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Lehrveranstaltung„Umwandlung elektrischer Energie mit Leistungselektronik“
Spannungszwischenkreisumrichter(Pulsumrichter)
Prof. Dr.‐Ing. Ralph Kennel
Technische Universität München
Arcisstraße 21
80333 München
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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)
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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
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Spannungszwischenkreisumrichter(Pulsumrichter)
+
-
+
-
+
-
Motor
U0
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Spannungszwischenkreisumrichter(Pulsumrichter)
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AnsteuerungsartenSpannungszwischenkreisumrichter
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AnsteuerungsartenSpannungszwischenkreisumrichter
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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
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symmetrisches und unsymmetrisches Unterschwingungsverfahren
symmetrisch unsymmetrisch
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Pulsmuster einer 3phasigen PWM
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Strommessung im Unterschwingungsverfahren
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Raumzeiger(modulation)
+
-
+
-
+
-
Motor
U0
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Raumzeiger(modulation)
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Raumzeiger(modulation)
freie Wahl des Nullvektors
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Raumzeiger(modulation)freie Wahl des Nullvektors
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Raumzeiger(modulation)
TINV
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PWM-ModulatorenHardware-Realisierung als ASIC oder FPGA
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Spannungsverläufe bei Pulsbreitenmodulation (PWM)Pulsmuster variieren mit Arbeitspunkt und dem Frequenzverhältnis
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Spannungsverläufe bei Pulsbreitenmodulation Oberschwingungen in Speisespannungen (Rechteckform)
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Vergleich :PWM Zweipunkt-Stromregler
Vorteil : sehr dynamischNachteil : variable Schaltfrequenz
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PWM-Verfahren
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PWM-Verfahrenähnliche, aber ungleiche Pulsmuster
Unterschwingungsverfahren
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Differences in PWM methods
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Unterschwingungsverfahren
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… Zumischen der 3. Harmonischen1/6 der Grundwellenamplitude
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… Zumischen der 3. Harmonischen1/4 der Grundwellenamplitude
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PWM nach Schörner
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Raumzeigermodulation
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Erweiterung des Ausgangsspannungsbereichsdas „Zumischen“ der 3. Harmonischen
ist auch im „Unterschwingungsverfahren möglich
„Zumischen“ der 3. Harmonischen
1/6 der Grundwellenamplitude
Raumzeigermodulation
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Vergleich von Oberschwingungsspektrenzwischen Unterschwingungsverfahren,
PWM mit dritter Harmonischer und Raumzeigermodulation
Unterschwingungsverfahren
PWM mit dritter Harmonischer
Raumzeigermodulation
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Discontinuous PWM Schemes
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60 ° Flat Top PWM
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30 ° Flat Top PWM
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Vergleichzwischen Raumzeigermodulation
und 30 ° Flat Top PWM
Raumzeigermodulation
30 ° Flat Top PWM
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120 ° Flat Top PWM
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Vergleich von Oberschwingungsspektrenzwischen Raumzeigermodulation
und 60 ° Flat Top PWM
60 ° Flat Top PWM
Raumzeigermodulation
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Vergleich von Oberschwingungsspektrenzwischen Raumzeigermodulation
und 60 ° Flat Top PWM
60 ° Flat Top PWM
Raumzeigermodulation
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Vergleich von Oberschwingungsströmen
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kontinuierliche und diskontinuierliche PWM
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Summary PWM methods
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Einspeisung Netzseite
- - -
Netz
U0≈
0
20
40
60
80
100
120
H1 H3 H5 H7 H9 H11 H13 H15 H17 H19 H21
without filtering
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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
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Wirkungsgradin Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung
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Lehrveranstaltung„Umwandlung elektrischer Energie mit Leistungselektronik“
Auslegung Zwischenkreiskondensator
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Auslegung Zwischenkreiskondensator
Achtung !!!!
… es geht
nicht um die Blindleistung
für die Last !!!
+
-
+
-
+
-
Motor
U0
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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“) !
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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 !
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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 !
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Auslegung Zwischenkreiskondensator
Kriterien
• Energie : EC = ½ * C * UC2
• Energieschwankungen :
∆EC = ½ * C * [(UC + ∆U)2 - UC2 ]
• Kapazität :
C = 2 * ∆EC / [∆U * (2*UC + ∆U)]
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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
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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
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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 …
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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
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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 …
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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)
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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!!!
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KFZ‐spezifische Schaltungen
Lehrveranstaltung„Umwandlung elektrischer Energie mit Leistungselektronik“
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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
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KFZ‐spezifische SchaltungenTopologie
+
-
+
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industrieübliche Umrichtertopologie
+ +
--
KFZ-typische Umrichtertopologie
Gründe
• niedrige Spannungsversorgung(nur 1 Schalter in Reihe)
• weniger Halbleiterschalter(aber : aufwändigere Wicklung)
1 Strang des Motors
parallele Wicklung