Zusammenfassung: In einem dreiphasigen Frequenzumrichtersystem mit freiem Neutralpunkt, das vom Stromnetz gespeist wird und einen Motor antreibt, tritt am Lastende häufig eine Gleichtaktspannung auf. Bei einem H-Brücken-Hochspannungs-Frequenzumrichter in Reihenschaltung ist die Gleichtaktspannung zwar gering, aber dennoch vorhanden. Aufgrund der in dieser Struktur vorhandenen Transformatoren und der Tatsache, dass jede Phase aus mehreren in Reihe geschalteten H-Brücken besteht, ist die Topologie komplex, was die Analyse der Gleichtaktspannung erschwert. Dieser Beitrag definiert zunächst die Gleichtaktspannung allgemein, schlägt dann eine Analysemethode für die Gleichtaktspannung eines H-Brücken-Mehrstufen-Frequenzumrichters in Reihenschaltung vor und präsentiert Simulationsergebnisse. Die Simulationsergebnisse stimmen sehr gut mit den in der Literatur beschriebenen Messwerten überein und bestätigen somit die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Methode. Schlüsselwörter: Mehrstufen-Frequenzumrichter, Gleichtaktspannung, Simulation 1 Einleitung Die Drehzahlregelung mit variabler Frequenz findet heutzutage in vielen Branchen, einschließlich der Industrie, breite Anwendung. In diesen Drehzahlregelungssystemen wird eine AC/DC/AC-Wandlerstruktur verwendet, um eine dreiphasige Eingangsspannung mit fester Amplitude und Frequenz in eine dreiphasige Ausgangsspannung mit einstellbarer Spannung und Frequenz umzuwandeln, die einen dreiphasigen Asynchronmotor ansteuert. Für diesen Wandlungsprozess sind leistungselektronische Schaltelemente erforderlich, beispielsweise in der Gleichrichterbrücke und der Wechselrichterbrücke. Dieser Schaltvorgang führt jedoch häufig zu einer Nullkomponente (Gleichtaktspannung) in der Motorspannung, was bei der Auslegung von Motoren mit variabler Frequenz berücksichtigt werden muss. In diesem Beitrag werden zunächst die Definition und die Ursachen der Gleichtaktspannung beschrieben und anschließend der Aufbau eines seriellen H-Brücken-Frequenzumrichters vorgestellt. Darauf aufbauend wird die Analysemethode für die Gleichtaktspannung des seriellen H-Brücken-Frequenzumrichters sowie der Simulationsschaltkreis präsentiert. Abschließend werden die Simulationsergebnisse des Systems unter typischen Parametern vorgestellt und mit den in der Literatur gemessenen Spannungsverläufen verglichen. Die Amplitude der Gleichtaktspannung des seriellen H-Brücken-Frequenzumrichters hängt nicht nur von der Kapazität jeder Sekundärwicklung gegen Masse und der Zwischenkreisspannung jeder H-Brücke ab, sondern auch eng mit der Ansteuerungsmethode. Die Simulations- und experimentellen Ergebnisse stimmen sehr gut überein, was die Aussagekraft der in diesem Beitrag vorgestellten Analyse der Gleichtaktspannung unterstreicht. 2 Beschreibung der Gleichtaktspannung Abbildung 1 zeigt das Systemblockdiagramm von Frequenzumrichtern mit Spannungs- und Stromquellensteuerung. Die Gleichrichterbrücke kann beispielsweise ein diodenungesteuerter Gleichrichter, ein Thyristorgleichrichter oder ein spannungs-/stromquellengesteuerter PWM-Gleichrichter sein. Die Wechselrichterbrücke auf der Motorseite kann ein üblicher zweistufiger Spannungsquellenwechselrichter (VSI), ein Stromquellenwechselrichter (CSI) oder ein mehrstufiger Wechselrichter sein. Der Einfachheit halber sind die Eingangs- und Ausgangsfilter in der Abbildung nicht dargestellt. Bei der VSI-Struktur muss der Zwischenkreiskondensator Cd ausreichend groß sein, die Induktivität Ld kann entfallen. Während es sich beim CSI um das Gegenteil handelt. Der virtuelle Widerstand Rd existiert im realen System möglicherweise nicht, sondern dient hier lediglich der einfacheren Ermittlung der Mittelpunktspannung der Gleichstromseite. Sind die Kondensatoren, die den Gleichstromzwischenkreis überbrücken, im realen System zwei parallel und anschließend in Reihe geschaltete Kondensatorgruppen, so ist das Potenzial des Zwischenanschlusspunktes gleich. Die Mittelpunktspannung der Gleichstromseite relativ zum Systemmassepunkt G kann mit folgender Formel berechnet werden: (1) In Formel (1) bezeichnen vPG und vNG die Spannungen des positiven bzw. negativen Gleichstromzwischenkreises gegen Masse. Tatsächlich ist vZG die vom Gleichrichter erzeugte Gleichtaktspannung. Die Spannung des Motorneutralpunkts relativ zum Mittelpunkt der Gleichstromseite kann mit folgender Formel berechnet werden: (2) In Formel (2) bezeichnen vOP und vON die Spannungen des Motorneutralpunkts relativ zum positiven bzw. negativen Gleichstromzwischenkreis; vOZ ist die vom Wechselrichter erzeugte Gleichtaktspannung. Die Gesamtspannung des Motorneutralpunkts gegen Erde beträgt daher: (3) Formel (3) gibt die gesamte Gleichtaktspannung an, die von der Gleichrichterbrücke und der Wechselrichterbrücke erzeugt wird. Die Spannung der Motorphase A gegen Erde ist wie folgt: (4) Sie ist die Summe der Motorphasenspannung vAO und der gesamten Systemgleichtaktspannung vCM. Es ist ersichtlich, dass die Isolation der Motorwicklung beschädigt werden kann, wenn die Gleichtaktspannung vCM nicht unterdrückt wird. 3 Struktur des Serien-H-Brücken-Wechselrichters Abbildung 2 zeigt die Topologie der 7-stufigen Serien-H-Brücke. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass jede Phase aus drei H-Brücken-Einheiten besteht, deren Ausgänge in Reihe geschaltet sind. G ist der äquivalente Neutralpunkt der Primärseite des Transformators mit einer Zickzack-Verbindung, der als mit Erde verbunden betrachtet werden kann. O ist der Neutralpunkt des Motors, und Vt1 bis Vt9 sind die äquivalenten Neutralpunkte der neun Sekundärseiten des Transformators. Zur Vereinfachung der Analyse zeigt die Abbildung auch Vm1 bis Vm9, die Mittelpunkte der Gleichspannungen der Zwischenkreise der neun Leistungseinheiten, wobei die oberen und unteren Kondensatoren die Gleichspannung gleichmäßig aufteilen. Va1 bis Va3, Vb1 bis Vb3 und Vc1 bis Vc3 sind die Ausgangsspannungen der neun Leistungseinheiten; Va, Vb und Vc sind die dreiphasigen Ausgangsspannungen des Motors. Der spezifische Aufbau jeder H-Brücken-Einheit ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Analyse zeigt, dass ihr Ersatzschaltbild in Abbildung 4 zu sehen ist. Abbildung 4 enthält die Gleichtaktspannung, die von der Gleichrichterbrücke in der Leistungseinheit erzeugt wird, sowie die Gleichtaktspannung, die von der H-Brücken-Wechselrichterbrücke erzeugt wird. Basierend auf Abbildung 4 kann Abbildung 2 zur Schaltungsstruktur in Abbildung 5 vereinfacht werden, d. h. zur Analyseschaltung für die Gleichtaktspannung der Serien-H-Brücke. Aus den Abbildungen 4 und 5 geht hervor, dass die Gleichtaktspannung im seriellen H-Brücken-Mehrpegelwechselrichter von der Größe des Kondensators C, der Gleichspannung Vdc und der Regelungsmethode abhängt. Die Regelungsmethode beeinflusst die beiden Spannungen Vpos und Vneg in Abbildung 4. Abbildung 5 kann vor Simulation und Analyse weiter vereinfacht werden. Zur Vereinfachung der Analyse wird angenommen, dass alle sekundärseitigen Kapazitäten des Transformators gegen Erde gleich groß sind. In der Realität sind diese Werte jedoch selten identisch und können zwischen C1 und C9 variieren. Da dieser Wechselrichtertyp einen Transformator enthält, entsteht eine Gleichtaktspannung am Motor, wenn dessen Sternpunkt nicht geerdet ist. Auch bei geerdetem Sternpunkt bleibt die Gleichtaktspannung bestehen und wird auf den Transformator übertragen. Da die Spannungsfestigkeit des Transformators relativ einfach zu verbessern ist und die Gleichtaktspannung dieser Topologie selbst gering ist, wird sie in vielen Fällen vernachlässigt. 4 Simulation der Gleichtaktspannung Simulationsergebnisse Für einen Satz typischer Messparameter sind die relevanten Parameter der 9-stufigen Serien-H-Brücken-Topologie in der beigefügten Tabelle dargestellt: Beigefügte Tabelle Relevante Parameter der 9-stufigen Serien-H-Brücken-Topologie A-Phasen-Kondensatorwert (pF) B-Phasen-Kondensatorwert (pF) C-Phasen-Kondensatorwert (pF) Die Kapazität des Motorneutralpunkts gegen Erde, Cm, beträgt 65000 pF. Weitere Parameter finden sich in Referenz [2]. Entsprechend der vorgeschlagenen Schaltungsstruktur sind die Simulationsergebnisse in Abbildung 6 dargestellt. Während der Simulation wurde als PWM-Steuerung eine reine Sinuswellenmodulation mit einem Modulationsfaktor MI von 1 verwendet. Die Simulationsergebnisse stimmen sehr gut mit den in den Referenzen angegebenen überein. Die Nummerierung in Abbildung 6 entspricht den Referenzen. Um die Ergebnisse genauer zu betrachten, zeigt Abbildung 7 den Simulationsverlauf mit MI = 1 bei Änderung der Steuerungsmethode, d. h. einer reinen Sinuswelle mit überlagerter dritter Harmonischer. Es zeigt sich, dass die Gleichtaktspannung des Motors bei Überlagerung der dritten Harmonischen leicht ansteigt. 5. Schlussfolgerung: In diesem Beitrag werden zunächst die Gleichtaktspannung und ihre Definition in allgemeinen Frequenzumrichtern eingeführt. Anschließend wird die Analysemethode der Gleichtaktspannung von seriellen H-Brücken-Mehrpegel-Frequenzumrichtern untersucht und eine neue, leicht analysierbare Schaltungsstruktur vorgestellt. Basierend auf dieser vereinfachten Schaltung wurde eine Simulationsstudie mit typischen Messdaten durchgeführt. Die Ergebnisse stimmen sehr gut mit den tatsächlichen Werten überein. Weiterführende Untersuchungen zeigen, dass die Gleichtaktspannung von der Kapazität gegen Masse der Transformator-Sekundärwicklung, der Kapazität gegen Masse des Motor-Neutralpunkts, der Gleichspannung der Antriebseinheit und der PWM-Ansteuerungsmethode jeder H-Brücken-Einheit abhängt. Referenzen: [1] Y. Shakweh, EA Lewis, „Assessment of Medium Voltage PWM VSI Topologies for Multi-megawatt variable speed Drive Application“, In Conf. Rec. EPE 98, 1998 [2] D. A. Rendusara, E. Cengelci, P. N. Enjeti et al., „Analyse der Gleichtaktspannung – Neutralverschiebung in Mittelspannungs-PWM-Drehzahlreglersystemen (MV-ASD)“, IEEE Trans. On PE, Band 15, Nr. 6, 2000, S. 1124–1133 [3] Sanmin Wei, N. Zargari, B. Wu und S. Rizzo, „Vergleich und Minderung der Gleichtaktspannung in Leistungswandlertopologien“, Konferenz der Industry Application Society (IAS), 2004. Über den Autor: Liu Chen (geb. 1973), Leiter der Forschungs- und Entwicklungsabteilung der Shenzhen Kangwo Electric Technology Co., Ltd. Tätig in Forschung, Produktentwicklung und technischem Management von Frequenzumrichtertechnologie.