivität, Transfor-matoren, Kondensatoren) deutlich verkleinern lässt.

Abbildung 11-12

Kapazitive Last, f < f0

Verlauf von iD1 und iD2

Abbildung 11-13

Induktive Last, f > f0

Verlauf von iD1 und iD2

uA

Einschalten von T, KommutierungD1 T2

T1 D1Ablösung von T im Stromnulldurchgang

t

iA

iD1

iD2

t

U0

T2 D2Ablösung von T im Stromnulldurchgang

Einschalten von T1,Kommutierung D2 T1

t1

t2

im Stromnulldurchgang schaltet D aus und T1wird stromlos ein-geschaltet

t

Ausschalten von T1,Kommutierung T1 D2

uA

iA

U0

D1 T2

D1 T2

T2 D2 t


11.1.5 Strom- und spannungsloses SchaltenDer Einbau von Resonanzelementen wird allgemein so vorgenommen, dass ein elektronischerSchalter in Serie oder parallel zu einem Schwingkreis angeordnet ist. Die Schalterspannungoder der Schalterstrom können sich dann nicht mehr sprunghaft ändern. Dadurch lassen sichneben den Schaltverlusten auch die elektromagnetischen Eigenschaften der Schaltungverbessern. Die Anordnung der Resonanzelemente wird durch so genannte Quasiresonante-Grundschaltungen nach Abb. 11-14 beschrieben.

Liegt die Resonanzdrossel L in Reihe zum Transistor, so kann über einen Resonanzvorgangein stromloses Ausschalten erreicht werden. Dadurch entfallen die Ausschaltverluste. BeimEinschalten begrenzt die Induktivität den Stromanstieg und vermindert so die Einschaltver-luste. Es handelt sich hierbei um weiches Schalten, das Konzept wird als Zero Current Switch(ZCS, Abb. 11-14a und b) bezeichnet.Liegt der Kondensator parallel zum Transistor, so wird der Transistor im spannungslosen Zu-stand eingeschaltet. Beim Ausschalten begrenzt der Kondensator den Spannungsanstieg undvermindert so die Ausschaltverluste. Auch hierbei handelt es sich um einen weichenSchalterbetrieb, das Konzept wird mit Zero Voltage Switch (ZVS, Abb. 11-14c und d)bezeichnet.

ZCSDer Transistorstrom iT kann ina) nicht negativ werden, sodass für einenVollschwingungsbetrieb in b)eine zusätzliche parallele Diodeerforderlich ist.

ZVSDie Spannung in c) kann nichtnegativ werden. Entfernt manin c) die Diode, so liegt in d)ein Vollschwingungsbetriebvor.

Abbildung 11-14 Grundkonfigurationen zum strom- bzw. spannungslosen Schalten

ZCS: Zero current switchingSchalten bei Strom Null, Ausschaltentlastung

ZVS: Zero voltage switchingSchalten bei Spannung Null, Einschaltentlastung

i ia) b)

iT iC iT iC

uu

c) d)


11.1.6 Anwendungsbeispiel zum stromlosen Schalten (ZCS)

Ein Beispiel für eine Schaltung mit einem stromlos schaltendem Transistor ist der Tiefsetz-steller nach Abb. 11-15. Einzelheiten zur Schaltungen werden in Kapitel 18 erläutert.

Ausgangssituation: In Abb. 11-15 sperrt T und D leitet, iL = IL = konstant.

Zum Zeitpunkt t = 0 wird der Transistor T eingeschaltet. Es beginnt die Kommutierung von Dnach T entsprechend Gl. (11-4). Die Zeitverläufe zeigt Abb. 11-16. Sobald der Transistor ILübernommen hat, sperrt D und der Schwingkreis L1-C bestimmt den weiteren Stromverlauf.

iCUdL1t iD IL iC Kommutierung D T (11-4)

Die Energie der Drossel L1 lädt den Kondensator C. Schneidet der sinusförmig verlaufendeKollektorstrom iC die Nulllinie, so sperrt T und der Resonanzkreis ist wieder abgeschaltet. DiePeriodendauer und Amplitude der überlagerten Schwingung berechnet sich mit Gl. (11-5).

T 2 L1C iL UdCL1

(11-5)

Der Kondensator C ist im Nulldurchgang von iC auf Ud + u aufgeladen und wirdanschließend durch den eingeprägten Laststrom linear entladen. Die Zeit bis zumNulldurchgang ( t) ermittelt sich mit Gl. (11-6).

t CUd u

IL (11-6)

Im Nulldurchgang von uL schaltet schließlich die Diode D ein und übernimmt wieder deneingeprägten Laststrom IL. An T liegt jetzt wieder die Eingangsspannung Ud, derSchaltzykklus ist beendet. Die Zeitverläufe der einzelnen Größen sind in Abb. 11-16dargestellt. Durch erneutes Ansteuern von T kann ein neuer Zyklus ausgelöst werden [12].

Die Einschaltzeit des Transistors ist durch die über L1 und C bestimmte Eigenfrequenz einefeste Größe. Zur Leistungssteuerung kann daher nur die Pausenzeit TP über die Perioden-dauer T gesteuert werden (Pulsfrequenzsteuerung).

Abbildung 11-15

Tiefsetzsteller mit ZCS undHalbschwingungsbetrieb

iL sei konstant (iL = IL).

Die Energiesteuerung erfolgtüber die Ansteuerfrequenz desTransistors T.

Ud

L1

L

R

iL

C D

iCuCE

T

M

iD

uLuR


Abbildung 11-16 Elektrische Größen bei einem Schaltzyklus (Tiefsetzsteller)

uCE

Ud

Stromnulldurchgang des Transistors

Transistor leitend Diode leitendC

wir

d en

tlade

n

u

LC-Schwingkreis

Dio

de le

itend

uL

iD

iC

IL

zu ILüberlagerte Schwingung

Kommutierung D T

T ein

T aus

u T ein

2Ud

Ud

IRD aus D aus

D ein

T ein

T

t

t

t

t

TP

Lastgeführte Stromrichter

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