TECEN X2EE stud

!

! X2EE! !1!

Lycée!Technique!d’Ettelbruck!

T E C H N I Q U E S ! D ’ E N T R A I N E M E N T ! !

GP!

1.! DREHZAHLSTEUERUNG/BEIM/DREHSTROM4ASYNCHRONMOTOR/ 3!

1.1! ÜBERSICHT/DER/MÖGLICHKEITEN/ZUR/DREHZAHLSTEUERUNG/DER/DASM/ 3!1.2! DREHZAHLSTEUERUNG/BEIM/DASM/DURCH/VERÄNDERN/DER/LÄUFERGRÖßEN/(SCHLUPFSTEUERUNG)/ 4!1.2.1! SCHALTUNGSMÖGLICHKEITEN:! 6!1.2.2! LEISTUNGSBILANZ!BEI!DREHZAHLSTEUERUNG!DURCH!LÄUFERWIDERSTÄNDE:! 7!1.2.3! ABHÄNGIGKEIT!DES!DREHMOMENTES!!VON!DER!LÄUFERDREHZAHL!BEI!UNTERSCHIEDLICHEN!LÄUFERWIDERSTÄNDEN.!(ERGEBNISSE!AUS!DEM!VERSUCH)! 7!1.3! DREHZAHLSTEUERUNG/BEIM/DASM/DURCH/VERÄNDERN/DER//POLPAARZAHL/ 8!1.3.1! DASM!MIT!GETRENNTEN!WICKLUNGEN! 10!1.3.2! DASM!MIT!DAHLANDER!–!WICKLUNG! 11!1.4! DREHZAHLSTEUERUNG/BEIM/DASM/DURCH/VERÄNDERN/DER/STÄNDERSPANNUNG/ 14!1.4.1! MÖGLICHKEITEN!ZUR!STEUERUNG!DER!STÄNDERSPANNUNG:! 16!1.4.2! EINSATZGEBIETE:! 17!1.5! DREHZAHLSTEUERUNG/BEIM/DASM/DURCH/VERÄNDERN/DER/STÄNDERFREQUENZ/ 17!

2! GLEICHRICHTERSCHALTUNGEN/ 23!

2.1! EINFÜHRUNG/ 23!2.2! EINPULS4EINWEGSCHALTUNG/E1/ 26!2.2.1! E1U!MIT!OHMSCHER!LAST! 27!2.2.2! E1C!MIT!OHMSCHER!LAST! 31!2.2.3! E1C!MIT!OHMSCHFINDUKTIVER!BELASTUNG! 34!2.2.4! STEUERKENNLINIE! 36!2.3! ZWEIPULS4BRÜCKENSCHALTUNG/B2/ 38!2.3.1! B2U!MIT!OHMSCHER!LAST! 38!2.3.2! KENNWERTE!DER!B2U! 40!2.3.3! B2C!MIT!OHMSCHER!LAST! 41!2.3.4! B2C!MIT!INDUKTIVER!BELASTUNG! 45!2.3.5! B2C!MIT!GEMISCHT!OHMSCHFINDUKTIVER!LAST! 49!2.4! DREIPULS4MITTELPUNKTSCHALTUNG/M3/ 52!2.4.1! M3U!MIT!OHMSCHER!LAST! 52!2.4.2! M3C!MIT!OHMSCHER!LAST! 55!2.4.3! M3C!MIT!INDUKTIVER!LAST! 59!2.4.4! M3C!MIT!GEMISCHT!OHMSCHFINDUKTIVER!LAST! 64!2.4.5! STEUERKENNLINIE! 66!2.5! SECHSPULS4BRÜCKENSCHALTUNG/B6/ 67!2.5.1! B6U!MIT!OHMSCHER!LAST! 67!2.5.2! B6C!MIT!OHMSCHER!LAST! 71!2.5.3! B6C!MIT!INDUKTIVER!LAST! 74!2.5.4! STEUERKENNLINIE! 74!2.6! ENERGIERÜCKSPEISUNG/BEI/GLEICHRICHTERSCHALTUNGEN/ 76!2.6.1! NETZGEFÜHRTE!WECHSELRICHTER! 77!2.6.2! SELBSTGEFÜHRTE!WECHSELRICHTER! 77!2.7! BETRIEBSARTEN/DER/GLEICHSTROMMASCHINE/ 81!

3! GLEICHSTROMSTELLER/ 84!

3.1! EINLEITUNG/ 84!3.2! FUNKTIONSWEISE:/ 84!3.3! SCHALTUNG/ALLGEMEIN:/ 84!3.4! VERHALTEN/AN/OHMSCHER/LAST:/ 85!3.4.1! SCHALTUNG:! 85!

!

! X2EE! !2!



GP!

3.5! VERHALTEN/AN/INDUKTIVER/LAST/ 86!3.6! TASTGRAD/ 86!3.7! STEUERVERFAHREN/VON/GLEICHSTROMSTELLERN/ 86!3.7.1! PULSFOLGESTEUERUNG:! 87!3.7.2! PULSBREITENSTEUERUNG:! 87!3.8! AUFGABEN:/ 88!3.9! GLEICHSTROMMOTOR/AM/GLEICHSTROMSTELLER/ 89!3.9.1! SCHALTUNG:! 89!3.10! DREHZAHLSTEUERKENNLINIE:/ 90!

4! WECHSELSTROMSTELLER/ 91!

4.1! ANWENDUNGEN:/ 91!4.2! WECHSELSTROMSTELLER/AN/OHMSCHER/LAST/ 92!4.2.1! SCHALTUNG:! 92!4.3! WECHSELSTROMSTELLER/AN/REIN/INDUKTIVER/LAST/ 93!4.3.1! SCHALTUNG! 94!4.4! STEUERKENNLINIEN/DES/WECHSELSTROMSTELLERS/ 96!4.5! WECHSELSTROMSTELLER/AN/OHMSCH4INDUKTIVER/LAST/ 96!4.6! AUFGABE/ 96!4.7! UNIVERSALMOTOR/AM/WECHSELSTROMSTELLER:/ 97!4.7.1! SCHALTUNG:! 97!4.7.2! ANWENDUNGEN:! 97!

5! DREHSTROMSTELLER/(W3C4SCHALTUNG)/ 99!

5.1! ANWENDUNGEN:/ 99!5.2! STEUERSTROMKENNLINIE/ 100!

6! BREMSVERFAHREN/UND/EINSATZMÖGLICHKEITEN/ELEKTRISCHER/MASCHINEN/ 102!

6.1! BREMSVERFAHREN/BEI/GLEICHSTROMMOTOREN/ 102!6.1.1! WIDERSTANDSBREMSUNG! 102!6.2! BREMSVERFAHREN/BEI/DREHSTROMASYNCHRONMOTOREN/ 105!6.2.1! MECHANISCHE!BREMSUNG! 105!6.2.2! BREMSMOTOR! 105!6.2.3! STOPPMOTOR! 106!6.2.4! ELEKTRISCHE!BREMSUNG! 107!6.2.5! GENERATORISCHE!BREMSUNG! 108!6.3! EINSATZMÖGLICHKEITEN/ELEKTRISCHER/MASCHINEN/ 109!6.3.1! BETRIEBSARTEN!ELEKTRISCHER!MASCHINEN.! 109!6.3.2! BAUFORMEN!UND!BAUGRÖßEN!ELEKTRISCHER!MASCHINEN.! 109!6.3.3! KÜHLUNG!EINES!ELEKTROMOTORS.! 109!6.3.4! AUSWAHL!EINES!ELEKTROMOTORS.!(EUROPA!LEHRMITTEL!S.469)! 109!

1.

!

! X2EE! !3!



GP!

1. DREHZAHLSTEUERUNG/BEIM/DREHSTROM4ASYNCHRONMOTOR/

1.1 Übersicht,der,Möglichkeiten,zur,Drehzahlsteuerung,der,DASM,

Die!Drehzahl/n!eines!Drehstromsasynchronmotors-DASM!läst!sich!nach!der!Formel!

!

!

berechnen.!

Die!Drehfelddrehzahl-ns-(synchrone!Drehzahl,!Umdrehungsfrequenz)!bestimmt!sich!aus!

der!Gleichung:!

!

!

Aus!den!beiden!Gleichungen!ergibt!sich!somit!die!folgende!Beziehung:!

!

!

!

!

Hieraus! ist!ersichtlich,!dass!die!Drehzahl!eines!Asynchronmotors!durch!Verändern!der!

folgenden!Größen!ebenfalls!verändern!lässt:!

1. Die!Drehzahl!n!ist!Abhängigkeit!vom!__________________________!

2. Die!Drehzahl!n!ist!Abhängigkeit!von!der!________________________!

3. Die!Drehzahl!n!ist!Abhängigkeit!von!der!________________________!

4. Des! weitern! ist! durch! unterschiedliche! ___________________________! die!

Drehzahl!ebenfalls!veränderbar.!

Alle! angegeben! Verfahren! haben! praktische! Bedeutung! erlangt! und! werden! in! den!

folgenden!Kapitel!einzeln!behandelt.!

!

! X2EE! !4!



GP!

1.2 Drehzahlsteuerung, beim, DASM, durch, Verändern, der, Läufergrößen,

(Schlupfsteuerung),

Nach!der!Gleichung!

!

!

!

ist!erkennbar,!dass!die!Motordrehzahl!sich!

verringert!beim!!!!!!!!!!!!!!________________________________________!

vergrößert!sich!beim!!!!________________________________________!

Gegeben! ist! folgende! DrehmomentFSchlupfFKennlinie! eines!

Drehstromasynchronmotors:!

_______________________________________________!

_______________________________________________!

_______________________________________________!

_______________________________________________!

_______________________________________________!

!

Die! Theorie! der! Drehstromasynchronmaschine! besagt,! dass! durch! Verändern! der!

Läufergrößen,!der!_______________________________!sich!ebenfalls!verändert.!

_____________________________________________________________________________________________________!

_____________________________________________________________________________________________________!

In! der! Ausführung! der!Maschine! als! Schleifringläufer! besteht! die!Möglichkeit,! an! den!

Anschlüssen! _____! des! Läufers! einen! ___________________________________! zuzuschalten.! Der!

Strangwiderstand!der!Läuferwicklung!erhöht!sich!somit!von!

!

! X2EE! !5!



GP!

__________________________________________!

(Die!genauen!Abläufe!werden!auf!den!Klassen!12TEE!und!13TEE!behandelt)!

Da! der! Läufer! eines! Käfigläufers! nicht! zugänglich! ist,! ist! die! Drehzahlsteuerung! nach!

dem!Prinzip!der!Schlupfsteuerung!_________________________________________!

Durch! den! zusätzlichen!

Läuferwiderstand! verschiebt! sich!

der! Kippschlupf! sK! horizontal! nach!

links.!

Drehmoment!–DrehzahlF!und!StromF

Kennlinie! eines!

Drehstromasynchronmotors! für!

verschiedene! Läuferwiderstände!

________________________________________!

Mit! den! Drehmomenten! verschiebt!

sich! auch! ______________________________!

und! damit! der! ______________________________________,! so! dass! der! Motor! einen!

_________________________________________________aufnimmt.!

Merksatz:!

Durch! die! angeschlossenen! Zusatzwiderstände! im! Läuferkreis! (Anlasswiderstände)!

werden!

_____________________________________________________________________________________________________!

_____________________________________________________________________________________________________!

_____________________________________________________________________________________________________!

!

!

! X2EE! !6!



GP!

1.2.1 Schaltungsmöglichkeiten:/

Über! die! Schleifringe! des! Schleifringläufers! wird! ein! einstellbarer! dreisträngiger!

Widerstand!zugeschaltet.!Die!einzelnen!Stufen!lassen!sich!durch!_____________________!oder!

___________________________!anwählen.!

(Siehe!Bild!2!S.435!Europa!Lehrmittel)!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

Bild1:!_____________________________! ! ! ! Bild2:!______________________________!

____________________________________! ! ! ! _____________________________________!

____________________________________! ! ! ! _____________________________________!

Zu!Bild2.!

Mit!Mitteln!der!Leistungselektronik! lässt! sich!eine!kontaktlose,! stetige!Einstellung!des!

Läuferwiderstandes! erreichen.! Der! dreiphasige! Läuferstrom! wird! dabei!

____________________!und!danach!einem!__________________________zugeführt.!Die!Drossel!dient!

zur! Glättung! des! Gleichstromes! Id.! Parallel! zum! Festwiderstand! liegt! ein!

_______________________.! Ist! dieser! geöffnet,! so! ________________! über! den! Widerstand,! bei!

geschlossenem! Schalter! ist! _______________________.! Durch! _______________________________! des!

!

! X2EE! !7!



GP!

Schalters! S! lässt! sich! somit! _________________________! im! Läuferkreis! und! damit!

____________________________!des!Asynchronmotors!steuern.!

1.2.2 Leistungsbilanz/bei/Drehzahlsteuerung/durch/Läuferwiderstände:/

Der! entscheidende! Nachteil! dieser! Steuermethode! liegt! ________________________!

_____________________________________________________________!

Das!nebenstehende!Bild!zeigt!die!________________!

___________________! bei! der! Drehzahlsteuerung! durch!

Läufervorwiderstände.! ____! ist! die! über! den! Luftspalt!

________________________________________________!

Für! den! Bemessungsbetrieb,! d.h.! _________! ergibt! sich! die!

Leistungsbilanz! nach! der! ______________________________.! Die!

Luftspaltleistung! PLN! aufteilt! sich! dabei! in! die! ______________________________und! die! im!

Läufer!_______________________________________________________!auf.!

Wird! ein! Vorwiderstand! Rv! zugeschaltet,! so! ________________________! und! man! erhält! die!

_________________________________________.!Für!Dauerbetrieb!und!über!einen!größeren!Bereich!

ist! die! Drehzahleinstellung! über! Läuferwiderstände! daher! ________________.! Sie! wird!

jedoch! dort! angewandt,! wo__________________! _____________________,! wie! z.B.!

bei_________________________________!verlangt!werden.!

1.2.3 Abhängigkeit/ des/ Drehmomentes/ / von/ der/ Läuferdrehzahl/ bei/ unterschiedlichen/

Läuferwiderständen./(Ergebnisse/aus/dem/Versuch)/

!

!

! X2EE! !8!



GP!

Drehzahlsteuerung! bei! Schleifringläufern! durch! Zuschalten! von! Widerständen! in! den!

Läuferkreis!

Aus!dem!Bild!ist!ersichtlich,!dass!dieses!Drehzahlsteuerungsverfahren!____________________!

_____________________________________________________________________________________________________!

1.3 Drehzahlsteuerung,beim,DASM,durch,Verändern,der,,Polpaarzahl,

Nach!der!Gleichung!

!

!

!

ist!erkennbar,!dass!die!Drehfelddrehzahl!im!Ständer!bei!konstanter!Frequenz!f!sich!

_______________________________________________!

!

_______________________________________________!

Es!gilt!somit:!

!

!

!

Beispiel!1:!

Bestimme! die! Drehfelddrehzahl! eines! 4! poligen! Drehstrommotors! an! einem! 50HzF

Drehstromnetz?!

Bestimme! die! Drehfelddrehzahl! eines! 8! poligen! Drehstrommotors! an! einem! 50HzF

Drehstromnetz?!

!

!

! X2EE! !9!



GP!

Beispiel!2:!

Bestimme! die! Motordrehzahl! des! 4! poligen! Drehstrommotors! mit! einem! Schlupf! von!

4%.!(f!=!50Hz)!

Bestimme! die! Motordrehzahl! des! 8! poligen! Drehstrommotors! mit! einem! Schlupf! von!

4%.!(f!=!50Hz)!

Somit! ist! ersichtlich,! dass! eine! Verdopplung! der! Polzahl! eines! Drehstrommotors! eine!

Halbierung!der!Drehfelddrehzahl!und!der!Motordrehzahl!mit!sich!bringt.!

Bemerkung:!

Es!gilt!allgemein:!

=!! ! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!oder!

Am!Leistungsschild!des!Drehstrommotors!wird!jeweils!die!Polzahl!angegeben:!

Übersicht:!

Bei!f!=!50Hz!sind!die!in!der!Tabelle!angegebenen!Drehfelddrehzahlen!möglich:!

p/ 1! ! ! ! ! ! !

ns/in/min41/ ! ! ! ! ! ! !

!

Die!effektiven!Läuferdrehzahlen!n!liegen!um!die!Schlupfdrehzahl! Δn = ns − n !unter!den!

in!der!Tabelle!angegeben!Werten.!

Man! unterscheidet! zwischen! zwei! Arten! der! Drehzahlsteuerung! durch! Verändern! der!

Polpaarzahl:!

• !

• !

!

! X2EE! !10!



GP!

1.3.1 DASM/mit/getrennten/Wicklungen/

Es! werden! Motoren! mit! bis! zu! 3! unterschiedlichen! Ständerwicklungen! mit! 3!

unterschiedlichen!Polpaarzahlen!gebaut.!

Diese! unterschiedlichen! Polpaarzahlen! ergeben! somit! jeweils! eine! andere!

Drehfelddrehzahl.!

Die!Klemmen!der!einzelnen!Ständerwicklungen!werden!zum!Klemmbrett!geführt.!

Mittels! eines!Drehschalters! (Nockenschalter)! oder!mit!Hilfe! von! Schützen!werden! die!

verschiedenen!Ständerwicklungen!an!das!Drehstromnetz!angeschlossen.!

Die!Bezeichnung!Polumschaltbare!Motoren!beruht!darauf,!dass!durch!Umschalten!über!

Schalter!verschiedene!Polzahlen!am!Motor!und!somit!Motordrehzahlen!gewählt!werden!

können.!

Beispiel/eines/polumschaltbaren/Motors/mit/zwei/getrennten/Ständerwicklungen/

!

!

Polumschaltbarer!Motor!mit!zwei!getrennten!Ständerwicklungen!

!

Klemmenbezeichnungen:!

!

Für!p!=!8:! 1U! 1V! 1W! ! niedrige!Drehzahl!

!

!

! X2EE! !11!



GP!

Für!p!=!6:! 2U! 2V! 2W! ! hohe!Drehzahl!

!

Das!Verhältnis!der!Polpaarzahlen!beträgt!in!diesen!Fall!!!!!!!!!!!!!!bzw.!

Das!Verhältnis!der!Drehfelddrehzahlen!beträgt!in!diesen!Fall!wegenns ≈1p:!

Bemerkungen:!

• Die!Ständerwicklungen!sind!stets!in!Stern!geschaltet.!Bei!einer!Dreieckschaltung!

würden! in! den! nicht! in! Betrieb! befindlichen! Ständerwicklungen!

Induktionsströme!fließen,!welche!den!Motor!unnötig!erhitzen!würden.!

• Das! Drehmoment! ist! bei! beiden! Drehzahlen! etwa! gleich,! die! Leistungen! des!

Motors!verhalten!sich!etwa!wie!die!Drehzahlen.!

• Die! polumschaltbaren! Motoren! mit! getrennten! Wicklungen! werden! dort!

eingesetzt,!wo!das!Drehzahlverhältnis!1:2!nicht!genutzt!werden!kann.!

Schaltkurzzeichen:!

!

Polumschaltbarer!Drehstrommotor!mit!getrennten!Wicklungen!p!=!3!resp.!2!

1.3.2 DASM/mit/Dahlander/–/Wicklung/

Bei!der!Dahlanderschaltung!ist!nur!eine!dreiphasige!Ständerwicklung!erforderlich.!

Jeder! Wicklungsstrang! ist! allerdings! in! zwei! Wicklungshälften! aufgeteilt.! Durch!

Umschaltung!werden!die!Wicklungshälften!entweder!in!Reihe!oder!parallel!geschaltet.!

Bei! der! Umschaltung! von! der! Reihenschaltung! zur! Parallelschaltung!wird! die! Polzahl!

halbiert!und!die!Drehfelddrehzahl!nach!ns ≈1p!verdoppelt.!

!

! X2EE! !12!



GP!

Es!ergeben!sich!somit!zwei!Schaltungsmöglichkeiten:!

!

• Dreieckschaltung/Δ!(Reihenschaltung!der!Wicklungshälften)!

!

Klemmenanschlüsse:!! L1→!!

!! ! ! ! L2→!!

! ! ! ! L3→!!

→! ________________________!

!

• Doppelsternschaltung/Υ/Υ!(Parallelschaltung!der!Wicklungshälften)!

!

Klemmenanschlüsse:!! L1→!!

!! ! ! ! L2→!!

! ! ! ! L3→!!

! ! ! ! Sternpunkt→!!

→! ________________________!

!

Polumschaltbarer!Motor!mit!Dahlanderwicklung!(DreieckFDoppelstern)!

Wirkungsweise:/

!

! X2EE! !13!



GP!

!

Im!oben!stehenden!Bild! ist!die!Darstellung!des!Wicklungsstranges!1UF1V,!unterteilt! in!

die!zwei!Wicklungshälften!1UF2V!und!2VF1V.!

!

Zum!Vergleich!werden!die!Stromverhältnisse!zu!einem!Zeitpunkt!betrachtet,!zu!dem!die!

Spannung!an!L2!gegenüber!L1!und!dem!Sternpunkt!positiver!ist.!

Es!entstehen!die!im!Bild!dargestellten!Magnetfelder.!

Bei!der!Dreieckschaltung!entstehen!4!Magnetpole,!d.h.!p!=!2!

Bei!der!Doppelsternschaltung!entstehen!2!Magnetpole,!d.h.!p!=!1!

Merke:/

!

!

/

Bemerkungen:/

• Das!Drehmoment!ist!bei!beiden!Drehzahlen!etwa!gleich.!

!

! X2EE! !14!



GP!

• Die! Leistung! des! Motors! bei! der! hohen! Drehzahl! beträgt! wegen! reduzierten!

Spannung! (200V! pro!Wicklungshälfte! am! 400VFNetz)! nur! den! 1,5! fachen!Wert!

der! Leistung! bei! der! niedrigen! Drehzahl! (230V! an! den! parallel! geschalteten!

Wicklungshälften).!

Einsatzgebiete:/

Wegen!dem!gleich!bleibenden!Drehmoment!bei!den!beiden!Drehzahlen!eignet!sich!die!

Schaltung! besonders! für! Antriebe! mit! konstantem! Drehmoment,! z.B.!

Werkzeugmaschinen!

Schaltkurzzeichen:/

!

Polumschaltbarer!Drehstrommotor!mit!Dahlanderwicklungen!p!=!2!resp.!1!

1.4 Drehzahlsteuerung,beim,DASM,durch,Verändern,der,Ständerspannung,

Bei! dem! Drehstromasynchronmotor! ist! das! Kippdrehmoment! MK! proportional! zum!

Quadrat!der!Ständerspannung,!d.h.:!

!

!

Der!Kippschlupf!sK!bzw.!Kippdrehzahl!nK!bleibt!unverändert!

Bei!Halbierung!der!Ständerspannung!zum!Beispiel!verringert!sich!das!Kippdrehmoment!

auf!ein!Viertel!des!Bemessungswertes.!

!

!

! X2EE! !15!



GP!

!

DrehmomentFDrehzahlkennlinie! eines! DASM! bei! Drehzahleinstellung! mit! Hilfe!

unterschiedlicher!Ständerspannungen.!

Feststellungen:/

• Ist!der!Motor!an!seiner!Bemessungsspannung!!!!!!!!!!angeschlossen!ergibt!sich!ein!

Kippmoment!das!dem!2!fachen!des!Bemessungsmomentes!entspricht!

• Ist! der! Motor! an! 70%! Bemessungsspannung! angeschlossen! ___________________!

ergibt! sich! ein! Kippmoment! das! nach! ___________________________! nur! _________! des!

Kippmomentes!entspricht!bei!der!Bemessungsspannung!entspricht.!

• __________________________! leiben! unverändert! bei! den! unterschiedlichen!

Ständerspannungen,!hier!nK!=!0,8∙ns!

Wird!der!Motor!mit!einer!Arbeitsmaschine!mit!stark!drehzahlabhängigem!Lastmoment!

ML!betrieben,!z.B.!an!einem!Lüfter,!ergeben!sich!für!die!dargestellten!Kennlinien!die!drei!

Arbeitspunkte!mit!den!Drehzahlen!n1!bis!n3.!

Feststellungen:!

!

! X2EE! !16!



GP!

Wird! die! Ständerspannung! auf! 50%! des! Bemessungswertes! gesenkt,! so! liegt! der!

Schnittpunkt! der! Lastkurve! mit! der! MFnFKennlinie! vor! dem! Kipppunkt! und! ein!

Dauerbetrieb!ist!nicht!möglich.!

Die!Drehzahl!lässt!sich!nur!in!einem!sehr!begrenzten!Raum!steuern.!

1.4.1 Möglichkeiten/zur/Steuerung/der/Ständerspannung:/

• Stern!–!Dreieck!–!Schaltung!

Bei! der! SternFSchaltung! ist! der! Motor! an! 13! seiner! Bemessungsspannung!

angeschlossen.! Das! Drehmoment! sinkt! somit! auf 13 ab.! Es! ergibt! sich! somit! eine!

Drehzahlreduzierung.!

• Drehstrommotor!mit!Anlasstransformator!

Bei! Hochspannungstransformatoren! verwendet! man! Spartransformatoren! zur!

Spannungsreduzierung!

!

!!!!!!!!!!!!!!!!!! !

!

!

!

!

!

!

!

!

! X2EE! !17!



GP!

!

• Drehstrommotor!mit!Drehstromsteller!

!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !

!

Mit! Hilfe! von! einem! Drehstromsteller,! antiparallel! geschalteten! Thyristoren! in! den!

Motorzuleitungen,! kann! man! durch! geeignete! Wahl! des! Steuerwinkels! an! den!

Thyristoren!die!Spannung!kontaktlos!und!stufenlos!verstellen.!Dies!erlaubt! somit!eine!

stufenlose! Drehzahlsteuerung.! Dieses! Verfahren! ist! besonders! bei! drehzahlgeregelten!

Antrieben!geeignet.!

Bei!kleinen!Motoren!werden!Triac’s!anstatt!Thyristoren!benutzt!

1.4.2 Einsatzgebiete:/

• Im! Kurzzeitbetrieb! mit! festgelegter! Einschaltdauer,! z.B.! für! KurzschlussläuferF

Sanftanlauf.!

• Drehzahlsteuerung! von! Arbeitsmaschinen! mit! stark! von! der! Drehzahl!

abhängigem!Lastmoment,!z.B.!Lüfter,!Pumpen.!

• Drehzahlsteuerung! von! kleinen! Motoren! mit! großem! Läuferwiderstand,! z.B.!

Wicklerantriebe!in!der!Textilindustrie.!

1.5 Drehzahlsteuerung,beim,DASM,durch,Verändern,der,Ständerfrequenz,

Die!bisher!erwähnten!Möglichkeiten!der!Drehzahlsteuerung!haben!einen!gemeinsamen!

wesentlichen!Nachteil:!

!

! X2EE! !18!



GP!

Die! Drehzahlsteuerung! des! Motors! ist! nur! unterhalb! der! Bemessungsfrequenz! 50Hz!!

möglich.!

Weitere!Nachteile:!

• Polumschaltbare!Motor:!

________________________________________!

________________________________________!

• SpannungsF!und!Schlupfsteuerung:!

________________________________________!

________________________________________!

Nach!der!Gleichung!

!

!

ist!erkennbar,!dass!die!Drehfelddrehzahl!im!Ständer!bei!konstanter!Polpaarzahl!p!sich!

_____________________________________________________!

!

_____________________________________________________!

Es!gilt!somit:!

!

Der!wesentlicher!Vorteil!dieser!Drehzahlsteuerungsmöglichkeit!besteht!darin,!dass!

Speisefrequenzen! oberhalb! der! Bemessungsfrequenz! von! 50Hz! ebenfalls! Drehzahlen!

über!der!Leerlaufsdrehzahl!bei!50Hz!ermöglichen.!

_________________!!!!!!!F>!!!!!!!!!!________________!

Worauf/ist/jedoch/bei/der/Frequenzveränderung/zu/achten?/

!

! X2EE! !19!



GP!

Beim!Drehstrommotor!gilt!die!folgende!Beziehung:!

fU

s ≈Φ!

d.h.! der!magnetische!Drehfeldfluss!Φs! vergrößert! sich! beim!Verringern! der! Frequenz.!

Dadurch! vergrößert! sich! ebenfalls! der! Magnetisierungsstrom! im! Ständer,! was! zu!

höheren! Verlusten! der! Maschinen! führt.! Bei! vorgegebener! Baugröße! und! Kühlung!

würde!die!Maschine!unzulässig!erwärmt!werden.!

Aus!dieser!Ursache!wird!bei!der!Frequenzverringerung!die!Motorspannung!im!gleichen!

Maße!verringert.!Der!magnetische!Drehfeldfluss!bleibt!somit!konstant.!

Bei! fSpeise! <! 50Hz!werden!wegen! der! Spannungsreduzierung! der!Motorstrom! und! das!

Motormoment!ebenfalls!annähernd!konstant!gehalten.!

Wird! der! Motor! mit! Frequenzen! fSpeise! >! 50Hz! gespeist,! so! kann! die! Motorspannung!

jedoch! nicht! im! gleichem! Maße! wie! die! Frequenz! erhöht! werden.! Bei! zunehmender!

Frequenz!verringert!sich!der!magnetische!Drehfeldfluss!und!somit!der!Motorstrom!und!

das!Motormoment.!

!

! X2EE! !20!



GP!

Spannungskennlinie!in!Abhängigkeit!von!Speisefrequenz!und!Drehzahl!

Bemerkung:!

Eine!zusätzliche!feste!Spannungsanhebung!im!unteren!Drehzahlbereich!ermöglicht!eine!

Verbesserung! der! AnlaufF! und! Beschleunigungseigenschaften! des!

Stromrichterantriebes.!

Betriebsverhalten/des/Drehstromasynchronmotors/mit/FU/

!

DrehmomentFDrehzahlkennlinienschar!eines!umrichtergespeisten!Käfigläufers!

Bei! den! Speisefrequenzen!unterhalb! der!Bemessungsfrequenz! von!50Hz! verlaufen!die!

Kennlinien!parallel!zu!Verlauf!des!Motors!bei!50Hz.!Das!Kippmoment!bleibt!konstant.!

Bei!den!Speisefrequenzen!oberhalb!von!50!Hz!sinkt!das!Drehmoment!des!Motors!infolge!

des!geringeren!magnetischen!Drehflusses!Φs.!

Dieses!Drehzahlsteuerungsverfahren!erlaubt!unterhalb!von!50Hz!einen!Einstellbereich!

von!n!=!0!bis!n!=!nN!bei!gleichem!Moment.!Oberhalb!von!50Hz!kann!die!Drehzahl!bis!zur!

mechanischen!Belastungsgrenze!des!Motors!vergrößert!werden.!Das!Moment!verringert!

sich!jedoch.!

Statische/Frequenzumrichter!(!Genaue!Wirkungsweise!später!)!

!

! X2EE! !21!



GP!

Statische! Frequenzumrichter! sind! dreiphasige! Spannungsquellen! mit! variabler!

Frequenz.!

Je!nach!Typ!sind!Ausgangsfrequenzen!von!200Hz!möglich.!

Die!Ausgangsleistung!von!Standartgeräten!liegt!bei!1kW!bis!100kW!

Prinzipschaltbild!eines!Drehstromfrequenzumrichters!mit!Zwischenkreis!

!

Beim! Zwischenkreisumrichter! wird! die! Netzspannung! zunächst! gleichgerichtet,! um!

danach!in!einem!Wechselrichter! in!ein!Drehstromsystem!veränderlicher!Frequenz!und!

veränderlicher! Spannung! umgesetzt! zu! werden.! Der! Zwischenkreis! ist! als!

Spannungszwischenkreis!ausgeführt.!

Einsatzgebiete:!

In! der! heutigen! Industrie! wird! dieses! Verfahren! zur! Drehzahlsteuerung! in! jedem!

Bereich!eingesetzt!wo!Motoren!mit!unterschiedlichen!Drehzahlen!arbeiten!müssen.!

Durch! die! stufenlose! Steuerung! ist! das! Verfahren! einfach! als! Drehzahlregelung!

auszulegen.!

!

!

!

! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!X2EE$ ! 22!

Lycée$Technique$d’Ettelbruck$

T E C H N I Q U E S $ D ’ E N T R A I N E M E N T $ $

GP$!

Wiederholung!.!Vergleich!

Drehzahlsteuerung!eines!Drehstromasynchronmotors!durch!Verändern!

der!Läufergrößen!(Schlupfsteuerung) !

(ausschließlich!für!Schleifringläufer)!

der!Ständerspannung! der!Ständerfrequenz!

! !!

Kippmoment!ist!konstant! Kippmoment!~!U2! Kippmoment!ist!konstant!

Kippdrehzahl!sinkt!bei!Verringerung!der!Drehzahl!

Kippdrehzahl!ist!konstant! Kippdrehzahl!sinkt/steigt!proportional!bei!Verringerung/Steigerung!der!Drehzahl!

Großer!Drehzahleinstellbereich! Kleiner!Drehzahleinstellbereich! Großer!Drehzahleinstellbereich!

n!<!nN!(nN!=!Bemessungsdrehzahl!bei!R2!=!0)!

n!<!nN!(nN!=!Bemessungsdrehzahl!bei!

U!=!UN)!

n!<!nN!und!n!≥!nN!(nN!=!Bemessungsdrehzahl!bei!f!=!50Hz)!

!!

! X2EE$ !!

23!



GP$

2 Gleichrichterschaltungen/2.1 $$Einführung$

Zur Speisung von Antrieben stehen heute meist Wechsel- oder Drehstromnetze zur

Verfügung, Gleichstromnetze sind quasi "ausgestorben". Nur in ortsveränderlichen Anlagen ,

z. B. in Kraftfahrzeugen oder bei Notstromaggregaten gibt es für Gleichstromantriebe noch

eine direkte Gleichstromversorgung aus einer Batterie oder einer Brennstoffzelle.

Drehzahlveränderliche Antriebe - unabhängig davon, ob es sich um einen Gleichstrom- oder

Drehstromantrieb handelt – werden heute allgemein über Stromrichter aus dem 50Hz-

Wechsel- oder Drehstromnetz gespeist. Letztlich wird auch eine chemische Batterie über

Stromrichter geladen; entweder aus dem Netz oder, wie beim Kraftfahrzeug, über den der

Drehstromlichtmaschine nachgeschalteten Gleichrichter.

Das folgende Bild zeigt eine Auswahl der Möglichkeiten, Stromrichter zur

Drehzahlveränderung einzusetzen.

!

Die Antriebstechnik wird deshalb weitgehend durch die Leistungselektronik bestimmt.

Aufgabe der Leistungselektronik ist das kontaktlose Schalten, Steuern, Regeln und Umformen

elektrischer Energie.

Als elektronische Schalter (Ventile) werden folgende Halbleiterbauelemente in den

Leistungsteilen der Stromrichter eingesetzt:

! Dioden:

!!

! X2EE$ !!

24!



GP$

! Transistoren: bipolare (LTR), unipolare (MOSFET) und heute hauptsächlich der

Mischtyp IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

! Thyristoren: normale Netz-Thyristoren, schnelle Frequenz-Thyristoren, abschaltbare

GTO-Thyristoren (Gate Turn Off) oder IGC-Thyristoren (Insulated

Gate Controlled) und rückwärtsleitende Thyristoren

! Triacs (antiparallele Thyristoren):

Über die Leistungen, Betriebsfrequenzen und Einsatzgebiete verschafft das folgende Bild

einen Überblick.

!!

! X2EE$ !!

25!



GP$

In der Stromrichtertechnik unterscheidet man Gleichrichter, Gleichstromumrichter,

Wechselrichter und Wechselstromumrichter.

! Gleichrichter formen eine Wechselspannung in eine beliebige Gleichspannung um.

! Gleichstromumrichter formen eine Gleichspannung in eine andere beliebige

Gleichspannung um.

! Wechselrichter formen eine Gleichspannung in eine beliebige Wechselspannung um.

! Wechselstromumrichter formen eine Wechselspannung in eine andere beliebige

Wechselspannung um.

Die Richtung des Energieflusses für die einzelnen Umformarten ist im folgenden Bild

dargestellt:

!!

! X2EE$ !!

26!



GP$

In diesem Kapitel werden die Gleichrichterschaltungen behandelt.

Gleichrichterschaltungen unterteilt man in ungesteuerte (uncontrolled) und gesteuerte

(controlled) Gleichrichter. Die zur Gleichrichtung verwendeten Halbleiterbauelemente nennt

man allgemein Ventile. Bei ungesteuerten Gleichrichtern sind das Dioden. Die

Ausgangsspannung ist deshalb nicht frei einstellbar, sondern wird durch die Amplitude der

Eingangsspannung und die Art der Schaltung bestimmt.

Bei gesteuerten Gleichrichtern werden Bauelemente verwendet, bei denen man den Zeitpunkt

des Übergangs vom Sperrzustand in den Durchlasszustand verändern kann (z.B. bei

Thyristoren). Dadurch ist die Höhe der Ausgangsspannung einstellbar.

Merke: Werden die Dioden von Gleichrichterschaltungen durch Thyristoren ersetzt,

kann die Ausgangsspannung durch Wahl des Zündzeitpunktes verändert

werden.

Beim Zündwinkel α = 0° ist die Ausgangsspannung genauso groß wie bei

einer ungesteuerten Schaltung.

2.2 Einpuls1Einwegschaltung$E1$

Wird in die E1-Schaltung eine Diode eingesetzt, so ist die Schaltung ungesteuert, man spricht

dann von einer E1U (Uncontrolled).

!!

! X2EE$ !!

27!



GP$

Durch den Einsatz eines steuerbaren Ventils (z.B. Thyristor) kommt man zu der gesteuerten

Schaltung E1C (Controlled).

2.2.1 E1U/mit/ohmscher/Last/

UN = Netzspannung US = Strangspannung UV = Ventilspannung (vernachlässigt) Ud = Gleichspannung Id!=!Gleichstrom!

!!

! X2EE$ !!

28!



GP$

BEGRIFFE:

Arithmetischer Mittelwert Ud (UAV)

Merke: Der arithmetische Mittelwert wird so bestimmt, dass die Fläche unter der Kurve ud (Sinus) für eine Periodendauer (T) in ein flächengleiches Rechteck der Höhe Ud umgewandelt wird.

!!

! X2EE$ !!

29!



GP$

Bei der E1U gilt: Ud =ûSπ

=2 ⋅US

π

E1U mit ohmscher Last: Ud = 0,45 ⋅US

Arithmetischer Mittelwert Id (IAV) Den arithmetischen Mittelwert des Stromes kann man mit Hilfe des ohmschen Gesetzes

bestimmen.

Id =Ud

RL

Messung des arithmetischen Mittelwertes Arithmetische Mittelwerte können mit folgenden Messgeräten bestimmt werden:

" Drehspulmessgerät: Betrieb im DC-Bereich, wie bei einer Gleichspannungs-

bzw. Gleichstrommessung

" Elektronisches Messgerät: Betriebsartschalter auf "Mean" bzw. "AV" (Average)

" Oszilloskop: beim Wechsel von AC auf DC springt die Kurve um den

arithmetischen Mittelwert

Effektivwert Udeff

Der Effektivwert ist der quadratische Mittelwert einer zeitlich veränderlichen Spannung bzw.

Stromes.

!!

! X2EE$ !!

30!



GP$

Merke: Der Effektivwert wird so bestimmt, dass die Fläche unter der Kurve ud

2 für

eine Periodendauer in ein flächengleiches Rechteck der Höhe Udeff2

umgewandelt wird.

Bei der E1U gilt: Udeff2 =

ûS2

4=

2 ⋅US( )24

=2 ⋅US

2

4=US

2

2

E1U mit ohmscher Last: Udeff = 0,707 ⋅US bzw. Ideff =Udeff

R L

!!

! X2EE$ !!

31!



GP$

Bemerkung: Der Effektivwert setzt als Mittelwert in einem Widerstand während

einer Periode die gleiche elektrische Leistung um wie ein Gleichstrom

derselben Größe.

2.2.2 E1C/mit/ohmscher/Last/

Die Diode wird durch einen Thyristor mit Zündschaltung ersetzt. Der Steuerwinkel kann von

α = 0° bis α = 180° kontinuierlich eingestellt werden. Durch den Zündimpuls (z. B. bei α =

60°) wird der Thyristor leitend.

Bei ωt = 180° wird der Haltestrom des Thyristors unterschritten und das Ventil sperrt wieder

bis es in der nächsten Periode wieder gezündet wird.

RLUS Udα

Id

UV

UN

Th1

α

!!

! X2EE$ !!

32!



GP$

!

Wird der Thyristor nicht zu Beginn der Halbwelle (α = 0°, d.h. Vollaussteuerung) sondern bei

einem bestimmten Steuerwinkel α gezündet, verringert sich der arithmetische Mittelwert Udα

der Ausgangsspannung nach der folgenden Formel.

!

E1C!mit!ohmscher!Last:! Udα =Ud0 ⋅1+ cosα

2! mit!!!!!!!!Ud0 = 0,45 ⋅U S !

Ud0!=!! arithmetischer!Mittelwert!bei!Vollaussteuerung!

(α!=!0°,!wie!bei!der!E1U)!

!

!!

! X2EE$ !!

33!



GP$

!

Beispiel: Ein ohmscher Widerstand von 150Ω wird über eine E1C an eine Wechselspannung von 400V

gelegt. Bestimme die arithmetischen Mittelwerte Udα und Idα bei einem Steuerwinkel von 60°.

!!!!!!!!!

!!

! X2EE$ !!

34!



GP$

Übung:

Ein ohmscher Widerstand RL = 150Ω wird über eine E1C an eine Wechselspannung US =

212V gelegt.

Der Steuerwinkel beträgt α = ___________ . Zeichne über zwei Perioden die zeitlichen

Verläufe von uS, udα und idα.

2.2.3 E1C/mit/ohmsch9induktiver/Belastung/

Die gemischt ohmsch-induktive Belastung ist die in der Praxis am häufigsten auftretende

Belastungsart. Wird der Thyristor zu einem bestimmten Zeitpunkt gezündet (z. B. bei α =

90°), so springt die Ausgangsspannung auf den Momentanwert der Eingangsspannung. Die

!!

! X2EE$ !!

35!



GP$

Induktivität verhindert, dass der Strom sprunghaft ansteigen kann. Der Strom steigt deshalb

allmählich bis zu seinem Höchstwert an. Erreicht die Spannung bei 180° ihren

Nulldurchgang, so versucht die Induktivität den Stromfluss in gleicher Richtung aufrecht zu

erhalten. Der Thyristor bleibt während der negativen Halbwelle der Eingangsspannung

eingeschaltet, bis der Haltestrom unterschritten wird. An den Ausgangsklemmen kommt es zu

sogenannten negativen Spannungs-Zeit-Flächen. Während der negativen Spannungs-Zeit-

Flächen wird die in der Induktivität gespeicherte Energie wieder an das Netz zurückgeliefert.

!

!

!

!!

! X2EE$ !!

36!



GP$

!

2.2.4 Steuerkennlinie/

Die Steuerkennlinie stellt die Abhängigkeit der Gleichspannung Udα der gesteuerten

Schaltung vom Steuerwinkel α für die verschiedenen Belastungsfälle dar. Die

Gleichspannung Udα wird dabei auf den Wert Ud0 bezogen. Ud0 ist dabei die Spannung einer

ungesteuerten Schaltung bzw. die Spannung einer gesteuerten beim Steuerwinkel α = 0°.

!!

! X2EE$ !!

37!



GP$

Im folgenden Bild ist die Steuerkennlinie einer E1C für ohmsche Belastung dargestellt.

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

Beispiel:

Ein ohmscher Widerstand wird über eine M1C-Schaltung gespeist. Die Strangspannung

beträgt 230V. Welche Gleichspannung stellt sich bei einem Steuerwinkel von 90° ein?

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!!

! X2EE$ !!

38!



GP$

2.3 Zweipuls1Brückenschaltung$B2$

Die Zweipuls-Brückenschaltung nutzt beide Wechselstromhalbwellen aus. Die

Brückenschaltung besteht in der ungesteuerten Ausführung aus vier zu einer Brücke

geschalteten Dioden. Sie ist die am häufigsten verwendete Gleichrichterschaltung und kann

für Verbraucherleistungen bis in den kW-Bereich eingesetzt werden.

!

2.3.1 B2U/mit/ohmscher/Last/

!

!

!!

! X2EE$ !!

39!



GP$

!

!

Damit ein Strom durch den Widerstand fließen kann, müssen in jeder Halbwelle zwei Dioden

leitend sein. In der positiven Halbwelle der Strangspannung uS sind das die Dioden V1, V4,

während in der negativen Halbwelle V2 und V3 im leitenden Zustand sind. Der Gleichstrom

fließt nichtlückend während einer Periode in zwei Stromblöcken (Zweipuls) von je 180°. Die

einzelnen Ventile werden deswegen jeweils mit nur der Hälfte des Gleichstroms belastet.

!!

! X2EE$ !!

40!



GP$

2.3.2 KENNWERTE/DER/B2U/

Stromflusswinkel Der Winkelbereich, während dem ein Ventil leitend ist, wird als Stromflusswinkel Θ

bezeichnet.

Θ = 180°

Arithmetischer Mittelwert

Die arithmetischen Mittelwerte von Ausgangsspannung und Ausgangsstrom sind doppelt

so groß wie bei der E1U-Schaltung.

Ud = 0,9 ⋅US Id =Ud

RL

Bei einer Strangspannung US = 230V berechnet sich der arithmetische Mittelwert somit zu

Ud = 207V.

Effektivwert

Der Effektivwert der Ausgangsspannung ist so groß wie die Strangspannung US (Ventil-

spannungen vernachlässigt).

Udeff =US Ideff =Udeff

RL

Formfaktor

F =Udeff

Ud

= 1,11

!

!

!

!

!!

! X2EE$ !!

41!



GP$

2.3.3 B2C/mit/ohmscher/Last/

!

!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!

!!

! X2EE$ !!

42!



GP$

!

Beispiel:!α!=!60°!!

!

Damit ein Gleichstrom fließen kann, müssen immer zwei Ventile gezündet werden. Das

Steuergerät muss zwei um 180° verschobene Impulspaare erzeugen. Mit wachsendem

!!

! X2EE$ !!

43!



GP$

Steuerwinkel werden Mittelwert und Effektivwert der Gleichspannung kleiner. Man erkennt,

dass bei α = 180° der arithmetische Mittelwert der Gleichspannung Null wird.

Der maximale Steuerwinkel beträgt deshalb: αmax = 180°.

Für α > 0° werden die Stromflusswinkel kleiner und es entstehen Stromlücken entsprechend

dem Steuerwinkel α.

Der arithmetische Mittelwert der Ausgangsspannung kann mit folgender Formel berechnet

werden:

Udα =Ud0 ⋅1+ cosα

2mit Ud0 = 0,9 ⋅US

!

!!

! X2EE$ !!

44!



GP$

Übung: Ein ohmscher Widerstand wird über eine B2C an eine Wechselspannung US = 400V gelegt.

Der Steuerwinkel beträgt α = ___________ .

Zeichne in ein Diagramm die qualitativen Verläufe über von udα und idα. Berechne außerdem

den arithmetischen Mittelwert der Ausgangsspannung.

!

!

!!

! X2EE$ !!

45!



GP$

2.3.4 B2C/mit/induktiver/Belastung//

Bei rein induktiver Last kann bis zu einem Steuerwinkel α = 90° ein ideal geglätteter Strom

mit gleichbleibender Größe angenommen werden.

!

!

!!!!!!!!!!!!!

!!

! X2EE$ !!

46!



GP$

Beispiel:!α!=!30°!!

!

!

Für α > 0° entstehen negative Spannungs-Zeit-Flächen, die bei α = 90° genau so groß sind

wie die positiven. Der Mittelwert der Gleichspannung ist dann Null.

!!

! X2EE$ !!

47!



GP$

In den Ventilen fließen für Steuerwinkel α = 0° bis α = 90° idealisiert rechteckförmige

Ströme mit dem Stromflusswinkel Θ = 180°.

Die Ausgangsspannung kann für Steuerwinkel α ≤ 90° mit folgender Formel berechnet

werden:

Udα =Ud0 ⋅ cosα

Bei größeren Steuerwinkeln beginnt der Strom zu lücken. Die positiven und negativen

Spannungs-Zeit-Flächen sind jeweils gleich groß, der arithmetische Mittelwert der

Ausgangsspannung bleibt Null.

Merke: B2C mit induktiver Last: Für α > 90° ⇒ Udα = 0V

!!

! X2EE$ !!

48!



GP$

Übung

Zeichne für eine B2C mit rein induktiver Last den Verlauf von udα und idα bei einem Steuer-

winkel α = 120°.

!

!

Udα

Idα

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

IG

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

!!

! X2EE$ !!

49!



GP$

2.3.5 B2C/mit/gemischt/ohmsch9induktiver/Last/

Bei gemischt ohmsch-induktiver Last hält die Induktivität den Stromfluss nach dem

Nulldurchgang der Spannung nur solange, bis sie ihre gespeicherte Energie wieder an das

speisende Netz abgegeben hat. Die negative Spannungs-Zeitfläche wird verkürzt und es treten

Stromlücken auf.

!!

! X2EE$ !!

50!



GP$

Beispiel:!α!=!90°!

!

!

!

!

Udα

Idα

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

IG

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

!!

! X2EE$ !!

51!



GP$

Merke: Ist der Induktivitätswert L groß gegenüber dem ohmschen

Widerstandswert R, dann verschwinden die Stromlücken und der Laststrom nähert sich

dem ideal geglätteten Stromverlauf bei induktiver Last.

!

Steuerkennlinie!

Das folgende Bild zeigt die Steuerkennlinie einer B2C für ohmsche und induktive Last.

!

Übung

Bestimme mit Hilfe der Steuerkennlinie die Ausgangsspannung einer B2C für folgende

Fälle:

a) ohmsche Belastung bei α = 105°

b) induktive Belastung bei α = 75°

!!

! X2EE$ !!

52!



GP$

2.4 Dreipuls1Mittelpunktschaltung$M3$

Für höhere Leistungen, z. B. Drehzahlsteuerung von Motoren, werden gesteuerte Drehstrom-

gleichrichter eingesetzt. Dabei werden je nach Anforderung an Amplitude und Welligkeit des

Gleichstromes sowohl die gesteuerte Dreipuls-Mittelpunktschaltung M3C als auch die

vollgesteuerte Sechspuls-Brückenschaltung B6C eingesetzt.

Hier soll zuerst die M3-Schaltung behandelt werden.

2.4.1 M3U/mit/ohmscher/Last/

Es leitet jeweils die Diode mit dem höchsten positiven Anodenpotential.

Die leitende Diode schaltet dieses Potential auf die Kathoden der beiden anderen Ventile,

sodass diese sperren.

Die Kommutierung (Stromübergabe) auf das folgende Ventil erfolgt im natürlichen Phasen-

anschnittpunkt, in dem die Strangspannung des nächsten Strangs größer zu werden beginnt als

die vorherige. Dieser natürliche Zündzeitpunkt liegt bei der M3-Schaltung immer 30° nach

dem positiven Nulldurchgang der drei Strangspannungen.

Der Gleichstrom fließt nichtlückend während einer Periode in drei Stromblöcken (Dreipuls)

von je 120°. Die einzelnen Ventile werden deswegen jeweils mit nur 1/3 des Gleichstroms

belastet.

US1

US2

US3 RLUd

Id

+

-

V1

V2

V3

L1

L2

L3

!!

! X2EE$ !!

53!



GP$

Merke: Der Winkelbereich, während dem ein Ventil leitet wird als Stromflusswinkel

Θ bezeichnet.

US

Id

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

Ud

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

!!

! X2EE$ !!

54!



GP$

KENNWERTE DER M3U

Stromflusswinkel

Der Winkelbereich, während dem ein Ventil leitend ist, wird als Stromflusswinkel Θ

bezeichnet.

Θ = 120°


Die arithmetischen Mittelwerte von Ausgangsspannung und Ausgangsstrom können mit

folgenden Formeln berechnet werden.

Ud = 1,17 ⋅US Id =Ud

RL


Ud = 269V.

Effektivwert

Udeff = 1,189 ⋅US Ideff =Udeff

RL

Formfaktor

F =Udeff

Ud

= 1,016

!!

! X2EE$ !!

55!



GP$

2.4.2 M3C/mit/ohmscher/Last/


Die Zündung der einzelnen Ventile erfolgt 30° nach dem natürlichen Kommutierungspunkt.

Merke: Bei Dreiphasen-Gleichrichterschaltungen wird der Steuerwinkel α vom

natürlichen Zündzeitpunkt (Kommutierungspunkt) aus gezählt.

US1

US2

US3 RLUd

Id

+

-

V1

V2

V3

!!

! X2EE$ !!

56!



GP$

Mit wachsendem Steuerwinkel werden Mittelwert und Effektivwert der Gleichspannung

kleiner. Man erkennt, dass bei α = 150° der arithmetische Mittelwert der Gleichspannung

Null wird.

Der maximale Steuerwinkel bei ohmscher Last beträgt deshalb: αmax = 150°

Idα

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

Udα

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

IG

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

!!

! X2EE$ !!

57!



GP$

Bis α = 30° ist der Gleichstrom nichtlückend. Für Steuerwinkel α > 30° werden die

Stromflusswinkel der Ventile geringer und es entstehen Stromlücken des Laststromes. Diese

werden mit zunehmendem Steuerwinkel immer größer.

Übung

Zeichne für eine M3C bei rein ohmscher Last das Liniendiagramm von udα und idα bei einem

Steuerwinkel α = ___________ .

!!

! X2EE$ !!

58!



GP$

!

Idα

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

Udα

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

IG

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

!!

! X2EE$ !!

59!



GP$

2.4.3 M3C/mit/induktiver/Last/

!!

Bei rein induktiver Last kann wie bei der B2-Schaltung für Steuerwinkel bis α = 90° ein ideal

geglätteter Laststrom mit gleich bleibender Größe angenommen werden.

US2

US3 Ud

Id

+

-

V1

V2

V3 L

US1

!!

! X2EE$ !!

60!



GP$

Beispiel: α = 60°

!!!

Idα

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

Udα

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

IG

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

!!

! X2EE$ !!

61!



GP$


Mit wachsendem Steuerwinkel wird der Mittelwert der Gleichspannung kleiner. Für α > 30°

entstehen negative Spannungs-Zeit-Flächen, die bei α = 90° so groß sind wie die positiven.

Der Mittelwert der Gleichspannung ist dann Null.

Idα

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

Udα

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

IG

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

!!

! X2EE$ !!

62!



GP$




werden:

Udα =Ud0 ⋅ cosα

M3C mit induktiver Last: Für α > 90° ⇒ Udα = 0V

!!

! X2EE$ !!

63!



GP$

Übung

Zeichne für eine M3C bei rein induktiver Last das Liniendiagramm von udα und idα bei

einem Steuerwinkel α = ___________ .

Wie groß ist der Mittelwert der Ausgangsspannung?

Idα

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

Udα

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

IG

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

!!

! X2EE$ !!

64!



GP$

2.4.4 M3C/mit/gemischt/ohmsch9induktiver/Last/

!Bei gemischt ohmsch-induktiver Last hält die Induktivität den Stromfluss nach dem

Nulldurchgang der Spannung nur solange aufrecht, bis sie ihre gespeicherte Energie wieder

an das speisende Netz abgegeben hat. Die negative Spannungs-Zeitfläche wird verkürzt und

es treten Stromlücken auf.

!!!

US2

US3

Ud

Id

+

-

V1

V2

V3 L

US1

RL

!!

! X2EE$ !!

65!



GP$

!!

Merke: Ist der Induktivitätswert L groß gegenüber dem ohmschen Widerstandswert

R, dann verschwinden die Stromlücken und der Laststrom nähert sich dem

ideal geglätteten Stromverlauf bei induktiver Last.

Id!

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

Udα

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

IG

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

!!

! X2EE$ !!

66!



GP$


!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

Übung

Ein ohmscher Widerstand R = 150Ω liegt über eine M3C an einer Dreiphasenwechselspannung mit US = 400V. Bestimme mit Hilfe der Steuerkennlinie die Ausgangsspannung Udα und den Strom Idα für einen Steuerwinkel von 60°.

!!

! X2EE$ !!

67!



GP$

2.5 $$Sechspuls1Brückenschaltung$B6$

Sie ist die am weitesten verbreitete Stromrichterschaltung für das

Dreiphasenwechselstromsystem. Für zu versorgende Leistungen ab etwa 10kW wird sie als

Standardschaltung eingesetzt. Der wesntliche Vorteil der B6-Schaltung als Gleichrichter liegt

in der qualitativ guten Gleichspannung.

2.5.1 B6U/mit/Ohmscher/Last/

Bei der ungesteuerten Sechspuls-Brückenschaltung B6U werden für jede

Außenleiterspannung zwei Dioden eingesetzt. Um einen Stromfluss zu ermöglichen, muss je

eine Diode aus der oberen und eine Diode aus der unteren Brückenhälfte gleichzeitig leitend

sein. Die Ausgangsspannung ergibt sich aus dem Spannungsunterschied zwischen den jeweils

über zwei Dioden zur Last durchgeschalteten Außenleiter. Dabei leiten jeweils die Dioden mit

dem höchsten Anodenpotential beziehungsweise mit dem tiefsten Kathodenpotential.

U12

US1

US2

US3

RLUd

+

-

V1 V3 V5

V2 V4 V6

Id

U23

U31

!!

! X2EE$ !!

68!



GP$

Zeigerdiagramm der Strang- und Leiterspannungen

!!

! X2EE$ !!

69!



GP$

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

Ud

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

Udα

höchstes Potential

tiefstes Potential

leitende Dioden

Gleichspannung Ud

!!

! X2EE$ !!

70!



GP$

!

Der Gleichstrom fließt nichtlückend während einer Periode in sechs Stromblöcken

(Sechspuls) von je 60°. Da die einzelnen Ventile jeweils zwei Stromblöcke durchlassen,

beträgt der Strom-flusswinkel 120°.

Die Ventile werden deswegen jeweils mit nur 1/3 des Gleichstroms belastet.

KENNWERTE DER B6U

Stromflusswinkel

Der Winkelbereich, während dem ein Ventil leitend ist, wird als Stromflusswinkel Θ

bezeichnet.

Θ = 120°


Die arithmetischen Mittelwerte von Ausgangsspannung und Ausgangsstrom können mit

folgenden Formeln berechnet werden.

Ud = 2,34 ⋅US bzw. Ud = 1,35 ⋅UL

Id =Ud

RL


Ud = 538V.

Effektivwert

Udeff = 2,34 ⋅US Ideff =Udeff

RL

Formfaktor

F =Udeff

Ud

= 1

!!

! X2EE$ !!

71!



GP$

2.5.2 B6C/mit/ohmscher/Last/

!

!

U12

US1

US2

US3

Udα

+

-

V1 V3 V5

V2 V4 V6

Idα

U23

U31 RL

!!

! X2EE$ !!

72!



GP$


Die Zündung der einzelnen Ventile erfolgt 60° nach dem natürlichen Kommutierungspunkt.

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

Udα

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

US

iGate

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

iGate

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

-U23

!!

! X2EE$ !!

73!



GP$

Mit wachsendem Steuerwinkel werden Mittelwert und Effektivwert der Gleichspannung

kleiner.

Man erkennt, dass bei α = 120° der arithmetische Mittelwert der Gleichspannung Null wird.

Der maximale Steuerwinkel bei ohmscher Last beträgt deshalb: αmax = 120°

Für α > 60° werden die Stromflusswinkel kleiner und es entstehen Stromlücken entsprechend

dem Steuerwinkel α.

Soll zum Beispiel bei einem Steuerwinkel α = 60° eingeschaltet werden, sind gleichzeitig

zwei Zündimpulse erforderlich (V1 und V6'). Das Steuergerät muss deshalb für jedes Ventil

Doppelimpulse mit dem Abstand 60° erzeugen.

!

Beispiel: α = 90°

Die!Zündung!der!einzelnen!Ventile!erfolgt!90°!nach!dem!natürlichen!

Kommutierungspunkt.!

!

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

Udα

!!

! X2EE$ !!

74!



GP$

2.5.3 B6C/mit/induktiver/Last/

Bei!rein!induktiver!Last!kann!für!Steuerwinkel!bis!α!=!90°!ein!ideal!geglätteter!

Laststrom!mit!gleich!bleibender!Größe!angenommen!werden.!

Mit wachsendem Steuerwinkel wird der Mittelwert der Gleichspannung kleiner. Für α > 60°

entstehen negative Spannungs-Zeit-Flächen, die bei α = 90° so groß sind wie die positiven.

Der Mittelwert der Gleichspannung ist dann Null.




werden:

Udα =Ud0 ⋅ cosα

B6C!mit!induktiver!Last:!!Für!α!>!90°!!!!⇒!!!!Udα#=#0#


!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!!

! X2EE$ !!

75!



GP$

Übung

Der Anker eines 400V-Gleichstrommotors (als induktive Belastung zu betrachten) wird über

eine B6C an das Drehstromnetz 400V/230V angeschlossen. Bestimme den einzustellenden

Steuerwinkel, damit der Motor mit seiner Bemessungsspannung betrieben wird.

!

!

!

!

!!

! X2EE$ !!

76!



GP$

2.6 $$Energierückspeisung$bei$Gleichrichterschaltungen$

Die bisher behandelte Arbeitsweise von Stromrichtern wird als Gleichrichterbetrieb

bezeichnet. Wechsel- oder Drehstrom wird in Gleichstrom umgeformt. Das

Wechselstromnetz liefert Leistung in das Gleichstromnetz. Der Gleichrichter kann dabei

gesteuert oder ungesteuert sein.

Ein gesteuerter Gleichrichter kann Energie aus einem vorhandenen Gleichstromnetz in das

Wechselstromnetz zurückspeisen. Diese Arbeitsweise wird als Wechselrichterbetrieb

bezeichnet.

Das vorhandene Gleichstromnetz kann zum Beispiel ein angetriebener Gleichstrommotor

(= Gleichstromgenerator) sein.

!

!

!

!

Der Zündwinkel muss sich im Wechselrichterbetrieb in einem definierten Winkelbereich

befinden.

Gleichrichter Wechselrichter

!!

! X2EE$ !!

77!



GP$

Die Energiequelle befindet sich auf der Gleichstromseite. Da die elektrische Leistung gleich

U•I ist, der Strom aber wegen der elektrischen Ventile des Stromrichters seine Richtung nicht

umkehren kann, muss bei dieser Betriebsart die Gleichspannung ihre Polarität gegenüber

jener im Gleichrichterbetrieb ändern. Damit wird die Leistung negativ, was eine Umkehr der

Energierichtung bedeutet.

Man unterscheidet:

2.6.1 Netzgeführte/Wechselrichter/

Die Wechselrichter arbeiten auf ein bereits vorhandenes Wechselstromnetz.

2.6.2 Selbstgeführte/Wechselrichter/

Die Wechselrichter erzeugen ein eigenes Wechselstromnetz.

Beispiel: Gleichstrommaschine an einer B2C-Schaltung

!

1)#Gleichrichterbetrieb:#Gleichstrommaschine#im#Motorbetrieb##

Hinweis: Wird der Motor über eine genügend große Glättungsinduktivität an die B2C

angeschlossen, dann verhält sich der Motor wegen des geglätteten,

nichtlückenden Stroms wie eine ideale Induktivität. Die Steuerkennlinie

entspricht dann der Kennlinie für induktive Last. Die Ausgangsspannung kann

in diesem Fall mit der folgenden Formel berechnet werden:

Udα =Ud0 ⋅ cosα

!!

! X2EE$ !!

78!



GP$

Gleichrichterbetrieb: 0° ≤α ≤ 90°

US Udα

Idα

UN

+

_

V2V1

V4V3

Ld

M

A1

A2

n

F1F2

If

Udα

Idα

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

IG V1;V4

α=60°

V2;V3 V1;V4 V2;V3

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

α

V1;V4 V2;V3V1;V4V2;V3

!!

! X2EE$ !!

79!



GP$

Mit steigendem Steuerwinkel α nimmt

der arithmetische Mittelwert der

Gleichspannung bis auf Null ab, weil

die negativen Zeitflächen immer größer

werden. Bei α = 90° ergeben sich

gleiche positive und negative

Zeitflächen. Udα ist dann Null und der

Motor bleibt stehen.

!

!

2)#Wechselrichterbetrieb:#Gleichstrommaschine#im#Generatorbetrieb##

Lässt man die Gleichstrommaschine im Senkbetrieb arbeiten, dann wird sie angetrieben und

sie arbeitet als Generator. Die Ankerspannung Udα wird jetzt vom Generator geliefert. Da die

Drehrichtung sich gegenüber dem Motorbetrieb umdreht, muss auch die Polarität von Udα

ändern.

Wechselrichterbetrieb: 90° ≤α ≤180°

US Udα

Idα

UN

+

_

V2V1

V4V3

Ld

G

A1

A2

n

F1F2

If

!!

! X2EE$ !!

80!



GP$

Damit die Gleichstrommaschine im

Wechselrichterbetrieb arbeiten kann,

müssen Steuerwinkel

α > 90° eingestellt werden. Man

erkennt, dass die negativen Zeitflächen

dann größer als die positiven

Zeitflächen werden und Udα negativ

wird (umgedrehte Polarität wie im

Gleichrichterbetrieb).

Aus der Steuerkennlinie erkennt man,

dass im Wechselrichterbetrieb (=

Generatorbetrieb = aktive Last) Winkel bis 180° eingestellt werden können. Der Generator

liefert dann die maximale Gleichspannung.

Udα

Idα

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

IG V1;V4

α=120°

V2;V3 V1;V4 V2;V3

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

ωt90° 180° 270° 360° 720°450° 540° 630°

α=120°

V1;V4 V2;V3V1;V4V2;V3V2;V3

!!

! X2EE$ !!

81!



GP$

2.7 $$Betriebsarten$der$Gleichstrommaschine$

Die unterschiedliche Klassifizierung der Betriebsarten beruht u.a. darauf, dass der

Gleichstrom-motor die als Last wirkende Arbeitsmaschine nicht nur antreibt, sondern

zeitweise von ihr auch mechanische Energie aufnehmen kann. Falls die im Motor induzierte

Spannung größer als die angelegte Klemmenspannung wird, liegt Generatorbetrieb und damit

Energieflussumkehr vor.

Da zusätzlich noch Rechts- und Linkslauf für beide Betriebsarten möglich sind, hat man

allgemein für die Gleichstrommaschine mit konstanter Erregung folgende Betriebszustände

definiert:

I Motorbetrieb Rechtslauf Elektr. Leistungsaufnahme +P = U·I

II Generatorbetrieb Rechtslauf Elektr. Leistungsabgabe -P = U·(-I)

III!! Motorbetrieb! Linkslauf! Elektr.!Leistungsaufnahme! !!!!!!!!!!+P!=!(Û)·(Î)!

IV! Generatorbetrieb! Linkslauf! Elektr.!Leistungsabgabe! !!!!!!!!!!!^P!=!(Û)·I!

Die einzelnen Betriebszustände werden in einem Vierquadrantenfeld dargestellt.

IA-IA

-UKl

UKl

G M

M G

Generatorbetrieb Rechtslauf

Motorbetrieb Rechtslauf

Motorbetrieb Linkslauf

Generatorbetrieb Linkslauf

I II

III IV

!!

! X2EE$ !!

82!



GP$

Bei positiver Spannung liegt Rechtslauf und bei negativer Spannung Linkslauf vor. Ebenso

entspricht die Leistungsaufnahme (positive Leistung) dem Motor- und die Leistungsabgabe

(negative Leistung) dem Generatorbetrieb. Für den Gleichstrommotor mit konstanter

Erregung gelten die Beziehungen:

M ~ IA und n ~ U0

Daher kann das I−U−Diagramm auch als M−n−Diagramm abgebildet werden. In der

praktischen Antriebstechnik hat sich die n = f(M)-Darstellung als Vierquadrantendiagramm

mit folgenden Festlegungen durchgesetzt.

I. Quadrant treiben Rechtslauf mech. Leistungsabgabe +P = M·ω

II. Quadrant bremsen Rechtslauf mech. Leistungsaufnahme -P = (-M)·ω

ΙΙΙ. Quadrant treiben Linkslauf mech. Leistungsabgabe +P = (-M)·(-ω)

IV.!Quadrnt!! bremsen!! Linkslauf!! mech.!Leistungsaufnahme!! !^P!=!M·(^ω)!

n

II!

III!

I!

IV!

BREMSEN

Generator- bzw. Wechselrichterbetrieb

M

BREMSEN

Generator- bzw. Wechselrichterbetrieb

TREIBEN

Motor- bzw. Gleichrichterbetrieb

TREIBEN

Motor- bzw. Gleichrichterbetrieb

!!

! X2EE$ !!

83!



GP$

Setzt man netzgeführte Stromrichter voraus, die gleichstromseitig mit dem Anker der

Gleichstrommaschine verbunden sind, kann man dem Vierquadrantendiagramm auch die

jeweiligen Betriebsarten der entsprechenden Stromrichterschaltungen zuordnen.

Es wurde gezeigt, dass eine vollgesteuerte B2C-Schaltung trotz gleichbleibender

Stromrichtung eine Gleichspannung abgeben kann, deren arithmetischer Mittelwert sowohl

positive als auch negative Werte annehmen kann.

Diese Zweiquadrantenschaltungen werden in ihrer Gleichrichter-Betriebsform den Motor-

bzw. Antriebsquadranten zugeordnet, während die Wechselrichterbetriebsart den Generator-

bzw. Bremsquadranten entspricht.

!

!!

! X2EE$ !!

84!



GP$

3 Gleichstromsteller/!

3.1 Einleitung$

Zur Steuerung von Antriebsmotoren batteriebetriebener Fahrzeuge (z. B. Elektrokarren,

Hubstapler) oder zum Antrieb von Straßenbahnen (meistens bei einer Spannung von 600V)

werden Gleichstromsteller verwendet. Gleichstromsteller erfüllen die Grundfunktion

Gleichstromumrichten, wobei eine konstante Eingangsgleichspannung U1 in eine

veränderliche Ausgangsgleichspannung U2 umgeformt wird. Man bezeichnet sie auch als

Pulswandler oder Chopper. Diese arbeiten fast verlustlos. Das folgende Bild zeigt das Prinzip

von Gleichstromstellern.

3.2 $Funktionsweise:$

Das Prinzip der Gleichstromumrichtung mit Hilfe des Gleichstromstellers besteht darin, dass

ein Halbleiterschalter periodisch einen Gleichstromkreis ein - und ausschaltet. Auf diese

Weise lässt sich die Last eines angeschlossenen Verbrauchers steuern.

Als Schalter lassen sich mehrere elektronische Bauelemente verwenden z.B. Thyristoren,

Transistoren, MOS-FET). Wir verwenden als Schalter in diesem Kapitel den MOS-FET

(Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor).

3.3 Schaltung$allgemein:$

Das Ein- und Ausschalten des Halbleiters erfolgt durch die Ansteuerung des MOS-FET.

Belastung

(allgemein)U1 U2

D B S

G

!

!!

! X2EE$ !!

85!



GP$

3.4 Verhalten$an$ohmscher$Last:$

3.4.1 Schaltung:/

RLast

Steuergerät

U1 U2

D B S

G

!

!

Es stellt sich der arithmetische Mittelwert der gepulsten Ausgangsspannung U2AV ein,

welcher vom Steuersignal des Taktgebers verändert werden kann.

Der Mittelwert der Ausgangsspannung kann folgendermaßen berechnet werden:

!!

! X2EE$ !!

86!



GP$

3.5 Verhalten$an$induktiver$Last$

Bei induktiver Belastung (Spule) ist in der Induktivität magnetische Energie gespeichert

welche beim Abschalten durch Selbstinduktion frei wird. Es kommt daher am MOS-FET zu

Überspannungen, so dass man parallel zur Induktivität eine Freilaufdiode schalten muss.

Steuergerät

U1 U2

D B S

G

3.6 Tastgrad$

Der Tastgrad gibt das Verhältnis von der Einschaltdauer te zur Periodendauer T an.

Durch Verändern des Tastgrades lässt sich die Ausgangsspannung steuern und somit z.B. die

Drehzahl eines Gleichstrommotors verändert werden.

3.7 Steuerverfahren$von$Gleichstromstellern$

Durch periodisches Ein- und Ausschalten des Gleichstromstellers wird der Mittelwert der

Ausgangsspannung verändert. Die verwendeten Steuerverfahren sind die Pulsfolgesteuerung

und die Pulsbreitensteuerung. Dabei wird die Pulsbreitensteuerung am häufigsten eingesetzt.

!!

! X2EE$ !!

87!



GP$

3.7.1 Pulsfolgesteuerung:/

Bei dieser Art der Steuerung wird die Einschaltdauer te konstant gehalten und die

Periodendauer T wird verändert. Diese Ansteuerungsart hat den Vorteil des geringen

technischen Aufwandes bei der Realisierung, als nachteilig aber ist die Schaltung ungünstig

geeignet zur Auslegung von Schaltungen und für eventuelle Regelstrukturen wegen der

variablen Schaltfrequenz.

3.7.2 Pulsbreitensteuerung:/

Bei dieser Art der Steuerung wird die Einschaltdauer te verändert und die Periodendauer T

resp. Frequenz f wird konstant gehalten. Die Schaltung arbeitet mit einer festen

Schaltfrequenz. Der große Vorteil dieser Schaltung liegt in der festen Schaltfrequenz, da eine

Optimierung der Schaltungsbauteile an diese Frequenz möglich ist.

!!

! X2EE$ !!

88!



GP$

3.8 Aufgaben:$

Ein Gleichstromsteller mit der Eingangsspannung von 48V wird über eine

Pulsbreitensteuerung an einen ohmschen Verbraucher angeschlossen. Der arithmetische

Mittelwert der Ausgangsspannung soll zwischen 6V und 30V eingestellt werden können. Die

Schaltfrequenz beträgt dabei 5kHz. Berechne die minimale und maximale Einschaltdauer.

!!

! X2EE$ !!

89!



GP$

Bei einem Gleichstromsteller beträgt die Mindesteinschaltdauer des MOS FET 20µs. Die

Ausgangsspannung soll auf 20% der Eingangsspannung herabgesetzt werden. Welche

Taktfrequenz muss dazu verwendet werden?

3.9 Gleichstrommotor$am$Gleichstromsteller$

Eine solche Schaltung wird sehr häufig bei Gleichstrom betriebenen Straßenbahnen und

Eisenbahnzügen verwendet. Es lässt sich auf einfachste Weise die Drehzahl steuern.

3.9.1 Schaltung:/

!!

! X2EE$ !!

90!



GP$

3.10 Drehzahlsteuerkennlinie:$Wird der Gleichstrommotor mit konstantem Drehmoment und konstantem Erregerstrom von

der Ausgangsspannung U2 des Gleichstromstellers gespeist, dann ändert sich die Drehzahl

nahezu proportional mit dem arithmetischen Mittelwert U2AV.

Steuerkennlinie des Gleichstrommotors am Gleichstromsteller für M = konst. und If = konst.

!!

! X2EE$ !!

91!



GP$

4 Wechselstromsteller/!

Wechselstromsteller steuern die Leistung eines Wechselstromverbrauchers an einem

Wechselstromnetz. Als steuerbare Halbleiterventile werden für niedrige Leistungen

Zweirichtungsthyristoren (TRIAC) und für höhere Leistungen ( bis 2MW ) zwei antiparallel

geschaltete Thyristoren verwendet.

!

!

!

!

!

!

!

Das Schalten des Wechselstromstellers erfolgt durch zünden der jeweiligen Ventile. In jeder

Halbwelle wird durch eine Steuerelektronik periodisch bei einem bestimmten Zündwinkel α

eingeschaltet. Bei Stromnulldurchgang wird selbstständig ausgeschaltet. Der Haltestrom der

Ventile wird dabei unterschritten. Je nach Größe des Steuerwinkels α kann die Leistung

zwischen Null und Maximalwert gesteuert werden. Man bezeichnet dies als

Phasenanschnittsteuerung.

4.1 Anwendungen:$

• !!

• !!

• !!

• !!

!

!

!!

! X2EE$ !!

92!



GP$

4.2 Wechselstromsteller$an$ohmscher$Last$

Bei ohmscher Belastung sind Strom und Spannung in Phase. Nach dem Zünden der

Halbleiterventile springt der Strom auf den Augenblickswert des Dauerstromes und verläuft

sinusförmig bis zum Nulldurchgang. Durch Einstellung des Steuerwinkels α kann man die

Stromstärke von 0° bis α = 180° bis Null steuern.

4.2.1 Schaltung:/

!

!

RLUSUα

Iα1

V1

V2Iα2

Iα

UL

ωt

, i UL

ωt

, i

!!

! X2EE$ !!

93!



GP$

!

!

!

!

!

In einem Schülerversuch soll die Strom-, Spannungs- und Leistungsmessung am

Wechselstromsteller untersucht werden.

4.3 $Wechselstromsteller$an$rein$induktiver$Last$

!

Bei rein induktiver Belastung steigt der Strom nach dem Zünden erst allmählich an und

erreicht nach Spannungsnulldurchgang seinen Maximalwert und klingt danach wieder auf

Null ab (90° Phasenverschiebung zwischen U und I) Der jeweilige Thyristor leitet solange

den Strom, bis der jeweilige Haltestrom unterschritten wird. Es entsteht eine negative

Spannungs-Zeitfläche da während der Stromaufnahme Energie in der Spule gespeichert wird

und während der Energieabnahme wieder an das Wechselstromnetz abgegeben wird.

UL

ωt

, i UL

ωt

, i

!!

! X2EE$ !!

94!



GP$

4.3.1 Schaltung/

!

!

!

!

USUα

Iα1

V1

V2Iα2 L

Iα

Uα

ωt

, iα

ωt

Uα , iα

!!

! X2EE$ !!

95!



GP$

!

Man erkennt, dass der Wechselstromsteller die Spannung an einer reinen Induktivität erst ab

dem Steuerwinkel 90° beeinflusst.

Bis zu dem Steuerwinkel α = 90° liegt immer die volle Ausgangsspannung an der

Induktivität.

Es ist also nicht möglich in diesem Bereich die Lastspannung zu beeinflussen. Erst ab dem

Steuerwinkel α = 90° ist dies möglich.

Beim Steuerwinkel α = 180° ist die Ausgangsspannung und die Stromstärke gleich Null.

Uα , iα Uα , iα

!!

! X2EE$ !!

96!



GP$

4.4 Steuerkennlinien$des$Wechselstromstellers$

4.5 Wechselstromsteller$an$ohmsch1induktiver$Last$

Rein ohmsche Verbraucher sind Öfen und Glühlampen. Motoren und Leuchtstofflampen

stellen dagegen immer Ohmsch-induktive Verbraucher dar, bei denen Strom- und Spannung

nicht in Phase sind. Meistens liegt der Leistungsfaktor cosϕ zwischen 0,5 und 0,95. Da der

Steuerbereich von dem Induktiven und Ohmschen Anteil abhängig ist, lässt sich keine exakte

Steuerkennlinie, sondern nur ein Steuerbereich angeben. Dieser Steuerbereich liegt zwischen

den beiden Kennlinien für ohmsche und rein induktive Last.

Anwendungsbeispiele: Bohrmaschine, Küchenmaschine, Staubsauger, Dimmer,

Waschmaschine usw.

In einem Schülerversuch soll die Wirkungsweise eines Gleichstromstellers an einer ohmsch-

induktiver Belastung untersucht werden.

4.6 Aufgabe$

Ein Wechselstromsteller wird an ein 220V / 50Hz - Netz angeschlossen. Wie groß ist bei a =

120° der Leistungsumsatz in einer Last R = 22Ω ?

!

!!

! X2EE$ !!

97!



GP$

4.7 Universalmotor$am$Wechselstromsteller:$

Der Universalmotor ist im Prinzip ein Reihenschluβmotor. Er kann sowohl am

Gleichstromnetz als auch am einphasigen Wechselstromnetz betrieben werden. Damit ein

Betrieb an Wechselspannung möglich ist, müssen verschiedene bauliche Maβnahmen

getroffen werden.

Der Ständer ist aus einzelnen Elektroblechen aufgebaut damit die Wirbelströme klein bleiben.

Der Widerstand einer Erregerwicklung ist an Wechselspannung gröβer als an

Gleichspannung. Deshalb besitzt die Erregerwicklung des Universalmotors eine Anzapfung,

die bei Betrieb an Wechselspannung angeschlossen wird. Der Wechselstromwiderstand kann

somit durch eine verminderte Windungszahl reduziert werden.

4.7.1 Schaltung://

!

Reihenschluβmotoren entwickeln hohe Anlaufmomente. Auβerdem haben sie bei

Überlastung ein günstiges Betriebsverhalten. Deshalb werden diese Motoren vorwiegend für

schwere Lasten eingesetzt.

4.7.2 Anwendungen://///

- Handwerkzeuge wie Handbohrmaschine, Winkelschleifer usw.

- Küchengeräte wie Staubsauger, Mixer usw.

!!

! X2EE$ !!

98!



GP$

Groβe Einphasen- Reihenschlussmotoren werden als Antriebsmotor bei Bahnen eingesetzt.

Gleichstrom- Reihenschlussmotoren finden Anwendung bei Bahnen, Elektrofahrzeugen,

Hebezeugen und Autoanlassern.

In zwei Schülerversuchen sollen die Wirkungsweise eines Universalmotors an

Wechselspannung und an Gleichspannung untersucht werden.

!!

! X2EE$ !!

99!



GP$

5 Drehstromsteller/(W3C9Schaltung)/!

Man verwendet 3 Wechselstromsteller zum Schalten von Drehstrom. Dabei werden die

Thyristoren bei großer Leistung oder TRIAC`s bei kleiner Leistung (einige KW) verwendet.

Diese werden antiparallel angeschlossen. Bei Ansteuerung des Drehstromstellers mit

Phasenanschnittssteuerung kann der Strom resp. die Spannung und damit die

Leistungsaufnahme durch Änderung des Steuerwinkels α stetig verändert werden.

!

5.1 Anwendungen:$

Temperaturregelung von Heizungsanlagen,

Helligkeitssteuerung großer Beleuchtungsanlagen,

Drehzahlregelung von Drehstrommotoren und in Anlagen wo hohe variable

Gleichspannungen benötigt werden.

Folgende Kombinationen werden dazu benutzt:

Drehstromsteller – Transformator – Drehstromgleichrichter

!

!!

! X2EE$ !!

100!



GP$

!

5.2 Steuerstromkennlinie$

!

!

!

!

Aus der Steuerkennlinie ist genau zu

erkennen bei welchem Steuerwinkel,

!!

! X2EE$ !!

101!



GP$

sei es induktive Last oder ohmsche Last, kein Stromfluss mehr möglich ist.

!!

! X2EE$ !!

102!



GP$

6 Bremsverfahren/und/Einsatzmöglichkeiten/elektrischer/Maschinen/

6.1 Bremsverfahren$bei$Gleichstrommotoren$

Von einem elektrischen Antrieb wird oft verlangt, dass er den Bremsvorgang übernimmt. Die

bremsende Gleichstrommaschine arbeitet als Generator, wobei prinzipiell sowohl

Nutzbremsung mit Rücklieferung der Energie ins Netz als auch Verlust- oder

Widerstandbremsung möglich sind.

6.1.1 Widerstandsbremsung/

Zur Widerstandsbremsung wird die Ankerwicklung über einen Widerstand kurzgeschlossen

und die Erregerwicklung fremderregt (Bild!1).

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

Bild!1:!Prinzipschaltbild!der!Widerstandsbremsung!

Umso größer die Bremswirkung, desto kleiner ist der Bremswiderstand, weil so mit kleiner

Spannung ein ausreichend großer Bremsstrom fließen kann. Zu klein darf der Widerstand

aber nicht sein, weil sonst die Verlustwärme den Motor gefährdet.

Einsatzgebiete: Bei Gleichstrommotoren als Bremse

!!

! X2EE$ !!

103!



GP$

Vorteil: einfache Steuerung

Nachteil: keine Haltbremsung

Nutzbremsung

Bei der Nutzbremsung wird die elektrische Energie ins Netz zurückgespeist und dient zum

Laden von Batterien oder zur Speisung anderer Verbraucher.

Die Nutzbremsung verlangt, dass U q >U N ist. mit: U q : generatorisch erzeugte

Spannung

U N : Netzspannung

Dies ist nur möglich, wenn die Drehzahl über der Nenndrehzahl ist, dies wird z.B. erreicht bei

der Talfahrt einer Bergbahn. Bei Gleichstromantrieben die über Stromrichter gespeist werden,

ist die Nutzbremsung praktisch bis zum Stillstand möglich, da die Ankerspannung

kontinuierlich verringert wird und der Stromrichter im Wechselrichterbetrieb arbeitet.

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

Bild!2:!Nutzbremsung!mit!Fremderregtem!Gleichstrommotor!

!!

! X2EE$ !!

104!



GP$

Beispiel:

Zum Heben einer Last werden 7,5 kW mechanische Leistung gebraucht. Der Wirkungsgrad

des Motors beträgt 85%, der Wirkungsgrad der Winde beträgt 50%. Wie groß ist die

Leistungsaufnahme des Motors beim Heben? Wie groß ist die Nutzleistung, die der Motor als

Generator im Senkbetrieb an das Netz zurückgibt, wenn gleicher Maschinenwirkungsgrad

vorausgesetzt wird.

Demoversuch:

Eine fremderregte Gleichstrommaschine (GM1) wird über eine B2C-Schaltung gespeist, der

Ansteuerungswinkel soll von α=180° verringert werden und auf einen Wert von etwa α=120°

eingestellt werden. Die Gleichstrommaschine soll sich im Motorbetrieb (z.B. Rechtslauf)

befinden. Die Leistungsaufnahme, die Ankerspannung und der Ankerstrom sollen mit

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GP$

elektronischen Messgeräten von Lukas Nülle (o. ä.) gemessen und aufgeschrieben werden.

Hierbei sollte besonders auf die aufleuchtenden LED’s eingegangen werden. Nun wird eine

zweite Gleichstrommaschine (GM2) an die GM1 gekuppelt, so dass GM1 in

entgegengesetzter Richtung angetrieben wird (Senkbetrieb einer Last). GM1 wird nun im

Linkslauf betrieben und der Steuerwinkel der B2C-Schaltung wird auf einen Wert zwischen

α=150° und α=120° eingestellt. Es stellt sich Wechselrichterbetrieb ein, die Messwerte und

die Vorzeichen der aufleuchtenden LED’s werden wiederum notiert und mit den vorher

aufgenommenen verglichen.

6.2 Bremsverfahren$bei$Drehstromasynchronmotoren$

6.2.1 Mechanische/Bremsung/

Mechanische Bremsen können am Motor angebaute, elektrisch betätigte Magnetbremsen sein.

Sie sind als Kegel-, Backen-, oder Lamellenbremsen ausgebildet. Meist sind sie so aufgebaut,

dass sie durch Federkraft anziehen und elektrisch gelüftet werden. Bei Netzausfall zieht die

Bremse dann aus Sicherheitsgründen an, so dass der Motor stillgelegt wird.

6.2.2 Bremsmotor/

Prinzip: Bild 3 zeigt eine mechanische Bremse, die durch einen Bremslüftmagneten betätigt

wird. Der Elektromagnet bewirkt, dass sich die Bremse nur löst, wenn die Wicklung des

Magneten vom Strom durchflossen wird. Bei Stromausfall wird die Bremse mithilfe der

Zugfeder betätigt.

Zugfeder

Bremsbelag

Elektromagnet

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Bild 3: Prinzip der mechanischen Bremse

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GP$

Elektrisches Schaltbild:

Bild 4: Schaltbild der mechanischen Bremse

6.2.3 Stoppmotor/

Der Stoppmotor mit Verschiebeanker und eingebauter mechanischer Bremse ist weit

verbreitet. Bei diesem drückt im Ruhezustand die Bremsfeder (3) eine auf der Welle

befestigte Bremsscheibe (5) gegen die Bremsbacken (4). Im Gegensatz zum normalen

Asynchronmotor sind beim Stoppmotor die Ständerbohrung (2) und das Läuferblechpaket (1)

kegelig ausgebildet. Beim Einschalten des Motors wirkt die im Luftspalt entstehende

magnetische Kraft so, dass der Läufer in die Ständerbohrung gezogen wird. Die Bremse ist

gelöst.

In Bild 5 sind einmal die Laufstellung (L) und die Bremsstellung (B) dargestellt.

Bild 5: Stoppmotor

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GP$

Praktische Anwendung: Die mechanische Bremse kommt bei Dreh-, Wechsel-, und

Gleichstrommotoren zum Einsatz.

Einsatzgebiete: Werkzeugmaschinen und kleine Hebemaschinen

Beispiele:

• Deckenkran: Beim Deckenkran dient die Bremse dazu, dass die Last bei Stromausfall

nicht herabfallen kann.

• Kreissäge: Bei der Kreissäge gibt es eine gesetzliche Vorschrift die besagt, dass das

Sägeblatt innerhalb von 15s stillstehen muss.

• Steilförderband: aufliegende Lasten würden bei Stromausfall zurücklaufen.

Vorteil: keine thermische Belastung.

Nachteil: mechanischer Verschleiß.

6.2.4 Elektrische/Bremsung/

Die elektrischen Bremsverfahren beruhen auf der Bremswirkung eines vom Induktionsstrom

durchflossenen Leiters im Magnetfeld und arbeiten daher verschleiß- und wartungsfrei.

6.2.4.1 Die$Gegenstrombremsung$Die Gegenstrombremsung ist für Käfigläufermotoren das einfachste und gebräuchlichste

Bremsverfahren. Zum Stillsetzen des Antriebs werden zwei Motorleitungen z.B. mithilfe von

Schützensteuerungen vertauscht, so dass sich der Umlaufsinn des Drehfeldes ändert (Bild 6).

Der Motor arbeitet im Bremsbetrieb (Gegenlauf) und entwickelt ein starkes Bremsmoment.

Damit er über den Stillstand hinaus nicht in entgegengesetzter Drehrichtung wieder hochläuft,

muss die Netzspannung bei Stillstand abgeschaltet werden. Dies geschieht durch einen mit

der Motorwelle gekuppelten Brems- oder Drehzahlwächter.

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GP$

Bild 6: Schaltbild der Gegenstrombremsung

Praktische Anwendung: Die Gegenstrombremsung kommt bei Dreh-, Wechsel-, und


Einsatzgebiete: kleine Hebemaschinen und Werkzeugmaschinen

Vorteil: einfache Steuerung

Nachteil: keine Haltbremsung.

6.2.5 Generatorische/Bremsung/

Beim generatorischen Bremsen wird der Motor von der Last angetrieben und arbeitet als

Asynchrongenerator. Die Drehzahl des Motors/Generators muss hierbei größer als die

Drehfelddrehzahl sein. Dies bedeutet, dass der Generator mit übersynchroner Drehzahl

(Läuferdrehzahl > Drehfelddrehzahl) betrieben wird. Die Drehfelddrehzahl ist durch die

Netzfrequenz bestimmt, dadurch kann die Maschine nur bis zur synchronen Drehzahl

abgebremst werden. Um die Maschine bis zum Stillstand abzubremsen, setzt man

Frequenzumrichter ein, um die Speisefrequenz des Drehfeldes, und somit die Läuferdrehzahl,

zu steuern.

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GP$

Bild 7: Generatorische Bremsung mit Energierücklieferung ins Netz

Praktische Anwendung: Die generatorische Bremsung kommt bei Dreh-, Wechsel-, und


Einsatzgebiete: Hebemaschinen und bei Bahnen als Zusatzbremse

Vorteil: Bremsenergie wird in elektrische Energie umgewandelt.

Nachteil: keine Haltbremsung.

6.3 Einsatzmöglichkeiten$elektrischer$Maschinen$

Die folgenden 4 Unterkapitel sollen vollständig im Buch Fachkunde Elektrotechnik und dem

Tabellenbuch Elektrotechnik des Verlages EUROPA LEHRMITTEL behandelt werden.

6.3.1 Betriebsarten/elektrischer/Maschinen.//

s. Fachkunde Elektrotechnik S. 466 u. Tabellenbuch Elektrotechnik S. 220.

6.3.2 Bauformen/und/Baugrößen/elektrischer/Maschinen.//

s. Fachkunde Elektrotechnik S. 467 u. Tabellenbuch Elektrotechnik S. 221 - 223.

6.3.3 Kühlung/eines/Elektromotors.//

s. Fachkunde Elektrotechnik S. 468 u. Tabellenbuch Elektrotechnik S. 222.

6.3.4 Auswahl/eines/Elektromotors./(Europa/Lehrmittel/S.469)/

s. Fachkunde Elektrotechnik S. 469-470.

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GP$

7 Wechselrichter/7.1 Einführung$Wechselrichter$

Mit Wechselrichtern wird Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt

Die Energierichtung verläuft vom Gleichstrom zum Wechselstromsystem.

Man unterscheidet zwischen statischen Wechselrichtern und rotierenden Wechselrichtern.

Ein rotierender Wechselrichter kann zum

Beispiel aus einer Gleichstrommaschine und

einem Synchrongenerator bestehen. Eine

Gleichstromquelle speist dabei eine

Gleichstrommaschine, die den Synchrongenerator

antreibt. Der Generator liefert Wechselstrom an

einen angeschlossenen Verbraucher. Wegen des

schlechteren Wirkungsgrades und der heute preisgünstigen statischen Wechselrichter findet

man diese Art nur noch selten vor.

Statische Wechselrichter sind mit Bauelementen der Leistungselektronik aufgebaut, welche

in der Regel im voll durchgesteuertem Bereich betrieben werden. (Schalterbetrieb).

7.2 Netzgeführte$und$selbstgeführte$Wechselrichter$

Wechselrichter, welche synchron zum Netz arbeiten, bezeichnet man als netzgeführte

Wechselrichter. Geht eine Gleichstrommaschine, welche über eine B2C-Schaltung an das

Netz angeschlossen ist in Generatorbetrieb über, wird die von der Gleichstrommaschine

abgegebene elektrische Leistung (Gleichstrom) über die B2C-Schaltung (Steuerwinkel α >

90°) ins Wechselstromnetz zurückgespeist. Die Energierichtung erfolgt vom Gleichstrom zum

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GP$

Wechselstromsystem. Die B2C-Schaltung arbeitet als Wechselrichter. Spannung und

Frequenz des Wechselstromnetzes sind fest vorgegeben und sorgen für die Kommutierung

des Gleichstromes von einem Stromrichterventil auf das nächste.

Wechselrichter, welche unabhängig von einem bestehenden Wechselstromnetz arbeiten

(Inselbetrieb) bezeichnet man als selbstgeführte Wechselrichter. Um aus dem

Gleichstromnetz ein Wechselstromnetz zu formen, werden die Stromrichterzweige in einem

bestimmten Takt angesteuert, um die gewünschte Frequenz zu erzielen.

7.3 Prinzip$des$Wechselrichters$mit$Ohmscher$Last$

Selbstgeführter Wechselrichter in Brückenschaltung mit ohmscher Last

Die Gleichspannung Ud wird mit wechselnder Polarität durch abwechselndes, paarweises

Schalten der diagonalen Schaltern Q1 und Q4 bzw. Q2 und Q3 an den Verbraucher RL gelegt.

Am Verbraucher RL entsteht eine rechteckförmige Wechselspannung u2 mit der Amplitude

Ud.

Die Frequenz mit der Periodendauer T lässt sich durch den Schalttakt steuern. Bei ohmschen

Verbrauchern ist der Laststrom i2 in Phase mit der Spannung u2 und ebenfalls rechteckförmig.

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GP$

Die Leistung ist für alle Zeitabschnitte positiv.

Dies bedeutet, dass die Leistung nur von der Gleichstromseite zur Wechselstromseite

transportiert wird.

Die Schalter Q1 bis Q4 stellen Bauelemente aus der Leistungselektronik dar. Es müssen

löschbare Ventile sein, damit der Stromfluss zu einem beliebigen Zeitpunkt unterbrochen

werden kann. Anwendung finden z.B. Transistoren, IGBT’s, Abschaltthyristoren (GTO) und

Thyristoren mit Löscheinrichtungen.

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GP$

7.4 Prinzip$des$Wechselrichters$mit$Ohmsch1induktiver$Last$

Werden Blindleistungsverbraucher angeschlossen, so ist die Schaltung zu erweitern, denn es

muss für die Rücklieferung der Blindleistung vom Verbraucher zur Gleichstromseite gesorgt

werden.

Dazu werden Rückstromdioden antiparallel zu den Halbleiterventilen geschaltet.

Zeitabschnitt T1:

Im Zeitabschnitt T1 leiten Q1 und Q4. An der Last liegt die Gleichspannung Ud. Der Strom

steigt wegen der Induktivität erst allmählich an. Elektrische Leistung wird von der Gleich-

spannungsquelle zum Verbraucher transportiert.

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GP$

Zeitabschnitt T2:

Im Zeitabschnitt T2 werden die Transistoren Q1 und Q4 gesperrt, Q2 und Q3 eingeschaltet.

Durch den Abbau der magnetischen Energie wird in der Induktivität eine Induktionsspannung

induziert, welche den Strom in die gleiche Richtung weiter treibt. Dabei werden die

Rückstromdioden R2 und R3 leitend. Der Gleichstrom id kehrt seine Richtung um, Die Energie

der Induktivität wird in die Batterie zurückgespeist. Der Strom klingt nach einer e-Funktion

ab. Trotz Ansteuerung sind die Transistoren Q2 und Q3 stromlos. Sie werden von den

Rückstromdioden überbrückt.

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GP$

Zeitabschnitt T3:

Der Strom hat den Wert Null erreicht, die Dioden sperren. Nun übernehmen die Transistoren

Q2 und Q3. der Laststrom ändert seine Richtung und der Verbraucher nimmt wieder Leistung

aus der Stromquelle auf.

!4

0

4

!2 23

u2i2

t

T1 T2 T3

!

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GP$

Am Verbraucher liegt während einer Periode, sowohl bei induktiver als auch bei ohmscher

Last, eine Rechteckspannung mit der Amplitude Ud. Der Stromverlauf ist unterschiedlich, je

nach Art des Verbrauchers.

7.5 Anwendungen$

7.5.1 Photovoltaikanlagen:/

Die Solarzellen, die in so genannten Solargeneratoren zusammengefasst sind, erzeugen

Gleichstrom, das Versorgungsnetz arbeitet jedoch mit 50 Hz - Wechselstrom. Der erzeugte

Gleichstrom muss also vor dem Einspeisen in einen 50 Hz -Wechselstrom (oder Drehstrom)

umgewandelt werden. Dazu dienen so genannte Wechselrichter.

Der Wechselrichter erzeugt jedoch eine Rechteckspannung. Um den Ausgang des Wechsel-

richters an das Netz (mit sinusförmiger Spannung) anzupassen verwendet man die

Pulsweitensteuerung (PWM).

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GP$

Der Wechselrichter arbeitet mit einer höheren Frequenz ( 2kHz bis 15 kHz). Die Breite der

Rechteckimpulse wird so verändert, dass man einen Spannungsmittelwert erhält, welcher

sinusförmig ist. Durch die zusätzliche Induktivität enthält man einen fast sinusförmigen

Strom. Eine sinusförmige Spannung erhält man auch durch zusätzliche Filter am Ausgang des

Wechselrichters.

7.5.2 USV9Anlagen/(/Unterbrechungsfreie/Stromversorgung)/

Englisch: Uninterruptible Power Supply (UPS), oder No brake

Französisch: Onduleur

USV-Anlagen werden in Krankenhäusern, Rechenzentren usw. um bei Störungen in deren

Stromnetz die Stromversorgung sicherzustellen.

Je nach Aufbau schützt eine USV die angeschlossenen Systeme vor folgenden Störungen:

• Stromausfall

• Unterspannung

• Überspannung

• Frequenzänderungen

• Oberschwingungen

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GP$

Man unterscheidet zwischen On-line und Off-line USV-Anlagen

Off-line USV-Anlagen:

Im Normalfall wird der Strom durch die USV ohne Spannungswandlung an die angeschlos-

sene Geräte (Rechner) weitergeleitet (eventuell mit Filter und/oder Spannungsregler). Treten

Spannungsschwankungen oder Stromausfälle auf, schaltet die Offline - USV automatisch auf

Batteriebetrieb um. Die Umschaltung auf Akkubetrieb erfolgt innerhalb von ca. 2 - 4 ms, also

praktisch ohne Unterbruch.

On-line USV-Anlagen:

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Netz Gerät


Akkumulatoren

Normalbetrieb

bei Netzausfall

~~

NetzGerät


Akkumulatoren

Filter/Spannungsregler

Normalbetrieb

bei Netzausfall

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GP$

Online USV's beliefern den Stromverbraucher (PC / Server) konstant mit künstlicher

Spannung. Die Netzspannung dient nur zum Laden der Akkus. Die Spannung wird durch

Umwandlung von Wechsel- zu Gleichstrom und wieder zurück vollkommen regeneriert. Bei

On-Line USV-Anlagen, arbeitet der Wechselrichter dauernd. Bei Netzausfall tritt am

Ausgang keinerlei Unterbrechung auf. Auch werden durch diesen Aufbau sämtliche

Störungen aus dem Netz ausgeschlossen.

7.5.3 Sonstige/Anwendungen:/

Versorgung von Geräten, die auf Netzstrom angewiesen , aber nur eine Gleichspannungs-

quelle, wie zum Beispiel eine Autobatterie, zur Verfügung steht .

7.6 Frequenzumrichter$

(Wechselrichter mit Zwichenkreisumformer)

Ein Frequenzumrichter ist ein Gerät, das aus einem Drehstrom (oder Wechselstrom) mit

bestimmter Frequenz in einen anderen Drehstrom (oder Wechselstrom) mit veränderter

Frequenz und veränderter Spannung generiert. Mit dieser umgerichteten Spannung wird dann

der Verbraucher betrieben.

Mit dem Frequenzumrichtung wird die Drehzahl von Asynchronmotoren gesteuert. Die

Drehzahl eines Asynchronmotors ist proportional zur Frequenz . ( n = f ⋅60p

).

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GP$

Im Prinzip besteht der Frequenzumrichter aus:

• Einem Gleichrichter, der einen Gleichstrom- oder Gleichspannungs-Zwischenkreis

speist,

• Im Zwischenkreis wird die Gleichspannung bzw. der Gleichstrom geglättet.

• Der Wechselrichter wird aus diesem Zwischenkreis gespeist. Die Höhe der Aus-

gangsspannung und auch deren Frequenz können in weiten Grenzen geregelt werden.

Der Drehstromasynchronmotor gibt ein konstantes Moment ab, wenn er einen konstanten

magnetischen Fluss und einen konstanten Strom erhält.

Verändert man die Frequenz an einem Asynchronmotor, so verändert sich auch der induktive

Blindwiderstand XL des Motors ( XL ~ 2 ⋅π ⋅ f ⋅L ). Der induktive Blindwiderstand des Dreh-

strommotors ändert proportional mit der Frequenz. Um den Strom aber konstant zu halten

muss also die Spannung der Frequenz angepasst werden.

Das Verhältnis Spannung / Frequenz muss somit konstant bleiben (U/f = konst), d.h. beim

Verringern der Frequenz wird proportional die Spannung verringert, und umgekehrt.

Beispiel: Motor Nenndaten 230/400 V 50 Hz Sternschaltung,

Spannung 400 V, f = 50 Hz ⇒ Uf= 400V50Hz

= 8 VHz

Werden also 25 Hz gefahren, muss eine Spannung von 200 V eingestellt werden,(Uf= 200V25Hz

= 8 VHz

)

bei 5Hz eine Spannung von 40V (Uf= 40V5Hz

= 8 VHz

)

(ideal, Verluste sind hier noch nicht berücksichtigt).

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GP$

Wir unterscheiden zwischen 2 Bereichen:

f2 < fN

Verringert man die Frequenz f2 unter die Nennfrequenz fN, nimmt der Blindwiderstand ab und

der Motorstrom würde ansteigen, also muss die Spannung angepasst werden, sie muss

gesenkt werden.

Die Drehmomentkennlinie des Motors bleibt erhalten.

f2 > fN

Bei Steigerung der Betriebsfrequenz f2 über die Nennfrequenz hinaus, ist keine

Spannungssteigerung mehr möglich (Der Scheitelwert der Ausgangsspannung kann nicht

größer werden als die Spannung im Zwischenkreis des Umrichters). Da aber der

Blindwiderstand mit zunehmender Frequenz weiter zunimmt, bewirkt das eine Verringerung

des magnetischen Flusses (Bereich der Feldschwächung). Der Motor darf nicht mehr voll

belastet werden. Die Drehmomentkennlinien zeigen mit zunehmender Feldschwächung eine

stärkere Neigung. Das Kippmoment sinkt ab.

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122!



GP$

Man kennt in der Praxis zwei Arten von Zwischenkreisumformern:

• die Spannungszwischenkreisumrichter

• die Stromzwischenkreisumrichter

7.6.1 Spannungszwischenkreisumrichter:/

Gegenwärtig stellt der Pulswechselrichter mit Spannungszwischenkreis die Standardlösung

für drehzahlgesteuerte Asynchronmaschinenantriebe im unteren und mittleren Leistungs-

bereich dar.

Spannungszwischenkreisumformer bestehen netzseitig üblicherweise aus einer ungesteuerten

Gleichrichterschaltung (B6 oder B2).

Die Spannung im Zwischenkreis (Gleichstrom) wird durch entsprechend dimensionierte

Kondensatoren geglättet. (eingeprägte Spannung).

Der Wechselrichter hat die Aufgabe, die Zwischenkreisspannug in eine dreiphasige

Wechselspannung umzuformen. Da der Wechselrichter als Eingangsspannung mit einer

Gleichspannung versorgt wird, müssen hier abschaltbare Leistungshalbleiter eingesetzt

werden. Heute kommen hier vorwiegend IGBTs zum Einsatz.

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GP$

MUVW

L1L2L3

Gleichrichter Spannungs-zwischenkreis

Wechselrichter

Leistungsteil eines Spannungszwischenkreisumrichters

7.6.2 Stromzwischenkreisumrichter:/

Stromzwischenkreisumrichter werden heute vorwiegend bei sehr großen Leistungen im

MW - Bereich eingesetzt.

Das Leistungsteil von Stromzwischenkreisumrichtern besteht netzseitig aus einer gesteuerten

Gleichrichterschaltung (B6C-Schaltung). Die Zwischenkreisspannung ist somit variabel.

Der Stromzwischenkreisumrichter arbeitet mit eingeprägtem Strom, deshalb wird der Strom

Idα im Zwischenkreis mit einer entsprechend dimensionierten Zwischenkreisdrossel geglättet.

Leistungsteil eines Stromzwischenkreisumrichters

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124!



GP$

7.6.3 Einstellmöglichkeiten/am/Frequenzumrichter:/

Sollwerte:

Der Sollwert gibt vor, mit welcher Frequenz der Motor betrieben werden soll.

Bei den modernen Frequenzumrichtern gibt es verschiedene Möglichkeiten der Sollwert-

vorgabe:

• Lokaler Sollwert

Über die Tastatur der Umrichters kann ein Sollwert lokal vorgegeben werden.

• Analogsollwert

Ein Sollwertsignal an den Analogeingängen (Spannung oder Strom).

Es gibt zwei Arten von Analogeingängen:

Stromeingang, 0-20 mA

Stromeingang, 4-20 mA.

Spannungseingang, 0-10 V DC .

Spannungseingang, -10 - +10 V DC.

• Binärsollwert

Ein über die serielle Schnittstelle oder Bus-Schnittstelle übertragenes Sollwert-signal.

• Festsollwert

Ein definierter Festsollwert, einstellbar zwischen -100 % bis +100 % des Sollwert-

bereichs. Eine Auswahl von bis zu acht Festsollwerten über die Digitalklemmen ist

möglich.

(-100% = Maximale Drehzahl Linkslauf; +100% = maximale Drehzahl Rechtslauf)

Der Sollwertbereich, Bereich in welchem der Sollwert eingestellt werden kann wird durch die

minimale und die maximale Frequenz (Drehzahl) bestimmt. (z.B. 20Hz......80Hz )

Rampen:

Wird der Sollwert der Ausgangsfrequenz geändert, ändert die Ausgangsfrequenz nicht schlag-

artig, sondern sie wir allmählich angepasst. Dies gilt sowohl für den Hochlauf als auch für das

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GP$

Abbremsen. Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten können separat eingestellt werden.

Die einstellbaren Zeiten sind abhängig vom Gerät (z.B 0,01s ....3600,00s)

Die Rampenzeiten müssen an die jeweilige Anwendung angepasst werden. (Bauart und

Funktionsweise der Maschine, Trägheit der Last usw.)

Wird die Hochlauframpe zu kurz gewählt, kann der benötigte Anlaufstrom zu hoch werden

und die Strombegrenzung des Frequenzumrichters wird aktiv.

Wird die Verzögerungszeit zu kurz gewählt, (großes Trägheitsmoment) geht der Motor in

Generatorbetrieb über. Die Mechanische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt

und gelangt über den Wechselrichter in den Zwischenkreis. Bei Spannungszwischenkreis-

umformern mit nicht gesteuerten Gleichrichtern kann diese Energie nicht in das Netz zurück-

gespeist werden. Die Spannung im Zwischenkreis steigt an und der Frequenzumrichter

schaltet ab. Diesem Problem kann man durch Verwenden vom Bremschopper und Brems-

widerständen begegnen.

Bremsen:

Generatorisches Bremsen mit Bremswiderstand

Das Bremsen mit Bremswiderstand soll die Spannung im Zwischenkreis bei generatorischem

Betrieb des Motors begrenzen. Wenn die Last den Motor antreibt, z.B. beim Runterfahren der

Rampe, wird Leistung in den Zwischenkreis zurückgeführt. Da der Zwischenkreis diese

Leistung nicht unbegrenzt aufnehmen kann, ist eventuell ein Bremschopper und externem

Bremswiderstand vorzusehen.

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GP$

Wird die Spannung im Zwischenkreis zu hoch, wird der Transistor Q7 impulsweise

durchgeschaltet und leitet die überschüssige Energie an den Bremswiderstand ab.

DC - Bremsung

Um den Motor abzubremsen kann auch die Gleichstrombremsung verwendet werden. Sie

kann bei der Programmierung der Frequenzumrichter aktiviert werden. Hierbei müssen

Bremsstrom und Bremszeit definiert werden.

Eckfrequenz:

Eine Möglichkeit der erhöhten Motorausnutzung ist die Dreieckschaltung mit der

Eckfrequenz feck = 87 Hz. Die Eckfrequenz ist die Frequenz bei welcher der Umrichter die

maximale Ausgangsspannung abgibt.)

Anhand eines Beispieles soll die Wirkungsweise erklärt werden:

Der Umrichter hat eine Nenneingangsspannung von 400 V. Der Motor ist gewickelt für eine

Spannung von 230 V / 400 V Δ/Y, 50 Hz. Aufgrund dieser Daten wird am Umrichter

folgende Einstellung vorgenommen:

Y Motorspannung = 230 V, Motornennfrequenz = 50 Hz; → der Motor wird in Dreieck

geschaltet.

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GP$

Der Frequenzumrichter erreicht die maximale Ausgangsspannung erst bei einer Frequenz von

HzHz 87350 =⋅ .

Durch Umschalten des Motors von Stern- auf Dreieckschaltung wird die Motorspannung von

400 V nach 230 V herabgesetzt. Der Nennstrom wird um den Faktor 3 erhöht.

Bei der Inbetriebnahme, wird der Motor bei der Frequenz von 50 Hz mit seiner Nenn-

spannung von 230V betrieben. Bei der Frequenz von 87 Hz wird er mit 400V gespeist. Dabei

wird er die 3 - fache Leistung entwickeln und bis zur Frequenz von 87 Hz ein konstantes

Drehmoment abgeben. Bei der Wahl des Frequenzumrichters ist darauf zu achten, dass der

Umrichter für den höheren Strom bzw die höhere Leistung ausgelegt ist.

Drehzahlreglung:

Die angegebenen möglichen Einstellungen sind nur eine Auswahl der wichtigsten

Einstellungen, welche an modernen Frequenzumrichtern vorgenommen werden können. Oft

sind in Frequenzumrichtern PID-Regler integriert. In diesem Fall können Schwankungen z.B.

durch Laständerung durch den integrierten Regler ausgeregelt werden. Hierzu ist eine

Rückmeldung des Istwertes notwendig. Dies wird durch entsprechende Geber welche an den

Frequenzumrichter angeschlossen werden erreicht.

TECEN X2EE stud

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