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Lehrveranstaltung„Umwandlung elektrischer Energie mit Leistungselektronik“

Spannungszwischenkreisumrichter(Pulsumrichter)

Prof. Dr.‐Ing. Ralph Kennel

(ralph.kennel@tum.de)

Technische Universität München

Arcisstraße 21

80333 München

Electrical Energy Conversion by Converters(Power Electronics)

Rectifier Inverter

Converter… if output frequency = input frequency :

(AC) Power Controller

DC/DC ConverterChopper Controller

Gleichrichter Wechselrichter

Gleichstromsteller

Umrichter (wenn Ausgangsfrequenz identisch zu Eingangsfrequenz: Drehstromsteller)

ConvertersconvertersStromrichter

buck converterTiefsetzsteller

(AC) power controllerDrehstromsteller

chopper controllerGleichstromsteller

convertersUmrichter

power controllersSteller

boost converterHochsetzsteller

direct converterDirektumrichter

cyclo converter

matrix converterMatrixumrichter

RectifierGleichrichter

InverterWechselrichter

link inverterZwischenkreisumrichter

current source inverter(CSI)

Stromzwischenkreisumrichter

resonance inverterResonanzumrichter

voltage source inverter(VSI)

Spannungszwischenkreisumrichter

Spannungszwischenkreisumrichter(Pulsumrichter)

+

-

+

-

+

-

Motor

U0

Spannungszwischenkreisumrichter(Pulsumrichter)

AnsteuerungsartenSpannungszwischenkreisumrichter

AnsteuerungsartenSpannungszwischenkreisumrichter

Spannungsverläufe bei Blocksteuerung

an der Motorwicklung wird bei Mehrphasenwicklungendie verkettete Spannung wirksam

die resultierende Strangspannung im Motor kommtder Sinusform näher als die Strangspannung am Umrichter !!!

uR uS uTuM0

uR0uRS

symmetrisches und unsymmetrisches Unterschwingungsverfahren

symmetrisch unsymmetrisch

Pulsmuster einer 3phasigen PWM

Strommessung im Unterschwingungsverfahren

Raumzeiger(modulation)

+

-

+

-

+

-

Motor

U0

Raumzeiger(modulation)

Raumzeiger(modulation)

freie Wahl des Nullvektors

Raumzeiger(modulation)freie Wahl des Nullvektors

Raumzeiger(modulation)

TINV

PWM-ModulatorenHardware-Realisierung als ASIC oder FPGA

Spannungsverläufe bei Pulsbreitenmodulation (PWM)Pulsmuster variieren mit Arbeitspunkt und dem Frequenzverhältnis

Spannungsverläufe bei Pulsbreitenmodulation Oberschwingungen in Speisespannungen (Rechteckform)

Vergleich :PWM Zweipunkt-Stromregler

Vorteil : sehr dynamischNachteil : variable Schaltfrequenz

PWM-Verfahren

PWM-Verfahrenähnliche, aber ungleiche Pulsmuster

Unterschwingungsverfahren

Differences in PWM methods

Unterschwingungsverfahren

… Zumischen der 3. Harmonischen1/6 der Grundwellenamplitude

… Zumischen der 3. Harmonischen1/4 der Grundwellenamplitude

PWM nach Schörner

Raumzeigermodulation

Erweiterung des Ausgangsspannungsbereichsdas „Zumischen“ der 3. Harmonischen

ist auch im „Unterschwingungsverfahren möglich

„Zumischen“ der 3. Harmonischen

1/6 der Grundwellenamplitude

Raumzeigermodulation

Vergleich von Oberschwingungsspektrenzwischen Unterschwingungsverfahren,

PWM mit dritter Harmonischer und Raumzeigermodulation

Unterschwingungsverfahren

PWM mit dritter Harmonischer

Raumzeigermodulation

Discontinuous PWM Schemes

60 ° Flat Top PWM

30 ° Flat Top PWM

Vergleichzwischen Raumzeigermodulation

und 30 ° Flat Top PWM

Raumzeigermodulation

30 ° Flat Top PWM

120 ° Flat Top PWM

Vergleich von Oberschwingungsspektrenzwischen Raumzeigermodulation

und 60 ° Flat Top PWM

60 ° Flat Top PWM

Raumzeigermodulation

Vergleich von Oberschwingungsspektrenzwischen Raumzeigermodulation

und 60 ° Flat Top PWM

60 ° Flat Top PWM

Raumzeigermodulation

Vergleich von Oberschwingungsströmen

kontinuierliche und diskontinuierliche PWM

Summary PWM methods

Einspeisung Netzseite

- - -

Netz

U0≈

0

20

40

60

80

100

120

H1 H3 H5 H7 H9 H11 H13 H15 H17 H19 H21

without filtering

Ladestromrichter+

-

+

-

+

-

Netz

U0≈

line voltage

line current

motoring

regeneration

Stromkurvenform

0

20

40

60

80

100

120

H1 H3 H5 H7 H9 H11 H13 H15 H17 H19 H21

with optimized filtering

Wirkungsgradin Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung

Lehrveranstaltung„Umwandlung elektrischer Energie mit Leistungselektronik“

Auslegung Zwischenkreiskondensator

Auslegung Zwischenkreiskondensator

Achtung !!!!

… es geht

nicht um die Blindleistung

für die Last !!!

+

-

+

-

+

-

Motor

U0

Reactive Power

+

-

+

-

+

-

Motor(e. g. induction machine)

U0

induction machines needreactive power

for magnetization… where does

reactive powercome from ???

… it is no problem for the inverter to provide it

… as the sumof reactive power

in all 3 phases is zero („0“) !

Reactive Power

+

-

+

-

+

-

Motor(e. g. induction machine)

U0

… it is no problem for the inverter to provide it

… as the sumof reactive power

in all 3 phases is zero („0“) !

… with regard to reactive power the inverter is like a marshalling yard (switching station) for trains !

Reactive Power

+

-

+

-

+

-

Motor(e. g. induction machine)

U0

… with regard to reactive power the inverter is like a marshalling yard (switching station) for trains !

… therefore inverters can be used easily for compensating reactive power in grids !

… especially in regenerative energy applicationslike wind power farms or solar power arrays !

Auslegung Zwischenkreiskondensator

Kriterien

• Energie : EC = ½ * C * UC2

• Energieschwankungen :

∆EC = ½ * C * [(UC + ∆U)2 - UC2 ]

• Kapazität :

C = 2 * ∆EC / [∆U * (2*UC + ∆U)]

Auslegung Zwischenkreiskondensator

Beispiel : einphasiges Einspeisen

• Kapazität :

C = 2 * ∆EC / [∆U * (2*UC + ∆U)]

+

-

+

-

+

-Motor

U0

C = 1800 µF

10 kWhalbe Netzperiode 10 ms

∆EC = 100 Ws

Netzspannung 550 V Netzspannungsschwankung ∆U = 10 V80

11800

1

1250000

Auslegung Zwischenkreiskondensator

Beispiel : einphasiges Einspeisen

• Kapazität :

C = 2 * ∆EC / [∆U * (2*UC + ∆U)]

+

-

+

-

+

-Motor

U0

C = 1800 µF

10 kWhalbe Netzperiode 10 ms

∆EC = 100 Ws

Netzspannung 550 V Netzspannungsschwankung ∆U = 10 V80

11800

1

1250000

Auslegung Zwischenkreiskondensator

Kriterien

• Taktfrequenz : C = I * tt / ∆U

• Netzspannungsschwankungen :

C = I * tnetz / 2 * ∆U (2 puls-Brücke)

C = I * tnetz / 6 * ∆U (6 puls-Brücke)

• induktive Last …

Auslegung Zwischenkreiskondensator

EL = ½ L I2

+

-

+

-

U0

z. B. 100 A z. B. 200 µH z. B. 420 µF

= ½ 200 106 * 100 100 Ws

= 106 * 10-6 Ws

= 1 Ws

Auslegung Zwischenkreiskondensator

EC = ½ C Umax2 - ½ C Unenn

2

+

-

+

-

U0

z. B. 100 A z. B. 200 µH z. B. 420 µF

C = 2 * EC / (Umax2 - Unenn

2)

= 2 * 1 / (4002 - 3202) F

= 35 µF

= ½ C (Umax2 - Unenn

2)

… das ist nicht viel …

Auslegung Zwischenkreiskondensator

Kriterien

• das Abspeichern der kinetischen Energie eines Antriebs

ist unrealistisch !!!

• Abhilfemaßnahmen :

• … schnelle Überwachung und Abschaltung (im µs-Bereich)

(Folge : „Austrudeln“ des Antriebs)

• … Ballastschalter mit Widerstand im Zwischenkreis

(Folge : Abbremsen des Antriebs)

Auslegung Zwischenkreiskondensator

Vorsicht bei Einsatz großer Kapazitäten(z. B. Elektrolytkondensatoren)

• … die große Kapazität sorgt für sehr geringe Spannungsschwankungen

dies bedeutet allerdings

einen deutlich erhöhten Wechselstrom (Schaltfrequenz) !!!

• viele (Elektrolyt-)Kondensatoren sind

für eine erhöhte Wechselstrombelastung nicht ausgelegt (siehe Datenblatt) !!!

• … die Wechselstrombelastbarkeit des Zwischenkreiskondensators

ist häufig maßgebend für die Auslegung !!!

• die Kapazität des Zwischenkreiskondensators

ist dadurch ggf. größer als rechnerisch notwendig!!!

KFZ‐spezifische Schaltungen

Lehrveranstaltung„Umwandlung elektrischer Energie mit Leistungselektronik“

KFZ‐spezifische SchaltungenHalbleiterbauelemente

Reduzierte Anzahl von Halbleiterschaltern

• Kosten Anzahl der HalbleiterschalterAbstriche bei der Performance !

das war früherbei den Gleichstrommotor-Kommutatoren

auch so !!! heute : Kosten Kommutator

Gesamtbaugröße (Materialeinsatz)

Frage :… ist zu erwarten, dass zukünftig

Kosten Leistungselektronik Siliziumfläche ??? kann man etwas tun

diesen Prozess (Kostenreduktion)zu beschleunigen ?

Feldeffekt-Transistoren (FET)

• Spannungsbereich ausreichend• hohe Schaltfrequenz

KFZ-typische Umrichtertopologieindustrieübliche Umrichtertopologie

KFZ‐spezifische SchaltungenTopologie

+

-

+

-

industrieübliche Umrichtertopologie

+ +

--

KFZ-typische Umrichtertopologie

Gründe

• niedrige Spannungsversorgung(nur 1 Schalter in Reihe)

• weniger Halbleiterschalter(aber : aufwändigere Wicklung)

1 Strang des Motors

parallele Wicklung