Pulsumrichter - EAL Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und

Lehrveranstaltung
„Umwandlung elektrischer Energie mit Leistungselektronik“
Spannungszwischenkreisumrichter
(Pulsumrichter)
Prof. Dr.‐Ing. Ralph Kennel
([email protected])
Technische Universität München
Arcisstraße 21
80333 München
Electrical Energy Conversion by Converters
(Power Electronics)
Umrichter (bei Frequenz = 0 : Drehstromsteller)
Converter
… if output frequency = input frequency :
(AC) Power Controller
Gleichrichter
Rectifier
Inverter
DC/DC Converter
Chopper Controller
Gleichstromsteller
Wechselrichter
Converters
converters
Stromrichter
power controllers
converters
Steller
Umrichter
(AC) power controller
Rectifier
Drehstromsteller
Gleichrichter
chopper controller
Direktumrichter
boost converter
Hochsetzsteller
buck converter
Tiefsetzsteller
Wechselrichter
direct converter
Gleichstromsteller
Inverter
matrix converter
link inverter
Matrixumrichter
Zwischenkreisumrichter
cyclo converter
voltage source inverter
(VSI)
current source inverter
(CSI)
Stromzwischenkreisumrichter
Spannungszwischenkreisumrichter
resonance inverter
Resonanzumrichter
Spannungszwischenkreisumrichter
(Pulsumrichter)
+
+
+
U0
Motor
-
-
-
Spannungszwischenkreisumrichter
(Pulsumrichter)
Ansteuerungsarten
Spannungszwischenkreisumrichter
Ansteuerungsarten
Spannungszwischenkreisumrichter
Spannungsverläufe bei Blocksteuerung
uR0
uM0
uRS
uR
uS
uT
an der Motorwicklung wird bei Mehrphasenwicklungen
die verkettete Spannung wirksam
die resultierende Strangspannung im Motor kommt
der Sinusform näher als die Strangspannung am Umrichter !!!
symmetrisches und unsymmetrisches
Unterschwingungsverfahren
symmetrisch
unsymmetrisch
Pulsmuster einer 3phasigen PWM
Strommessung im Unterschwingungsverfahren
Raumzeiger(modulation)
+
+
+
U0
Motor
-
-
-
Raumzeiger(modulation)
Raumzeiger(modulation)
freie Wahl des Nullvektors
Raumzeiger(modulation)
freie Wahl des Nullvektors
Raumzeiger(modulation)
TINV
PWM-Modulatoren
Hardware-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 dynamisch
Nachteil : variable Schaltfrequenz
PWM-Verfahren
PWM-Verfahren
ähnliche, aber ungleiche Pulsmuster
Unterschwingungsverfahren
Raumzeiger(modulation)
Differences in PWM methods
Unterschwingungsverfahren
… Zumischen der 3. Harmonischen
1/6 der Grundwellenamplitude
… Zumischen der 3. Harmonischen
1/4 der Grundwellenamplitude
PWM nach Schörner
Raumzeigermodulation
Erweiterung des Ausgangsspannungsbereichs
das „Zumischen“ der 3. Harmonischen
ist auch im „Unterschwingungsverfahren möglich
„Zumischen“ der 3. Harmonischen
1/6 der Grundwellenamplitude
Raumzeigermodulation
Vergleich von Oberschwingungsspektren
zwischen Unterschwingungsverfahren,
PWM mit dritter Harmonischer und Raumzeigermodulation
Unterschwingungsverfahren
PWM mit dritter Harmonischer
Raumzeigermodulation
Discontinuous PWM Schemes
60 ° Flat Top PWM
30 ° Flat Top PWM
Vergleich
zwischen Raumzeigermodulation
und 30 ° Flat Top PWM
Raumzeigermodulation
30 ° Flat Top PWM
120 ° Flat Top PWM
Vergleich von Oberschwingungsspektren
zwischen Raumzeigermodulation
und 60 ° Flat Top PWM
Raumzeigermodulation
60 ° Flat Top PWM
Vergleich von Oberschwingungsspektren
zwischen Raumzeigermodulation
und 60 ° Flat Top PWM
Raumzeigermodulation
60 ° Flat Top PWM
Vergleich von Oberschwingungsströmen
kontinuierliche und diskontinuierliche PWM
Summary PWM methods
Einspeisung Netzseite
≈
U0
Netz
-
-
without filtering
120
100
80
60
40
20
0
H1
H3
H5
H7
H9
H11
H13
H15
H17
H19
H21
Ladestromrichter
+
+
+
≈
U0
Netz
-
-
-
Stromkurvenform
motoring
regeneration
with optimized filtering
line current
120
100
80
line voltage
60
40
20
0
H1
H3
H5
H7
H9
H11
H13
H15
H17
H19
H21
Wirkungsgrad
in Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung
Auslegung Zwischenkreiskondensator
+
+
+
U0
Motor
-
-
-
Achtung !!!!
… es geht
nicht um die Blindleistung
für die Last !!!
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
80 V
Netzspannung  550
Netzspannungsschwankung ∆U = 10
1 V
Beispiel : einphasiges Einspeisen
+
+
+
U0
Motor
halbe Netzperiode 10 ms
• Kapazität :
-
-
-
∆EC = 10 Ws
C = 2 * ∆EC / [∆U * (2*UC + ∆U)]
C = 125000
11800
1800 µF
10 kW
Auslegung Zwischenkreiskondensator
Kriterien
• Taktfrequenz : C = I * tt / ∆U
• Netzspannungssschwankungen :
C = I * tnetz / 2 * ∆U (2 puls-Brücke)
C = I * tnetz / 6 * ∆U (6 puls-Brücke)
• induktive Last …
Auslegung Zwischenkreiskondensator
+
+
z. B. 420 µF
z. B. 100 A
z. B. 200 µH
U0
EL = ½ L
-
I2
-
= ½ 200 106 * 100 100 Ws
= 106 * 10-6 Ws
= 1 Ws
Auslegung Zwischenkreiskondensator
+
+
z. B. 420 µF
z. B. 100 A
U0
-
-
EC = ½ C Umax2 - ½ C Unenn2
= ½ C (Umax2 - Unenn2)
C = 2 * EC / (Umax2 - Unenn2)
= 2 * 1 / (4002 - 3202) F
= 35 µF
… das ist nicht viel …
z. B. 200 µH
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)
Seminar
Robert Bosch Kolleg
„Grundlagen - Leistungselektronik und Systemauslegung
für das E-Fahrzeug“
„Spannungszwischenkreisumrichter,
Pulsumrichter“
KFZ‐spezifische Schaltungen
KFZ‐spezifische Schaltungen
Halbleiterbauelemente
industrieübliche Umrichtertopologie
KFZ-typische Umrichtertopologie
KFZ‐spezifische Schaltungen
Halbleiterbauelemente
industrieübliche Umrichtertopologie
Reduzierte Anzahl von
Halbleiterschaltern
• Kosten  Anzahl der Halbleiterschalter
Abstriche bei der Performance !
das war früher
Feldeffekt-Transistoren
(FET)
bei den Gleichstrommotor-Kommutatoren
auch so !!!
• Spannungsbereich ausreichend
heute
: Kosten Kommutator 
•hohe
Schaltfrequenz
Gesamtbaugröße (Materialeinsatz)
Frage :
… ist zu erwarten, dass zukünftig
Kosten Leistungselektronik  Siliziumfläche ???
 kann man etwas tun
diesen Prozess (Kostenreduktion)
zu beschleunigen ?
KFZ-typische Umrichtertopologie
KFZ‐spezifische Schaltungen
Topologie
industrieübliche Umrichtertopologie
+
KFZ-typische Umrichtertopologie
+
+ +
1 Strang des Motors
parallele Wicklung
-
-Gründe
• niedrige Spannungsversorgung
(nur 1 Schalter in Reihe)
• weniger Halbleiterschalter
(aber : aufwändigere Wicklung)
- -