Elektrische Antriebe 4

Bevor die verschiedenen Stromrichterschaltungen im einzelnen besprochen werden, wird in diesem Kapitel ein kurzer Überblick über die Einteilung und die verschiedenen Arten von Stromrichtern gegeben.

Die Funktionsweise netzgeführter Stromrichter soll zunächst anhand der Zweipuls—Mittelpunktschaltung (M2—Schaltung, Abb. 2.1) dargestellt werden.

Abbildung 6.1 zeigt das Prinzipschaltbild dieses Antriebssystems.

In den vorigen Kapiteln dieses Bandes wurden die unterschiedlichsten leistungselektronischen Schaltungen vorgestellt, um drehzahl- und drehmoment-variable Antriebe zu realisieren. Anfangs standen als Bauelemente Dioden und Thyristoren zur Verfügung, so daß Schaltungsvarianten wie der Umkehrstromrichter (Gleichstrommaschine) bzw. der Direktumrichter (Drehfeldmaschine) oder der lastgeführte Wechselrichter (Stromrichtermotor) Varianten waren, die fremdgeführte Stellglieder nutzten. In der gleichen Linie — Verwendung von Dioden und Thyristoren — waren die Arbeiten für die selbstgeführten Wechselrichter einzuordnen, die zum I-Wechselrichter mit Phasenfolgelöschung oder zum Nullstromschalter für die Wechselrichter mit eingeprägter Spannung führten.

Die Versorgungsnetze werden z.B. in Industrienetzen zunehmend von Verbrauchern belastet, die nichtlineares Verhalten aufweisen. Ein typisches nichtlineares Betriebsverhalten weisen Diodenbrücken mit Glättungskondensatoren auf der Gleichspannungsseite auf. In diesem Fall wird der Verschiebungsfaktor cos φ aufgrund des fehlenden Steuereingriffs (α = 0°) ungefähr 1 sein. Der Leistungsfaktor A wird allerdings aufgrund der Strom—Harmonischen von 1 abweichen. Bei steuerbaren Thyristorbrücken sind sowohl der Faktor cos φ aufgrund der Aussteuerung (φ = α + ü/2) und der Leistungsfaktor λ ungleich 1 [555, 560]. Es gibt auch unangenehmere Verbraucher, typische Beispiele sind Schweißmaschinen, gepulste Stromversorgungen für physikalische Experimente und Lichtbogenöfen. Der letzte Verbraucher ist immer dann ein besonders unerwünschter Verbraucher, wenn sich die Leistungsaufnahme unvorhersehbar schnell und in einem weiten Bereich ändert (Lichtbogenofen in der Einschmelzphase, in diesem Fall wird der frisch eingefüllte Schrott eingeschmolzen). Das führt zu Lichtbögen, die jeweils zur nächsten Schrottspitze springen; dadurch bedingt ändert sich die Länge des Lichtbogens und somit die Leistungscharakteristik. Das Ergebnis sind schnell veränderliche Leistungsaufnahmen, die sich im Grenzfall in jeder Halbperiode des Versorgungsnetzes ändern können. Die Leistungsaufnahme kann von nahezu Null (Lichtbogenabriß) bis hin zum Kurzschlußfall in sehr kurzer Zeit fortwährend wechseln. Ebenso sind Stromaufnahmen mit nur einer Polarität des Stroms (Gleichrichtereffekt) möglich. Für das Versorgungsnetz bedeutet das schnell wechselnde Belastungen, die pro Phase in Wirk— und Blindleistungsanteil ungleich sind und damit auch extrem unsymmetrische Belastungsfälle einschließen. Aufgrund der nichtlinearen Lichtbogencharakteristik haben die Ströme außerdem hohe Anteile an schnell wechselnden Harmonischen.

In den bisherigen Kapiteln wurden Stromrichterschaltungen vorwiegend aus der Sicht der Antriebstechnik dargestellt, die entweder die Energieumformung von einem Wechsel- bzw. Drehstromsystem zu einem Gleichstromsystem bzw. umgekehrt oder von einem Gleichstromsystem zu einem anderen Gleichstromsystem ermöglichen.

In den bisherigen Kapiteln dieses Buches wurden die unterschiedlichsten Stromrichterschaltungen sowohl hinsichtlich ihrer prinzipiellen Funktion als auch ihrer Auslegung dargestellt. Während bei der prinzipiellen Darstellung der Funktion die leistungselektronischen Schalter immer ideal angenommen wurden, konnte dies bei der Auslegung und insbesondere bei der Festlegung der Leistungsklassen der Schalter sowie bei den Beschaltungsmaßnahmen nicht vorausgesetzt werden.