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452 Elektronik Tabelle XV-2 Stromrichterschaltungen Stromrichterschaltung Einpuls-Mittelpunktschaltung Dreipuls-Mittelpunktschaltung Zweipuls-Brückenschaltung Sechspuls-Brückenschaltung vollgesteuert halbgesteuert vollgesteuert halbgesteuert Kennzeichen M1 M3 B2C B2HK B2HZ B6C B6H Prinzipschaltung nach Bild XV-9 Bild XV-17 Bild XV-13 Bild XV-23 Bild XV-24 Bild XV-21 Gleichspannung/ungesteuerte Stromrichterschaltung mit a =0° arithm. Mittelwert U d / U 0 2 0,45 1,17 ( U 2 = U Str) 0,9 2,34 ( U 2 = U Str) 1,35 ( U 2 = U Leiter) Effektivwert U d eff / U 2 0,707 1,189 Welligkeit w U Br/ U d 1,21 0,183 0,483 0,042 Ventilsperrspannung/Ventilstrom Spitzenwert U R max/ U 2 2 =1,414 2 ⋅ 3 =2,449 2 =1,414 2 ⋅ 3 =2,449 I TAV/ I d 1,0 0,333 0,5 0,333 I TRMS/ I d 1,571 0,5777 ( L d ) 0,588 ( R L ) 0,707 ( L d ) 0,785 ( R L ) 0,577 ( L d ) 0,58 ( R L ) Transformator ventilseitiger Leiterstrom I 2 / I d 1,571 0,5777 ( L d ) 0,588 ( R L ) 1,000 ( L d ) 1,11 ( R L ) 0,816 ( L d ) 0,820 ( R L ) netzseitiger Leiterstrom I 1 / I d 1,211/ü 0,472/ü ( L d ) 0,478/ü ( R L ) 1,0/ü ( L d ) 1,11 ( R L ) 0,816/ü ( L d ) 0,82/ü ( R L ) primärseitige Scheinleistung S 1 / U d 0 ⋅ I d 2,619 1,209 ( L d ) 1,209 ( R L ) 1,111 ( L d ) 1,23 ( R L ) 1,05 ( L d ) 1,06 ( R L ) Typenleistung S Tr/ U d 0 ⋅ I d 3,090 1,460 Dz, Yz 1,345 Dy 1,111 ( L d ) 1,23 ( R L ) 1,05 ( L d ) 1,05 ( R L ) gesteuerte Gleichspannung mit a ≠ 0 ° U d α U do 1,0 U d α U do 1,0 U d α U do 1,0 U d α U do 1,0 Steuerkennlinie U d a / U d 0 Wechselrichterbetrieb G leichrichterbetrieb 0,8 0,5 Widerstandslast 0,5 0,5 Widerstandslast 0,6 0 0,4 –0,5 0,2 30 60 90 120 150 180 a –1,0 grd 0 30 60 90 120 150 180 a grd Wechselrichterbetrieb G leichrichterbetrieb Widerstandslast InduktiveLast InduktiveLast InduktiveLast 0 Wechselrichterbetrieb G leichrichterbetrieb 0 InduktiveLast InduktiveLast InduktiveLast AktiveLast –0,5 AktiveLast –0,5 AktiveLast 30 60 90 120 150 180 a grd –1,0 0 0 0 30 60 90 120 150 180 a grd –1,0 0
XV Leistungselektronik 453 U 1 U 2 V1 V3 V4 V2 U d L d U o I d M L Feld Bild XV-24 Halbgesteuerte Stromrichter (B2HZ) Schaltungen können für die Drehzahlsteuerung von Gleichstrommotoren geringer Leistung ohne Nutzbremsung verwendet werden. Die Induktivitäten L d glättenden Strom I d und verhindern lückenden Strom. Berechnung der Trafotypenleistung: Bei der Berechnung von Transformatoren wird die Scheinleistung S = U ⋅ I zugrundegelegt. Für den idealen Transformator ist in der herkömmlichen Elektrotechnik die Gleichheit von Primär- und Sekundärscheinleistung unter der Voraussetzung von sinusförmigen Spannungen und Strömen gültig. In der Leistungselektronik sind Ströme und auch Spannungen jedoch nicht sinusförmig und zudem auf der Primär- und Sekundärseite verschieden. Um diese Ungleichungen und die auf der Sekundärseite auftretenden Gleichstromanteile zu berücksichtigen, führt man die Transformatorentypenleistung P TR ein, die dem Mittelwert von Primär- und Sekundärleistung entspricht. Tabelle XV-2 stellt die entsprechenden Faktoren zur Berechnung bei verschiedenen Schaltungen zur Verfügung. Auch ohmsche Widerstände belasten ein Wechselstromnetz mit Blindleistung, wenn sie mit gesteuerten Gleichrichtern betrieben werden. Die fließenden Ströme sind nicht-sinusförmig. Der Grund für das Vorhandensein der Blindleistung ist darin zu finden, daß sich solche nicht-sinusförmigen Größen ineine unendliche Zahl sinusförmiger Teilschwingungen und einen Gleichanteil zerlegen lassen, die als Summe die nicht-sinusförmige Größe ergeben. Amplitude und Frequenz der Teilschwingungen lassen sich mit mathematischen Verfahren nach Fourier berechnen. Eine genaue Analyse ergibt, daß die Wirkleistung der Last nur durch die Grundwelle (Grundschwingung nach Fourier) des Stroms erzeugt wird. Diese Grundwelle erzeugt aufgrund ihrer Phasenverschiebung gegenüber der Spannung auch eine Blindleistung. Da diese durch die Anschnittsteuerung zustande kommt, heißt diese Blindleistung auch Steuerblindleistung. Die Oberschwingungen des Stroms tragen zur Scheinleistung bei,erzeugen aber nur Blindleistung. ■ Beispiel: Zu berechnen ist die Trafotypenleistung des Transformators in der Schaltung nach Bild XV-9 mit U 2 =220 V, ü =1 und R =8Ω und das Verhältnis von S Tr zu P di. Lösung: Der Trafo muß für die maximale Belastung, also bei α =0° berechnet werden. S tr =3,09 ⋅ U di ⋅ I d ; U di =0,45 ⋅ U 2 ; I d = U di/ R (nach Tab. XV-2) U di =0,45 ⋅ 220 V= 99 V I d =99V/8 Ω =12,375 A S tr =3,09 ⋅ 99 V ⋅ 12,375 A=3785,6 VA In dieser Schaltung muß der Trafo eine wesentlich höhere Bauleistung als die Gleichstromleistung haben. 2Anwendungsschaltungen Bei der Dimensionierung eines Netzteiles beginnt man stets mit den Spannungs-, Strom- und Leistungsbedingungen am Ausgang. Die Frage nach der Stabilität, Genauigkeit und Einstellbarkeit der Ausgangsgrößen steht dabeiimVordergrund. Im Abschnitt II.5.4 wird die Stabilisierung der Ausgangsspanung mit Hilfe einer Z-Diode erläutert. Dort fließt jedoch der Laststrom durch den Vorwiderstand, so daß an ihm eine hohe Verlustleistung inWärme umgesetzt wird, was zumindest bei größeren Strömen unangemessenenAufwand bedeutet. Die Schaltung nach Bild XV-25 zeigt ein Netzteil mit Längstransistor V6 als 2N3055. Hier ist der Laststrom identisch mit dem Kollektor-Emitter-Strom des Transistors. V1 V2 4x 1N4006 2N3055 V6 V3 V4 C L R V V5 Bild XV-25 Netzteilmit Längstransistor An der Z-Diode fällt die konstante Referenzspannung U Z ab, die ständig mit der Ausgangsspannung am Lastwiderstand R L verglichen wird. Aus diesem Vergleich wird die Steuerspannung U BE für den Transistor V6 abgeleitet, sodaß als Ausgangsspannung des Netzteiles die Differenz der beiden Spannungen besteht. Eine Änderung der Ausgangsspannung hat eine gegenläufige Änderung der Basis- Emitter-Spannung zur Folge. Ob diese Änderung von der Eingangsspannung oder vom Ausgangsstrom (Änderung der Last) herrührt, ist für diesen Reglungsvorgang bedeutungslos. Ausgangsspannung U A = U Z – U BE (XV.1) In der Schaltung nach Bild XV-25 ist die Ausgangsspannung konstant und auch von außen her nicht veränderbar. Soll die Ausgangsspannung regelbar sein, kann eine Schaltung nach Bild XV-26 verwendet werden, in der der Transistor V3als Regler wirkt. R L
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