Untitled - vdf Hochschulverlag AG an der ETH Zürich

2.1 Prinzip des Frequenzumrichters 21
- Der netzseitige Stromrichter stellt das Bindeglied zwischen dem speisenden Netz und
dem Zwischenkreis dar (AC-DC). Er ist je nach Ausführung der Schaltung auch ein
Stellglied zur Steuerung des Energieflusses.
- Der lastseitige Stromrichter stellt die von der Last geforderten Betriebsverhältnisse ein,
d. h. Frequenz, Spannung und Strom. Auch er repräsentiert ein Stellglied für den Energiefluss.
- Der Zwischenkreis ist für die Zwischenspeicherung der Energie verantwortlich. Dies
geschieht entweder als Gleichspannung (Spannungszwischenkreis- bzw. U-Umrichter)
oder als Gleichstrom (Stromzwischenkreis- bzw. I-Umrichter). Die beiden Varianten
sind in Bild 2.2 dargestellt. Als Speicher dient im einen Fall eine Kapazität und im anderen
eine Induktivität. Diese sind so bemessen, dass die Spannung u d beim U-Umrichter
bzw. der Strom i d beim I-Umrichter stark geglättet sind und als Gleichgrössen betrachtet
werden können. Dadurch werden die beiden Stromrichter soweit entkoppelt,
dass sie sich unabhängig voneinander steuern lassen.
i d,N
id,L Spannungs-Zwischenkreis
id ≈ konst.
ud ≈ konst. (U-Umrichter)
ud,N Bild 2.2. Zwischenkreis bei U- und I-Umrichtern
Für die netz- und lastseitigen Stromrichter gibt es eine Vielzahl von möglichen Ausführungen.
Insbesondere stehen fremdgeführte und selbstgeführte Schaltungen zur Auswahl.
Fremdgeführt heisst, dass die Kommutierung der Ströme im Stromrichter von aussen, z.B.
durch die Netzspannung, unterstützt werden muss. Die eingesetzten Leistungshalbleiter
sind in diesem Fall Thyristoren oder Dioden. Selbstgeführt bedeutet dagegen, dass der
Stromrichter die Spannungen bzw. Ströme ohne äussere Unterstützung umschalten kann.
Dazu müssen abschaltbare Halbleiter (Kapitel 3.1) verwendet werden. In den Kapiteln 2.3
und 2.4 wird näher auf die Stromrichterschaltungen eingegangen.
Die Speichergrösse des Zwischenkreises ist begrenzt und wird aus Kosten- und Platzgründen
möglichst klein gehalten. Aus dieser Tatsache kann eine Vorschrift zur Steuerung
des gesamten Umrichters abgeleitet werden: zumindest im zeitlichen Mittel müssen die
netz- und lastseitigen Wirkleistungen übereinstimmen, da sich sonst die mittlere Spannung
bzw. der mittlere Strom im Zwischenkreis ändert:
PN = Pd =
PL Strom-Zwischenkreis
u d,L (I-Umrichter)
(2.1)
Die anderen Parameter am Ein- und Ausgang des Umrichters lassen sich dagegen im Prinzip
unabhängig voneinander einstellen. Dies gilt insbesondere auch für die Blindleistungen
Q N und Q L. In einem DC-Kreis tritt definitionsgemäss keine Blindleistung auf. Die
Stromrichter können beide als unabhängige Blindleistungsquellen bzw. -senken wirken.
Wie bereits in Bild 2.1 angedeutet, können sowohl die Netz- als auch die Lastseite ein-
oder mehrphasig ausgeführt sein. Im weiteren existiert eine Vielzahl von Anwendungen,
in denen eine DC-Quelle eine AC-Last oder eine AC-Quelle eine DC-Last speisen. In diesen
Fällen liegt ein einzelner AC-DC-Wandler vor, der auch als reduzierter Frequenzum-