Frequenzumrichter mit Z-Source Speisung

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Allgemeines

Der Z-Source Umrichter verbindet einen Hochsetzsteller und einen Frequenzumrichter. Er wird bei Einspeisungen mit variabler, idR. zu geringer oder weicher Speisespannung eingesetzt. Z.B. bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellen , beim Einsatz von Solarzellen und zur optimalen Ausnutzung von zukünftigen Energiespeichern.

Im Gegensatz zu einem "normalen" Frequenzumrichter mit Spannungszwischenkreis werden beim Z-Source Umrichter bei zu geringer Zwischenkreisspannung bewusst für kurze Zeit alle Leistungshalbleiter im Ausgangskreis gleichzeitig geschaltet. Der Zwischenkreis wird kurzgeschlossen. Während dieser Zeit werden die Induktivitäten im Zwischenkreis geladen. In der nachfolgenden Entlade-Zeit erhöht das zusammenbrechende Magnetfeld die Zwischenkreisspannung.


Betrieb mit ausreichender Zwischenkreisspannung

Z-Source1.PNG

Die Leistungsschalter werden unter Einhaltung der Totzeit umgeschaltet. Das Z-Source Netzwerk glättet die Zwischenkreisspannung wie beim normalen Umrichter.


Z-Source Betrieb bei zu kleiner Zwischenkreisspannung

Bei der Bildung eines sinusförmigen Ausgangsstromes mittels Raumzeigermodulation werden sog. Nullspannungsvektoren ausgegeben, bei denen die Motorspannung null ist. Während dieser Zeitabschnitte kann auch die Zwischenkreisspannung gleich null sein. Diese Zeiten können für die Kurzschlüsse im Zwischenkreis genutzt werden.


Z-Source Kurzschluss1.PNG

etwas einfacher gezeichnet sieht es dann so aus:

Z-Source Kurzschluss2.PNG

Die Kondensatoren treiben einen Strom durch die Induktivitäten.


Es ist zu Erkennen, dass die Kondensatoren C1 und C2 in Reihe geschaltet sind. Die Spannung hinter der Diode entspricht im ersten Augenblick der doppelten Eingangsspannung. Die Diode sperrt und die Einspeisung ist abgekoppelt.


Hardware

Separater Hochsetzsteller

Da die Zeiten für die Ausgabe der Nullspannungsvektoren bei voller Motordrehzahl relativ klein sind, konkurrieren diese mit den Zeiten für das Laden der Z-Source Induktivitäten die einen größeren Zeitraum einnehmen müssten. Weiterhin ist bei einem Hochsetzsteller eine relativ hohe Taktfrequenz anzustreben, um die Kerne der Induktivitäten klein zu halten. Sie ist ungefähr um den Faktor 10 größer als die übliche Pulsfrequenz beim Umrichter. Daher ist ein separater Hochsetzsteller einfacher zu händeln, besitzt aber mehr Teile, die wieder potentielle Fehlerquellen sind.


Z-Source separater Hochsetzsteller.PNG

Z-Source Umrichter

to be continued....