Ingenieurbüro für EMV

Dipl.-Ing. Heinz Lindenberger

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Doppel-Umrichter

2xPWR-parallel

Doppel-Umrichter mit paralleler Ansteuerung aus einem gemeinsamen Modulator


- Gemeinsame Nutzung des Zwischenkreis-Kondensators und des Optimierten HV-Filters

- Getrennte Wicklungssysteme

Doppel-Umrichter werden häufig zusammen mit E-Maschinen mit zwei 3-phasigen Wicklungen verwendet.


Die beiden Umrichter können in zahlreichen Variationen zusammengeschaltet werden, wobei sich, je nachdem, Vorteile bei der Rippelspannung ergeben, bzw. Einsparmöglichkeiten bei der Zwischenkreis-Kapazität oder auch Auslöscheffekte für Schalt-Störungen

FFT-parallel
FFT-1xPWR

HV+        Doppel-Umrichter      parallel

HV+        Einzel-Umrichter

Der Störpegel beim parallel geschalteten Doppelumrichter ist ca 6 dB höher als beim Einzel-Umrichter, weil die Schaltvorgänge aus beiden Umrichter-Hälften genau gleichzeitig erfolgen und sich deshalb auf die doppelte Amplitude addieren

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2xPWR-anti-parallel

Doppel-Umrichter mit anti-paralleler Ansteuerung aus einem gemeinsamen Modulator


- Bei einem Umrichter sind die Gate-Ansteuerungen zwischen Top und Bottom (H und L) vertauscht

- Gemeinsame Nutzung des Zwischenkreis-Kondensators und des Optimierten HV-Filters

- Getrennte Wicklungssysteme

FFT-anti-parallel
FFT-anti-parallel-Nullzeiger

HV+        Doppel-Umrichter     anti-parallel

HV+        Doppel-Umrichter     anti-parallel       Nullzeiger

Der Störpegel beim anti-parallel geschalteten Doppel-Umrichter (die Schaltvorgänge der beiden Umrichter-Hälften erfolgen genau gegengleich)

sieht zunächst nicht großartig anders aus, als beim parallelen Doppel-Inverter. Erst wenn man die Aussteuerung auf Null stellt (Nullzeiger) wird

die Wirkung deutlich sichtbar: durch das gegengleiche Schalten löscht sich die Common-Mode-Störung (CM) großenteils aus (bis auf gewisse Unsymmetrieen), während die Differential-Mode-Störung (DM) unbeeinflusst bleibt.

Bei höherer Aussteuerung dominieren hier nach dem Filter die DM-Störungen, so dass zunächst  kein besonderer Unterschied zu bemerken ist.


Dieser Effekt kann ausgenutzt werden, um Filteraufwand für den Common-Mode einzusparen - oder wenn man besonders kleine Y-Kondensatoren verwenden will oder verwenden muss.


Einschränkend muss man allerdings auch darauf hinweisen, dass aus Gründen der Regelstrategie das exakt gleichzeitige Schalten nicht möglich sein kann (was Voraussetzung für die Auslöschung ist) und sich außerdem die Stromrichtung bei anti-paralleler Ansteuerung genau spiegelsymmetrisch zur normalen Ansteuerung einstellt - und dies demnach am Wickelsinn des Motors gedreht werden muss. Außerdem ergeben sich dabei genausowenig Vorteile bezüglich der Rippelspannung wie bei der normalen Parallelschaltung.

FFT-anti-parallel-min-Cy

In dieser Simulation ist die Gesamt-Kapazität der Y-Kondensatoren auf 100 nF verringert


100 nF    als Summe aller Y-C auf HV+ und HV-  zusammen


Trotz der extrem kleinen Y-Kapazität läßt sich durch die anti-parallele Arbeitsweise eine sehr niedrige Störemission beibehalten

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HV+        Doppel-Umrichter     anti-parallel    

Doppel-Umrichter mit 90° versetzter Ansteuerung aus zwei verschiedenen Modulatoren


- 2 getrennte Modulatoren mit 90° Versatz

- Gemeinsame Nutzung des Zwischenkreis-Kondensators und des Optimierten HV-Filters

- Getrennte Wicklungssysteme

2xPWR-90°
FFT-90°
FFT-180°
FFT-1xPWR
FFT-1xPWR
2xPWR-180°

HV+        Doppel-Umrichter     90°

HV+        Einzel-Umrichter    

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HV+        Doppel-Umrichter     180°

HV+        Einzel-Umrichter    

Rippel-180°
Rippel-90°
Rippel-Anti-Parallel
Rippel-Parallel
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Doppel-Umrichter mit 180° versetzter Ansteuerung aus zwei verschiedenen Modulatoren


- 2 getrennte Modulatoren mit 180° Versatz

- Gemeinsame Nutzung des Zwischenkreis-Kondensators und des Optimierten HV-Filters

- Getrennte Wicklungssysteme

Der Störpegel beim 90° versetzt taktenden Doppel-Umrichter ist etwa 3 dB höher als beim Einzel-Umrichter.


Im Vergleich der Spektren fehlt beim Doppel-Umrichter die 2., 6., 10., usw. Harmonische


Das hat deutlichen Einfluß auf die Rippel Spannung, wie in den Diagrammen ganz unten zu sehen ist



Der Störpegel beim 180° versetzt taktendem Doppel-Umrichter ist etwa 3 dB höher als beim Einzel-Umrichter.


Im Vergleich der Spektren fehlen beim Doppel-Umrichter die ungerad-zahligen Harmonischen


Das hat deutlichen Einfluß auf die Rippel Spannung, wie in den Diagrammen ganz unten zu sehen ist



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Rippel-Spannung       Doppel-Umrichter     parallel        bei  m = 1

Rippel-Spannung       Doppel-Umrichter     anti-parallel        bei  m = 1

Rippel-Spannung       Doppel-Umrichter     90°        bei  m = 1

Rippel-Spannung       Doppel-Umrichter     180°        bei  m = 1

Die Rippel-Spannung beim parallel arbeitenden Doppel-Inverter ergibt sich analog zur Rippel-Spannung des Einzel-Inverters - nur eben mit der doppelten Stromentnahme aus dem Zwischenkreis.


Beim anti-parallel arbeitenden Doppel-Inverter liegt die Rippel-Spannung genauso hoch. Trotz der gegengleichen Arbeitsweise wird zum selben Zeitpunkt durch beide Umrichter zugleich Strom aus dem Zwischenkreis gezogen. Allerdings ist die Stromrichtung in die Motorleitung  entgegengesetzt - wie im Diagramm schön zu sehen ist.


Beim 90°-Umrichter sind die Spitzen der Rippel-Spannung nach innen geklappt, so dass sich etwa die halbe Maximal-Amplitude im Vergleich zum parallel oder anti-parrallel arbeitenden Umrichter ergibt.


Ganz dramatisch niedriger ist der Spannungs-Rippel beim 180°-Umrichter:  Die maximale Amplitude beträgt hier nur etwa 15 Vpp -

während diese beim Parallel-Umrichter etwa 80 Vpp erreicht und beim 90°-Umrichter noch etwa 40 Vpp.

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