Diodenverluste unvermeidlich ?

[Bernd]

Hallo Leute,
durch die Idee von mehrphasigen Generatoren bin ich auf das Thema Diodenverluste
stärker als sonst aufmerksam geworden.
Der Grund ist das man bei mehrphasigen Generatoren mehr Dioden einsetzt als beim
üblichen 3 Phasen Generator.

So wie ich die Sache sehe verteilt sich bei z.B. einem 5 Phasen Generator der Strom zwar
auf die 10 nötigen Gleichrichterdioden, der Spannungsverlust steigt aber an.

Bei einem 3 Phasen Generator arbeiten im Drehstrombrückengleichrichter 6 Dioden.
Wir haben also die Spannungsverluste von 6 Dioden zu akzeptieren.
Gehen wir mal der Einfachheit halber von Silizium Dioden aus, dann verschluckt unser
Gleichrichter 2 x 0,7 = 1,4 Volt von jeder Phase. Insgesamt verschwinden auf diese
Weise 3 X 1,4 = 4,2 Volt.

Bauen wir einen Generator anstatt mit 3 Phasen mit 5 Phasen auf, bei ansonsten gleichen
Ausgabewerten, dann verschwinden sogar 5 x 2 x 0,7 = 7 Volt in den Dioden.

Bislang dachte ich das das dadurch kompensiert wird das der Strom pro Phase sinkt, aber das
ist zwar richtig aber dennoch bleibt der hohe Spannungsverlust bei gleich bleibenden Leistungsverlust.
Ich weiss das es Schottkydioden und aktive gleichrichter gibt, mir geht es mehr ums Prinzip ob
mehrphasige Systeme in dieser Hinsicht ein Nachteil sind, was mir derzeit so zu sein scheint,
oder mache ich einen Denkfehler ?
Vielleicht kann ich mir den höheren Spannungsverlust ja "leisten" da der Strom pro Diode ja geringer ist.

Grüsse

Bernd

[andreas]

Hallo Bernd,

das ist eine typische Milchmädchenrechnung. Spannungsverluste durch den Gleichrichter bei mehreren Phasen addieren sich nicht (solange man die Phasen wie üblich parallel fährt). Diese Verluste treten allein pro Phase parallel auf, so daß sie letzlich bei einem Mittelwert ankommen, der deutlich besser als eine Phase allein wird. Der Brumm insgesamt wird deutlich geringer, mit 5 oder 10 Phasen brauchst Du gar keinen Elko mehr. Entsprechend gering ist der Stromanteil der einzelnen Phase, die Gleichrichter arbeiten nur sehr kurz, dürfen also deutlich mehr Strom vertragen.

MfG. Andreas

[Bernd]

Hmmm was meinst du mit "parallel" ?
Normalerweise arbeiten Drehstromgeneratoren meist im Stern, seltener im Dreieck.
Beide Beschaltungen sind aber weder richtige Parallel- noch Reihenschaltungschaltungen,
sondern sind eine Vektor Verkettung. Es ist eher ein Mittelding aus Reihen- und Parallelschaltung,
wobei Stern eher der Reihenschaltung ähnelt. Bleiben wir mal beim Stern.

Fakt ist doch aber das ich jeder Phase den Spannungsverlust zweier Dioden verpasse,
egal wie ich die Phasen später verschalte. Wenn sich nun meine Gesamtspannung aus den
verketteten Spannungen von 5 Phasen zusammen setzt, dann ist doch der prozentuale
Spannungsverlust pro Phase grösser als bei einem Generator bei dem sich die Spannungen
aus nur 3 Phasen zur Gesamtspannung zusammen fügen.

Ja Belastbarkeit bzw. Leistungsverluste pro Diode sind bei mehrphasigen Systemen pro Diode deutlich
geringer und auch der verbleibende Spannungsripple nach Gleichrichtung ist deutlich geringer.

Bis jetzt lautet meine Erkenntnis das zwar der prozentuale(!) Spannungsverlust durch die Dioden
pro Phase bei z.B. 5 Phasen grösser ist als bei 3 Phasen, gleichzeitig aber auch der Strom um den gleichen
Faktor geringer ist, so das es am Ende auf dasselbe heraus kommt.

Da Dioden bei kleineren Strömen oft auch geringere Durchgangsspannungen aufweisen, könnte
das ganze trotzdem zu einem leichten Vorteil der mehrphasigen Sytemen gereichen ?

Grüsse

Bernd

[andreas]

Hallo Bernd,

die Spannungsverluste am Gleichrichter bleiben immer gleich und betragen zwei Diodenflussspannungen. Da die Phasen zeitlich nacheinander auftreten, sind nur zwei Dioden leitend, der Rest ist gesperrt. Die Anzahl der Phasen ist dabei egal, wobei die Ausgangsspannung mit jeder Phase ansteigt, bis maximal zur Spitzenspannung minus zwei Diodenstrecken.

Dies gilt für die klassische Brückenschaltung, wo alle Wicklungen als Stern oder über Eck geschaltet sind. Kunstschaltungen wie separate Wicklungen nehme ich hier explizit aus.

MfG. Andreas

[Bernd]

Die Ausgangsspannung steigt sogar über den Spitzenwert einer Phase an.
Sie beträgt bei Stern für den Effektivwert : Phasenspannung * 1,73 * 1,35 und
für den Peakwert der Gleichspannung: Phasenspannung * 1,73 * 1,41.

die Spannungsverluste am Gleichrichter bleiben immer gleich und betragen zwei Diodenflussspannungen.

Das verstehe ich nicht. Gleich in welchen unterschiedlichen Fällen ?

Da die Phasen zeitlich nacheinander auftreten, sind nur zwei Dioden leitend, der Rest ist gesperrt.

Das gilt für den normalen 1 Phasen Brückengleichrichter. Beim 3 Phasen B6 Gleichrichter arbeiten
alle Dioden gleichzeitig da sich die Phasen zeitlich überlappen.

Worum es mir geht ist das bei mehrphasigen (mehr als 3) Systemen sich die
Ausgangsspannung bei Stern aus relativ kleinen Phaseneinzelspanunngen zusammen setzt,
bei denen dann die 1,4 Volt stärker ins Gewicht fallen als bei den höheren Spannungen einer einzelnen
Phase bei einem nur 3 phasigen Generator.


Grüsse

Bernd

[andreas]

Hallo Bernd,

von zwei oder mehr Spannungen ist eine immer höher als die anderen, nur diese eine hohe Spannung findet in diesem Moment den Weg durch den Gleichrichter. Vom sehr kurzen Übernahmemoment von Phase zu Phase sei jetzt mal abgesehen. Ich mußte mich beim Bau eines mehrphasigen aktiven Gleichrichters mit diesen Dingen im Detail auseinandersetzen.

Die Höhe der Spannung im Vergleich zu den Diodenverlusten hat allein mit der Wicklung zu tun. Je mehr Phasen, desto dünner darf der Wicklungsdraht gewählt werden und somit ergeben sich mehr Windungen - die Spannung geht hoch, die Diodenverluste runter.

MfG. Andreas

[Bernd]

Rechnen wir doch mal ein Beispiel.
Gehen wir mal davon aus wir hätten einen 3 Phase Generator der je Phasenstrang 10 Volt AC eff liefert.
Diese 3 Phasen sind im Stern verschaltet und werden auf einen handelsüblichen Silizium B6
Gleichrichter gelegt.

Wir haben also 10 Volt eff Wechselspannung pro Phase.
Durch die Sternschaltung erhöht sich die resultierende Ausgabespannung nach einem Gleichrichter
um den Faktor : 10 Volt * 1,73 * 1,35 = 23,35 Volt DC eff.
Von diesem Wert müssen wir die Diodenverluste abziehen und jetzt kommts.

Man kann jetzt von den errechneten 23,35 Volt einmalig 1,4 Volt abziehen was 21,95 Volt ergibt.
Oder aber, was mir eigentlich logischer erscheint, von den 10 Volt eff pro Phase 1,4 Volt abziehen BEVOR
man nach oben genannter Gleichung die resultierende Spannung errechnet.
Will heissen : 10 Volt eff minus 1,4 Volt * 1,73 * 1,35 = 20,08 volt.

Welche Rechnung der Realität am nähesten kommt werde ich mit LT Spice überprüfen.

Setzt man die Spannung aus 5 Phasen zusammen dann ändert sich der Verkettungsfaktor bei
Sternschaltung von 1,73 auf 1,90.
Das heisst die Spannung einer einzelnen Phase eines 5 Phasen Generators müsste für die gleiche
Ausgangsspanung von 23,35 Volt (ohne Diodenverluste) betragen:
23,35 durch 1,90 durch 1,35 = 9,10 volt.

Aus 9,10 Volt pro Phase wird in einem 5 Phasengenerator (Diodenverluste unberücksichtigt) nach Gleichrichtung
eine eff. Ausgangsspanung von 23,35 Volt. Der 3 Phasen Generator braucht dafür 10 Volt pro Phase.
Worauf ich hinaus will ist das der Verlust von 1,4 Volt durch die Dioden bei nur 9,1 volt pro Phase prozentual höher
ausfällt als bei 10 volt pro Phase.
Gleichzeitig sinkt auch der Strom pro Phase so das die Gesamtleistungsverluste in etwa gleich bleiben.

Grüsse

Bernd

[DanielCV]

Hallo Bernd,

ich finde dieses Thema sehr interessant, bist Du mittlerweile zu einem Ergebnis gekommen ?

Beste Grüße,
Daniel

[Bernd]

Hallo Daniel,
die Diodenverluste treten, aufgrund der Tatsache das der Spannungsverlust immer konstant ist,
in Abhängigkeit von der Anzahl der gleichzeitig vom Strom durchflossenen Dioden auf.
"Konstant" ist der Spannungsabfall an einer Diode eigentlich aber auch nicht, er nimmt mit zunehmender
Stromstärke zu.

Peter alias "Sombrero" hat geschrieben das man den Spannungsabfall von der Spannung abziehen
muss die auf die Dioden trifft. Das heisst bei einer Sternschaltung muss man die 1,4 Volt von der
verketteten Spannung abziehen, also Phasenspannung x 1,73 und dann die 1,4 Volt abziehen.
Damit wäre der gesamte Diodenspannungsverlust höher als in der bisher üblichen Praxis zunächst
die Spannung bei Sternschaltung x 1,73 x 1,41 (1,35) zu nehmen und DANN erst den Diodenverlust
abzuziehen.

Wie man es auch dreht und wendet, pro Phase werden bei jeder Art von Gleichrichtung immer zwei Dioden
gleichzeitig vom Strom durchflossen und es entstehen immer zwei Diodenspannungsverluste.
Bei vielen Phasen verliert man prozentual mehr Spannung pro Phase da die Phasenspannung bei mehrphasigen
Systemen geringer ist. Gleichzeitig ist durch die vielen Phasen aber auch der Strom pro Phase geringer so das die
Leistungsverluste praktisch gleich bleiben.
Eine Parallelschaltung von mehreren Dioden bringt nur bei hohen Strömen einen kleinen Vorteil da dann
der Einzelstrom und somit der stromabhängige Spannungsverlust ein wenig sinkt.
Gleichzeitig steigt aber die Belastbarkeit um die Anzahl der parallel geschalteten Dioden.

Grüsse

Bernd

[bernhard8]

Gleichzeitig steigt aber die Belastbarkeit um die Anzahl der parallel geschalteten Dioden.

Darauf würde ich mich nicht verlassen. Das gilt nur für den ohmschen Serienwiderstand der Diode (im Prinzip nur die Zuleitungen). Eine Halbleiterdiode hat einen negativen Temperaturkoeffizienten. Bei parallel geschalteten Dioden bedeutet das folgendes: irgendeine Diode wird mehr Strom ziehen, sich dadurch mehr erwärmen und dadurch einem noch kleineren Ersatzwiderstand entsprechen. Dadurch steigt der Strom weiter (im Vergleich zur anderen Diode).

Was ich damit sagen will: es ist kein Schaden zwei Dioden parallel zu schalten. Man darf sich aber nicht die doppelte Strombelastbarkeit erwarten. Vielleicht ist es ein bissl was mehr. Die schwächere der beiden Dioden wird aber als erstes draufgehen.