Zusammenfassung
Mit der Einführung des Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT) um 1980 nahm die Bedeutung selbstgeführter, pulsweitenmodulierter (pulse width modulated (PWM)) Gleichspannungszwischenkreisstromrichter (U-Stromrichter) kontinuierlich zu. Die einfachste Schaltungskonfiguration eines U-Stromrichters ist der zweistufige bzw. Zweipunkt-Stromrichter (z. B. [4, 5]). Mit IGBTs als aktiv ein- und ausschaltbaren Leistungshalbleitern dominiert diese Topologie bei Niederspannungsantrieben (U N < 1000 V) sowie Stromrichtern von Schienenfahrzeugen.
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- 1.
Die Funktion des Bremschoppers wird detailliert im Unterabschn. 2.4.7 beschrieben.
- 2.
Die Funktionsweise dieser Modulation wird im Unterabschn. 2.2.5 sowie im Kap. 3 behandelt.
- 3.
Ein derartiger Schalter wird in Niederspannungsstromrichtern in der Regel durch einen Transistor (z. B. IGBT, MOSFET oder Bipolartransistor) verwirklicht.
- 4.
Die Diode D wird in einer derartigen Schaltungskonfiguration häufig als Inversdiode bezeichnet.
- 5.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird in Abb. 2.5 und allen nachfolgenden Abbildungen auf eine Darstellung des Steueranschlusses von T verzichtet.
- 6.
Da der Kondensatormittelpunkt in den meisten Topologien für die Funktion der Schaltung nicht benötigt wird, ist er in praktischen Realisierungen in der Regel nicht verfügbar.
- 7.
In realen Stromrichtern kann dieser Schaltzustand vor Beginn der Modulation (i U = 0) bzw. nach der Feststellung eines Fehlers und der Einleitung einer Schutzroutine (z.B. Impulssperre) im Stromrichter auftreten. Im zuletzt genannten Fall ist der Strom i U in der Regel ungleich null.
- 8.
Reale Leistungshalbleiterkonfigurationen sind jedoch in der Lage, den Kurzs chlusszustand zu erkennen und zu beherrschen.
- 9.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die diskreten Werte der Schaltfunktion prinzipiell auch anders gewählt werden könnten. Je nach mathematischer Beschreibung und leistungselektronischer Topologie kann die Schaltfunktion z. B. ebenso die Werte − 1 und 1 annehmen.
- 10.
Die Abkürzung ‚car‘ ist von dem englischen Begriff carrier (Träger) abgeleitet.
- 11.
Wie zu erwarten, ergibt sich (2.5) für c ref = 0 aus (2.24).
- 12.
Für analytische Berechnungen und Simulationen können auch andere Integrationsgrenzen z. B. das Intervall [t − T C/2, t + T C/2] gewählt werden.
- 13.
Bei der praktischen Implementierung des Sinus-Dreieck-Vergleiches zur Erzeugung des Schaltsignals in digitalen Steuerungen und Regelungen wird der sinusförmige Verlauf der Referenzspannung quantisiert (s. Kap. 3). Man spricht in Abgrenzung zum natural sampling bei Einsatz einer sinusförmigen Referenzspannung vom regular sampling, wenn die Referenzspannung z. B. zu Beginn einer neuen Trägerperiode jeweils den Wert der sinusförmigen Referenz zugewiesen bekommt, der dann während einer Periode der Trägerfrequenz zur Bestimmung der Schnittpunkte mit dem Trägersignal konstant gehalten wird.
- 14.
Da sich die Spannungen u UD sowie u UM nach (2.7) nur durch den Term U d/2 unterscheiden, ist das Amplitudenspektrum der beiden Spannungen mit Ausnahme der Amplitude der Grundschwingungen identisch.
- 15.
Bei Verwendung realer Leistungshalbleiter wird schon bei einem Modulationsgrad der geringfügig kleiner als 1 ist (z. B. m a = 0,99) die minimale Ein- bzw. Ausschaltzeit der Leistungshalbeiter erreicht, so dass eine weitere Vergrößerung des Modulationsgrades zur Unterdrückung und somit dem Wegfall von Impulsen mit kleineren Pulsbreiten als D t min führt (Abb. 2.22a).
- 16.
Die sich aus der Eliminierung von Spannungspulsen bei unterschiedlichen Frequenzverhältnissen ergebenden Funktionen Û UM,1 = f(m a) können analog betrachtet bzw. einfach hergeleitet werden.
- 17.
Um Volumen und Gewicht des Transformators zu minimieren, wird der U-Stromrichter in derartigen Anwendungen im Allgemeinen bei mittleren bzw. hohen Schaltfrequenzen betrieben. Die Höhe der Schaltfrequenz wird dabei durch die Anforderungen der Anwendung sowie die verwendeten Leistungshalbleiter bestimmt. Bei mittleren Stromrichterleistungen (S = x kVA–x 100 kVA) liegen typische Schaltfrequenzen in einem Bereich von z. B. 1 kHz–x 10 kHz.
- 18.
In realen Stromrichtern können unsymmetrische Spannungen z. B. durch nicht ideale Eigenschaften elektronischer Komponenten in der Stromrichterregelung verursacht werden.
- 19.
Der Begriff Leiter-Leiter-Spannung bzw. verkettete Spannung ist bei der Beschreibung von dreiphasigen Drehstromsystemen für die zwischen den Leitern zweier Phasen messbare Spannung üblich. Hier soll der Begriff bereits benutzt werden, da die Ausgangsspannung der Vollbrückenschaltung dieser Definition entspricht.
- 20.
Parasitäre Widerstände treten z. B. in realen Induktivitäten bzw. angeschlossenen Zweipolen auf.
- 21.
Bei der Wahl der Schaltfrequenz in realen Stromrichtern ist u. a. auch zu beachten, dass der Verzerrungsstrom in der Regel weitere negative Auswirkungen auf einen angeschlossenen Zweipol hat. So werden z. B. bei Anschluss einer elektrischen Maschine unerwünschte Pendelmomente durch den Verzerrungsstrom verursacht. In einem Netz verursacht der Verzerrungsstrom nichtsinusförmige Spannungsabfälle über Netzimpedanzen, wodurch unerwünschte Spannungsoberschwingungen hervorgerufen werden.
- 22.
und somit nicht ganz exakt
- 23.
Es ist zu beachten, dass eine konstante Gleichspannung U d Voraussetzung für die Berechnung von i d2,2 ist. Die auf diesem Wege berechnete Kapazität wird mit steigender Spannungsabweichung ungenauer, da i d2,2 stärker von dem in (2.84) angegebenen Verlauf abweicht.
- 24.
Bei einer Kondensatorauslegung realer Stromrichter müssen die Harmonischen der Zwischenkreisströme i d1 sowie i d2 ebenso berücksichtigt werden, wie z. B. der Effektivstrom, die Temperatur und die Lebensdauer des Kondensators.
- 25.
Die Dauer von Schaltvorgängen ist abhängig von mehreren Bedingungen wie z. B. der Schaltung, existierenden Streuinduktivitäten, der zu schaltenden Spannung, des zu kommutierenden Stroms, den verwendeten Leistungshalbleitern sowie deren Sperrschichttemperaturen und Ansteuerungen. Die Dauer harter Schaltvorgänge typischer 1200 V IGBTs beträgt z. B. einige Mikrosekunden.
- 26.
Da sich der gleitende Mittelwert durch die Einführung der Totzeit entsprechend einer Rechteckfunktion (s. (2.89)-(2.91), Abb. 2.58) im Vergleich zu der idealisierten Betrachtung ohne Totzeit ändert, werden durch die Totzeit niederfrequente Spannungsoberschwingungen (wie dritte, fünfte, siebente, usw. Harmonische) in den Mittelpunkt- sowie Lastspannungen einphasiger sowie in den Mittelpunkt-, Phasen- und Leiter-Leiter-Spannungen dreiphasiger U-Stromrichter verursacht [5].
- 27.
Zur Vereinfachung der Betrachtungen wird nachfolgend die Wirkung der in realen Stromrichtern vorzusehenden Totzeit (Unterabschn. 2.3.3) vernachlässigt.
- 28.
Eine detaillierte Analyse der Schaltzustände und ein Vergleich zur Raumvektormodulation erfolgt in Kap. 3.
- 29.
Weitere Details zur Positionierung und Reihenfolge der Spannungspulse sowie den Auswirkungen dieser Spannungsbildung werden im Kap. 3 diskutiert.
- 30.
Gleichtaktkomponenten wurden im Unterabschn. 2.4.2 eingeführt. Eine Ableitung von (2.120) kann Unterabschn. 3.2.5 entnommen werden.
- 31.
Literatur
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Müller, G.: Grundlagen elektrischer Maschinen. Wiley-VCH, Austria (1994)
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Wilson, J.W.A., Yeamans, J.A.: Intrinsic harmonics of idealized inverter PWM systems. 1976 IEEE/IAS Annual Meeting, S. 967–973, (1976)
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Bernet, S., Weber, J. (2012). Zweistufige Stromrichter mit eingeprägter Gleichspannung. In: Selbstgeführte Stromrichter am Gleichspannungszwischenkreis. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-540-68861-7_2
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