Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente
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Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Leistungselektronik Grundlagen und Standardanwendungen Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Technische Universität München Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Vollbild Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 1 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Gliederung 1 Theorie 2 Übungsaufgabe Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 2 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Gliederung 1 Theorie 2 Übungsaufgabe Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 2 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Freilaufdioden uS ptq UQ ` L ¨ iQ Technische Universität München diQ ptq dt UQ R 0 iQ ptq Df UQ ul L toff t imax uS S 0 toff t DC-Chopper mit RL-Last ‚ Schalter S ist eingeschaltet c ptq ‚ Schaltung befindet sich in stationärem Zustand ( didt “ 0) Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 3 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Freilaufdioden uS ptq UQ ` L ¨ iQ Technische Universität München diQ ptq dt UQ ideal R 0 iQ ptq Df UQ ul L toff t imax uS S 0 toff t DC-Chopper mit RL-Last ‚ Schalter S ist eingeschaltet c ptq ‚ Schaltung befindet sich in stationärem Zustand ( didt “ 0) ‚ Schalter S wird bei t “ toff abgeschaltet Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 3 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Freilaufdioden uS ptq UQ ` L ¨ iQ Technische Universität München diQ ptq dt UQ ideal R 0 iQ ptq Df UQ ul L toff t imax uS S 0 toff t DC-Chopper mit RL-Last ‚ Strom durch L sinkt sehr schnell auf 0 ‚ Spannungsabfall an L: ul “ L ¨ Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente diQ ptq dt ñ sehr groß! Seite 3 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Freilaufdioden uS ptq UQ ` L ¨ iQ Technische Universität München real, ohne Df diQ ptq dt UQ ideal R 0 iQ ptq Df UQ ul L t toff imax uS S 0 t toff DC-Chopper mit RL-Last ‚ Strom durch L sinkt sehr schnell auf 0 ‚ Spannungsabfall an L: ul “ L ¨ diQ ptq dt ñ sehr groß! ‚ Folge: Spannung an S: uS “ UQ ` ul “ UQ ` L ¨ Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente diQ ptq dt Seite 3 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Freilaufdioden uS ptq UQ ` L ¨ iQ Technische Universität München real, ohne Df diQ ptq dt UQ ideal R 0 iQ ptq Df UQ ul L toff t imax uS S 0 toff t DC-Chopper mit RL-Last ‚ Schutz von S: Freilaufdiode Df antiparallel zur Last Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 3 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Freilaufdioden uS ptq UQ ` L ¨ iQ Technische Universität München real, ohne Df diQ ptq dt real, mit Df UQ ideal R 0 iQ ptq Df UQ ul L toff t imax uS S 0 toff t DC-Chopper mit RL-Last ‚ Schutz von S: Freilaufdiode Df antiparallel zur Last ‚ Überspannung auf Schleusenspannung von Df begrenzt ‚ Überspannung wird in R abgebaut Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 3 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Freilaufdioden oftmals schon direkt in elektronische Schalter integriert: IGBT mit integrierter antiparalleler Freilaufdiode Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 4 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Snubberkondensatoren U V L1 B6-Brücke C Umrichter W L2 L3 Gleichrichter, Spannungszwischenkreis und eigentlicher Umrichter ‚ Meist: Spannungszwischenkreisumrichter ‚ Eingang: Meistens ungesteuerte B6-Brücke ‚ Zwischenkreiskondensator zur Senkung der Spannungswelligkeit Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 5 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Snubberkondensatoren U V L1 B6-Brücke C Umrichter W L2 L3 Gleichrichter, Spannungszwischenkreis und eigentlicher Umrichter ‚ Zwischenkreiskondensatoren über Zuleitungen an IGBTs angeschlossen Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 5 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Snubberkondensatoren U V L1 B6-Brücke C Umrichter W L2 L3 Gleichrichter, Spannungszwischenkreis und eigentlicher Umrichter ‚ Zwischenkreiskondensatoren über Zuleitungen an IGBTs angeschlossen ‚ Jede Leitung hat parasitäre Induktivität Lσ ! Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 5 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Snubberkondensatoren U V L1 B6-Brücke C Umrichter W L2 L3 Gleichrichter, Spannungszwischenkreis und eigentlicher Umrichter ‚ Zwischenkreiskondensatoren über Zuleitungen an IGBTs angeschlossen ‚ Jede Leitung hat parasitäre Induktivität Lσ ! ‚ Schalter können durch Spannungserhöhung an Lσ zerstört werden Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 5 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Snubberkondensatoren U V L1 B6-Brücke C Umrichter W L2 L3 Gleichrichter, Spannungszwischenkreis und eigentlicher Umrichter ‚ Zwischenkreiskondensatoren über Zuleitungen an IGBTs angeschlossen ‚ Jede Leitung hat parasitäre Induktivität Lσ ! ‚ Schalter können durch Spannungserhöhung an Lσ zerstört werden ‚ Freilaufdioden reichen nicht aus! Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 5 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Snubberkondensatoren U V L1 B6-Brücke C Umrichter W L2 L3 Gleichrichter, Spannungszwischenkreis und eigentlicher Umrichter ‚ Erste Maßnahme: Layout so kompakt wie möglich! Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 5 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Snubberkondensatoren U V L1 B6-Brücke C Umrichter W L2 L3 Gleichrichter, Spannungszwischenkreis und eigentlicher Umrichter ‚ Erste Maßnahme: Layout so kompakt wie möglich! ‚ Zweite Maßnahme: Verwendung von Snubberkondensatoren Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 5 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München S1 U V L1 C W S2 Gleichrichter, Spannungszwischenkreis und Umrichter-Zweig ‚ Zuleitungen von C zu IGBTs sind lang ‚ Parasitäre Leitungsinduktivitäten nicht vernachlässigbar Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 6 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München S1 U V C L1 CS W S2 Gleichrichter, Spannungszwischenkreis und Umrichter-Zweig ‚ Zuleitungen von C zu IGBTs sind lang ‚ Parasitäre Leitungsinduktivitäten nicht vernachlässigbar ‚ Snubberkondensator CS parallel zu C ‚ CS so nah wie möglich an den IGBTs Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 6 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München S1 U V C L1 CS W S2 Gleichrichter, Spannungszwischenkreis und Umrichter-Zweig ‚ CS beim Ausschalten ungeladen Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 6 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München S1 U V C L1 CS W S2 Gleichrichter, Spannungszwischenkreis und Umrichter-Zweig ‚ CS beim Ausschalten ungeladen ‚ Laststrom kann beim Ausschalten in CS fließen Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 6 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München S1 U V C L1 CS W S2 Gleichrichter, Spannungszwischenkreis und Umrichter-Zweig ‚ CS beim Ausschalten ungeladen ‚ Laststrom kann beim Ausschalten in CS fließen ‚ Geschwindigkeit der Stromänderung ( diptq dt ) wird geringer Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 6 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München S1 U V C L1 CS W S2 Gleichrichter, Spannungszwischenkreis und Umrichter-Zweig ‚ CS beim Ausschalten ungeladen ‚ Laststrom kann beim Ausschalten in CS fließen ‚ Geschwindigkeit der Stromänderung ( diptq dt ) wird geringer ‚ CS wird durch Laststrom aufgeladen Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 6 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München S1 U V C L1 CS W S2 Gleichrichter, Spannungszwischenkreis und Umrichter-Zweig ‚ CS beim Ausschalten ungeladen ‚ Laststrom kann beim Ausschalten in CS fließen ‚ Geschwindigkeit der Stromänderung ( diptq dt ) wird geringer ‚ CS wird durch Laststrom aufgeladen ‚ Einschalten: CS wird wieder entladen Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 6 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München S1 U V C L1 CS W S2 Gleichrichter, Spannungszwischenkreis und Umrichter-Zweig ‚ Grundsätzlich: Größere Snubberkondensatoren sind besser Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 6 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München S1 U V C L1 CS W S2 Gleichrichter, Spannungszwischenkreis und Umrichter-Zweig ‚ Grundsätzlich: Größere Snubberkondensatoren sind besser ‚ Aber: Höherer Platzbedarf und höhere Kosten! Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 6 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München S1 U V C L1 CS W S2 Gleichrichter, Spannungszwischenkreis und Umrichter-Zweig ‚ Grundsätzlich: Größere Snubberkondensatoren sind besser ‚ Aber: Höherer Platzbedarf und höhere Kosten! ‚ Kompromiss nötig: Spannungsüberhöhung, Kosten und Platzbedarf Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 6 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München S1 U V C L1 CS W S2 Gleichrichter, Spannungszwischenkreis und Umrichter-Zweig ‚ Grundsätzlich: Größere Snubberkondensatoren sind besser ‚ Aber: Höherer Platzbedarf und höhere Kosten! ‚ Kompromiss nötig: Spannungsüberhöhung, Kosten und Platzbedarf ‚ Snubberkondensatoren meist speziell hierfür gefertigt ‚ Meist breite Anschlussklemmen (geringeres Lσ ) Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 6 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München RCD-Schutzbeschaltung Lσ iQ ic is CS S RS DS UQ Last Df DC-Chopper mit Freilaufdiode und RCD-Schutzbeschaltung ‚ RCD-Schutzbeschaltung: Widerstand, Kondensator und Diode Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 7 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München RCD-Schutzbeschaltung Lσ iQ ic is CS S RS DS UQ Last Df DC-Chopper mit Freilaufdiode und RCD-Schutzbeschaltung ‚ RCD-Schutzbeschaltung: Widerstand, Kondensator und Diode ‚ Cs beim Ausschalten geladen Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 7 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München RCD-Schutzbeschaltung Lσ iQ ic is CS S RS DS UQ Last Df DC-Chopper mit Freilaufdiode und RCD-Schutzbeschaltung ‚ RCD-Schutzbeschaltung: Widerstand, Kondensator und Diode ‚ Cs beim Ausschalten geladen ‚ Laststrom kommutiert beim Ausschalten in CS Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 7 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München RCD-Schutzbeschaltung Lσ iQ ic is CS S RS DS UQ Last Df DC-Chopper mit Freilaufdiode und RCD-Schutzbeschaltung ‚ RCD-Schutzbeschaltung: Widerstand, Kondensator und Diode ‚ Cs beim Ausschalten geladen ‚ Laststrom kommutiert beim Ausschalten in CS ‚ Folge: Stromsteilheit diptq dt sinkt ‚ Spannungsabfall an Lσ sinkt Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 7 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München RCD-Schutzbeschaltung Lσ iQ ic is CS S RS DS UQ Last Df DC-Chopper mit Freilaufdiode und RCD-Schutzbeschaltung ‚ RCD-Schutzbeschaltung: Widerstand, Kondensator und Diode ‚ Cs beim Ausschalten geladen ‚ Laststrom kommutiert beim Ausschalten in CS ‚ Folge: Stromsteilheit diptq dt sinkt ‚ Spannungsabfall an Lσ sinkt ‚ CS beim Einschalten sofort entladen Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 7 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München RCD-Schutzbeschaltung Lσ iQ ic is CS S RS DS UQ Last Df DC-Chopper mit Freilaufdiode und RCD-Schutzbeschaltung ‚ RCD-Schutzbeschaltung: Widerstand, Kondensator und Diode ‚ Cs beim Ausschalten geladen ‚ Laststrom kommutiert beim Ausschalten in CS ‚ Folge: Stromsteilheit diptq dt sinkt ‚ Spannungsabfall an Lσ sinkt ‚ CS beim Einschalten sofort entladen ‚ Folge: Möglicher Überstrom durch S ñ Zerstörung von S! Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 7 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München RCD-Schutzbeschaltung Lσ iQ ic is CS S RS DS UQ Last Df DC-Chopper mit Freilaufdiode und RCD-Schutzbeschaltung ‚ CS soll langsamer entladen werden Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 7 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München RCD-Schutzbeschaltung Lσ iQ ic is CS S RS DS UQ Last Df DC-Chopper mit Freilaufdiode und RCD-Schutzbeschaltung ‚ CS soll langsamer entladen werden ‚ Snubberwiderstand RS in Reihe zu CS ‚ Folge: Gewünschter Effekt beim Einschalten Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 7 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München RCD-Schutzbeschaltung Lσ iQ ic is CS S RS DS UQ Last Df DC-Chopper mit Freilaufdiode und RCD-Schutzbeschaltung ‚ CS soll langsamer entladen werden ‚ Snubberwiderstand RS in Reihe zu CS ‚ Folge: Gewünschter Effekt beim Einschalten ‚ Aber: RS wird beim Ausschalten Effekt von CS entgegen! Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 7 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München RCD-Schutzbeschaltung Lσ iQ ic is CS S RS DS UQ Last Df DC-Chopper mit Freilaufdiode und RCD-Schutzbeschaltung ‚ CS soll langsamer entladen werden ‚ Snubberwiderstand RS in Reihe zu CS ‚ Folge: Gewünschter Effekt beim Einschalten ‚ Aber: RS wird beim Ausschalten Effekt von CS entgegen! ‚ Abhilfe: Snubberdiode DS parallel zu RS ‚ DS überbrückt RS beim Ausschalten ‚ Folge: Nachteiliger Effekt von RS beim Ausschalten abgeschwächt Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 7 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Gliederung 1 Theorie 2 Übungsaufgabe Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 7 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Lσ Technische Universität München iQ is us S UQ iv uv Last idf Df Gleichstromsteller Anlagendaten: iv “ Iv “ 2000 A UQ “ 3000 V Grenz- und Maximalwerte von S (ein- und ausschaltbar): dis ptq A “ 500 dt µs Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente dus ptq V “ 1000 dt µs Seite 8 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Aufgaben a) Welche Aufgaben erfüllen Schutzbeschaltungen leistungselektronischer Bauelemente? Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 9 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Aufgaben a) Welche Aufgaben erfüllen Schutzbeschaltungen leistungselektronischer Bauelemente? b) Zeichnen Sie eine RCD-Schutzbeschaltung (bestehend aus RS , CS und DS ) für S und eine Induktivität L zur Begrenzung der Stromsteilheit beim Einschalten für den Gleichstromsteller ein! Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 9 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Aufgaben a) Welche Aufgaben erfüllen Schutzbeschaltungen leistungselektronischer Bauelemente? b) Zeichnen Sie eine RCD-Schutzbeschaltung (bestehend aus RS , CS und DS ) für S und eine Induktivität L zur Begrenzung der Stromsteilheit beim Einschalten für den Gleichstromsteller ein! c) Welchem Zweck dienen die einzelnen Bauteile der Schutzbeschaltung? Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 9 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Aufgaben a) Welche Aufgaben erfüllen Schutzbeschaltungen leistungselektronischer Bauelemente? b) Zeichnen Sie eine RCD-Schutzbeschaltung (bestehend aus RS , CS und DS ) für S und eine Induktivität L zur Begrenzung der Stromsteilheit beim Einschalten für den Gleichstromsteller ein! c) Welchem Zweck dienen die einzelnen Bauteile der Schutzbeschaltung? d) Zeichnen Sie die Stromlaufpfade in den einzelnen Phasen beim An- und Abschalten von S! Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 9 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Aufgaben a) Welche Aufgaben erfüllen Schutzbeschaltungen leistungselektronischer Bauelemente? b) Zeichnen Sie eine RCD-Schutzbeschaltung (bestehend aus RS , CS und DS ) für S und eine Induktivität L zur Begrenzung der Stromsteilheit beim Einschalten für den Gleichstromsteller ein! c) Welchem Zweck dienen die einzelnen Bauteile der Schutzbeschaltung? d) Zeichnen Sie die Stromlaufpfade in den einzelnen Phasen beim An- und Abschalten von S! e) Zeichnen Sie die Zeitverläufe der gesuchten Ströme und Spannungen! Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 9 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Aufgaben a) Welche Aufgaben erfüllen Schutzbeschaltungen leistungselektronischer Bauelemente? b) Zeichnen Sie eine RCD-Schutzbeschaltung (bestehend aus RS , CS und DS ) für S und eine Induktivität L zur Begrenzung der Stromsteilheit beim Einschalten für den Gleichstromsteller ein! c) Welchem Zweck dienen die einzelnen Bauteile der Schutzbeschaltung? d) Zeichnen Sie die Stromlaufpfade in den einzelnen Phasen beim An- und Abschalten von S! e) Zeichnen Sie die Zeitverläufe der gesuchten Ströme und Spannungen! f) Bestimmen Sie L und CS für die gegebenen Daten des Schalters S! Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 9 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Aufgaben a) Welche Aufgaben erfüllen Schutzbeschaltungen leistungselektronischer Bauelemente? b) Zeichnen Sie eine RCD-Schutzbeschaltung (bestehend aus RS , CS und DS ) für S und eine Induktivität L zur Begrenzung der Stromsteilheit beim Einschalten für den Gleichstromsteller ein! c) Welchem Zweck dienen die einzelnen Bauteile der Schutzbeschaltung? d) Zeichnen Sie die Stromlaufpfade in den einzelnen Phasen beim An- und Abschalten von S! e) Zeichnen Sie die Zeitverläufe der gesuchten Ströme und Spannungen! f) Bestimmen Sie L und CS für die gegebenen Daten des Schalters S! g) Für welche maximale Blockierspannung Us max muss S ausgelegt sein? Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 9 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Aufgaben a) Welche Aufgaben erfüllen Schutzbeschaltungen leistungselektronischer Bauelemente? b) Zeichnen Sie eine RCD-Schutzbeschaltung (bestehend aus RS , CS und DS ) für S und eine Induktivität L zur Begrenzung der Stromsteilheit beim Einschalten für den Gleichstromsteller ein! c) Welchem Zweck dienen die einzelnen Bauteile der Schutzbeschaltung? d) Zeichnen Sie die Stromlaufpfade in den einzelnen Phasen beim An- und Abschalten von S! e) Zeichnen Sie die Zeitverläufe der gesuchten Ströme und Spannungen! f) Bestimmen Sie L und CS für die gegebenen Daten des Schalters S! g) Für welche maximale Blockierspannung Us max muss S ausgelegt sein? h) Welchen Wert muss der Widerstand Rs haben, damit der Stromsprung beim Einschalten höchstens 10% des Laststroms iv beträgt? Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 9 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Aufgaben a) Welche Aufgaben erfüllen Schutzbeschaltungen leistungselektronischer Bauelemente? b) Zeichnen Sie eine RCD-Schutzbeschaltung (bestehend aus RS , CS und DS ) für S und eine Induktivität L zur Begrenzung der Stromsteilheit beim Einschalten für den Gleichstromsteller ein! c) Welchem Zweck dienen die einzelnen Bauteile der Schutzbeschaltung? d) Zeichnen Sie die Stromlaufpfade in den einzelnen Phasen beim An- und Abschalten von S! e) Zeichnen Sie die Zeitverläufe der gesuchten Ströme und Spannungen! f) Bestimmen Sie L und CS für die gegebenen Daten des Schalters S! g) Für welche maximale Blockierspannung Us max muss S ausgelegt sein? h) Welchen Wert muss der Widerstand Rs haben, damit der Stromsprung beim Einschalten höchstens 10% des Laststroms iv beträgt? i) Wie groß ist dann die minimale Einschaltzeit ton min ? Bestimmen Sie hierzu die Zeitkonstante des RC-Kreises! Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 9 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Aufgaben a) Welche Aufgaben erfüllen Schutzbeschaltungen leistungselektronischer Bauelemente? b) Zeichnen Sie eine RCD-Schutzbeschaltung (bestehend aus RS , CS und DS ) für S und eine Induktivität L zur Begrenzung der Stromsteilheit beim Einschalten für den Gleichstromsteller ein! c) Welchem Zweck dienen die einzelnen Bauteile der Schutzbeschaltung? d) Zeichnen Sie die Stromlaufpfade in den einzelnen Phasen beim An- und Abschalten von S! e) Zeichnen Sie die Zeitverläufe der gesuchten Ströme und Spannungen! f) Bestimmen Sie L und CS für die gegebenen Daten des Schalters S! g) Für welche maximale Blockierspannung Us max muss S ausgelegt sein? h) Welchen Wert muss der Widerstand Rs haben, damit der Stromsprung beim Einschalten höchstens 10% des Laststroms iv beträgt? i) Wie groß ist dann die minimale Einschaltzeit ton min ? Bestimmen Sie hierzu die Zeitkonstante des RC-Kreises! j) Welche Verluste entstehen pro Schaltzyklus in der Beschaltung, d. h. im Widerstand RS ? Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 9 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Aufgaben a) Welche Aufgaben erfüllen Schutzbeschaltungen leistungselektronischer Bauelemente? Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 10 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Aufgaben von Schutzbeschaltungen leistungselektronischer Bauelemente: ‚ Bedämpfung von Überspannungen ‚ Begrenzung der Stromsteilheit dis ptq dt ‚ Begrenzung der Spannungssteilheit beim Einschalten dus ptq dt beim Ausschalten ‚ Verringerung der Schaltverluste in den elektronischen Bauteilen Wichtig: Die Gesamtverluste werden nicht verringert! Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 11 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Aufgaben a) Welche Aufgaben erfüllen Schutzbeschaltungen leistungselektronischer Bauelemente? b) Zeichnen Sie eine RCD-Schutzbeschaltung (bestehend aus RS , CS und DS ) für S und eine Induktivität L zur Begrenzung der Stromsteilheit beim Einschalten für den Gleichstromsteller ein! Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 12 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Lσ Technische Universität München iQ ic is us uc CS S RS UQ ul L iv uv DS Last idf Df RCD-Schutzbeschaltung und Induktivität L zur Begrenzung der Stromsteilheit beim Einschalten Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 13 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Aufgaben a) Welche Aufgaben erfüllen Schutzbeschaltungen leistungselektronischer Bauelemente? b) Zeichnen Sie eine RCD-Schutzbeschaltung (bestehend aus RS , CS und DS ) für S und eine Induktivität L zur Begrenzung der Stromsteilheit beim Einschalten für den Gleichstromsteller ein! c) Welchem Zweck dienen die einzelnen Bauteile der Schutzbeschaltung? Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 14 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Zweck der einzelnen Bauteile der Schutzbeschaltung: s ptq L: Begrenzung der Stromsteilheit didt beim Einschalten Oft reichen schon die Zuleitungsinduktivitäten in der Schaltung aus, so dass keine zusätzliche Induktivität eingebaut werden muss Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 15 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Zweck der einzelnen Bauteile der Schutzbeschaltung: s ptq L: Begrenzung der Stromsteilheit didt beim Einschalten Oft reichen schon die Zuleitungsinduktivitäten in der Schaltung aus, so dass keine zusätzliche Induktivität eingebaut werden muss CS : Begrenzung der Spannungssteilheit Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente dus ptq dt beim Ausschalten Seite 15 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Zweck der einzelnen Bauteile der Schutzbeschaltung: s ptq L: Begrenzung der Stromsteilheit didt beim Einschalten Oft reichen schon die Zuleitungsinduktivitäten in der Schaltung aus, so dass keine zusätzliche Induktivität eingebaut werden muss dus ptq dt CS : Begrenzung der Spannungssteilheit RS : Begrenzung des Überstroms beim Einschalten Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente beim Ausschalten Seite 15 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Zweck der einzelnen Bauteile der Schutzbeschaltung: s ptq L: Begrenzung der Stromsteilheit didt beim Einschalten Oft reichen schon die Zuleitungsinduktivitäten in der Schaltung aus, so dass keine zusätzliche Induktivität eingebaut werden muss dus ptq dt CS : Begrenzung der Spannungssteilheit RS : Begrenzung des Überstroms beim Einschalten DS : Kurzschluss des Widerstands RS beim Ausschalten Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente beim Ausschalten Seite 15 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Zweck der einzelnen Bauteile der Schutzbeschaltung: s ptq L: Begrenzung der Stromsteilheit didt beim Einschalten Oft reichen schon die Zuleitungsinduktivitäten in der Schaltung aus, so dass keine zusätzliche Induktivität eingebaut werden muss dus ptq dt CS : Begrenzung der Spannungssteilheit beim Ausschalten RS : Begrenzung des Überstroms beim Einschalten DS : Kurzschluss des Widerstands RS beim Ausschalten Df : Freilaufdiode Schutz vor Überspannung beim Ausschalten aufgrund induktiver Lasten Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 15 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Aufgaben a) Welche Aufgaben erfüllen Schutzbeschaltungen leistungselektronischer Bauelemente? b) Zeichnen Sie eine RCD-Schutzbeschaltung (bestehend aus RS , CS und DS ) für S und eine Induktivität L zur Begrenzung der Stromsteilheit beim Einschalten für den Gleichstromsteller ein! c) Welchem Zweck dienen die einzelnen Bauteile der Schutzbeschaltung? d) Zeichnen Sie die Stromlaufpfade in den einzelnen Phasen beim An- und Abschalten von S! e) Zeichnen Sie die Zeitverläufe der gesuchten Ströme und Spannungen! Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 16 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Ausschalten: 0 ď t ă t1 : Der Schalter S ist eingeschaltet: is ptq “ iv ptq “ Iv “ const., us ptq “ 0 V (stationäre Verhältnisse) Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 17 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Ausschalten: 0 ď t ă t1 : Der Schalter S ist eingeschaltet: is ptq “ iv ptq “ Iv “ const., us ptq “ 0 V (stationäre Verhältnisse) t “ t1 : Der Schalter S wird abgeschaltet. Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 17 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik CS Lσ sptq CS Lσ S S RS DS UQ 1 RS DS UQ L Last Last Df CS 0 S is ptq CS Lσ S RS DS UQ S aus S ein t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t3 ` toff t4 t5 t1 t2 t5 ` ton t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t UQ Df 2. Abschalten (t1 ď t ă t2 ) Lσ 0 us ptq L 1. Eingeschaltet (t ă t1 ) Technische Universität München t Iv RS DS UQ L 0 L ic ptq Last Last Df 3. Zwischenkommutierung (t2 ď t ă t3 ) 4. Rückladen von CS (t3 ď t ă t4 ) 0 CS Lσ CS Lσ S RS DS RS T t DS UQ UQ L t3 uc ptq S UQ t Iv Df L 0 Last Last Df 5. Abgeschaltet (vor t4 ) 6. Einschalten (t4 ď t ă t5 ) Df idf ptq t Iv CS Lσ S 0 RS DS UQ uv ptq t UQ L Last Df 0 7. Entladen von CS (t5 ď t ă T ) Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente t Seite 18 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München t1 ă t ă t2 : Der Strom Iv kommutiert ideal aus dem Zweig mit dem Schalter S in den Beschaltungszweig. Durch den konstanten Strom ic ptq “ Iv wird der Snubberkondensator CS linear aufgeladen. c ptq ergibt sich die Aus der Strom-Spannungs-Gleichung ic ptq “ C ¨ dudt Bemessungsgleichung für den Snubberkondensator: CS “ Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente ic ptq duc ptq dt “ Iv dus ptq dt Seite 19 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München t1 ă t ă t2 : Der Strom Iv kommutiert ideal aus dem Zweig mit dem Schalter S in den Beschaltungszweig. Durch den konstanten Strom ic ptq “ Iv wird der Snubberkondensator CS linear aufgeladen. c ptq ergibt sich die Aus der Strom-Spannungs-Gleichung ic ptq “ C ¨ dudt Bemessungsgleichung für den Snubberkondensator: CS “ ic ptq duc ptq dt “ Iv dus ptq dt t “ t2 : Die Spannung uc ptq am Kondensator erreicht UQ , die Spannung an der Last ist Null. Dadurch wird die Freilaufdiode Df leitend und es bildet sich ein LC-Schwingkreis über Df , L, CS , DS und UQ aus. Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 19 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik CS Lσ sptq CS Lσ S S RS DS UQ 1 RS DS UQ L Last Last Df CS 0 S is ptq CS Lσ S RS DS UQ S aus S ein t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t3 ` toff t4 t5 t1 t2 t5 ` ton t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t UQ Df 2. Abschalten (t1 ď t ă t2 ) Lσ 0 us ptq L 1. Eingeschaltet (t ă t1 ) Technische Universität München t Iv RS DS UQ L 0 L ic ptq Last Last Df 3. Zwischenkommutierung (t2 ď t ă t3 ) 4. Rückladen von CS (t3 ď t ă t4 ) 0 CS Lσ CS Lσ S RS DS RS T t DS UQ UQ L t3 uc ptq S UQ t Iv Df L 0 Last Last Df 5. Abgeschaltet (vor t4 ) 6. Einschalten (t4 ď t ă t5 ) Df idf ptq t Iv CS Lσ S 0 RS DS UQ uv ptq t UQ L Last Df 0 7. Entladen von CS (t5 ď t ă T ) Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente t Seite 20 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München t2 ă t ă t3 : Der Strom ic ptq wird über den ungedämpften LC-Schwingkreis mit einer Cosinus-Viertelschwingung von Iv auf Null abgebaut, die Spannung am Schalter S und am Kondensator wird mit der Zeitkonstante LCS weiter aufgebaut. LC-Schwingkreis: d2 ic ptq dt2 Anfangswerte: ic pt2 q “ Iv , uc pt2 q “ UQ Lösung: ` 1 LCS ¨ ic ptq “ 0 1 ic ptq “ Iv ¨ cos pωr pt ´ t2 qq mit ωr “ ?LC S b uc ptq “ UQ ` Iv ¨ CLS ¨ sin pωr pt ´ t2 qq Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 21 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München t2 ă t ă t3 : Der Strom ic ptq wird über den ungedämpften LC-Schwingkreis mit einer Cosinus-Viertelschwingung von Iv auf Null abgebaut, die Spannung am Schalter S und am Kondensator wird mit der Zeitkonstante LCS weiter aufgebaut. LC-Schwingkreis: d2 ic ptq dt2 Anfangswerte: ic pt2 q “ Iv , uc pt2 q “ UQ Lösung: ` 1 LCS ¨ ic ptq “ 0 1 ic ptq “ Iv ¨ cos pωr pt ´ t2 qq mit ωr “ ?LC S b uc ptq “ UQ ` Iv ¨ CLS ¨ sin pωr pt ´ t2 qq t “ t3 : Der Strom ic ptq ist auf Null abgebaut, der Laststrom Iv fließt nun vollständig über die Freilaufdiode. Die Spannung am Kondensator CS und am Schalter S erreicht ihren Scheitelwert mit dem Maximalwert d L uc pt3 q “ Ûc “ UQ ` Iv ¨ . CS Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 21 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik CS Lσ sptq CS Lσ S S RS DS UQ 1 RS DS UQ L Last Last Df CS 0 S is ptq CS Lσ S RS DS UQ S aus S ein t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t3 ` toff t4 t5 t1 t2 t5 ` ton t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t UQ Df 2. Abschalten (t1 ď t ă t2 ) Lσ 0 us ptq L 1. Eingeschaltet (t ă t1 ) Technische Universität München t Iv RS DS UQ L 0 L ic ptq Last Last Df 3. Zwischenkommutierung (t2 ď t ă t3 ) 4. Rückladen von CS (t3 ď t ă t4 ) 0 CS Lσ CS Lσ S RS DS RS T t DS UQ UQ L t3 uc ptq S UQ t Iv Df L 0 Last Last Df 5. Abgeschaltet (vor t4 ) 6. Einschalten (t4 ď t ă t5 ) Df idf ptq t Iv CS Lσ S 0 RS DS UQ uv ptq t UQ L Last Df 0 7. Entladen von CS (t5 ď t ă T ) Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente t Seite 22 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München t3 ă t ă t3 ` toff : Die Spannung am Kondensator klingt nun über den stark bedämpften Schwingkreis (RS anstatt der Diode DS ) auf UQ ab. Der Abschaltvorgang ist hiermit abgeschlossen. Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 23 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München t3 ă t ă t3 ` toff : Die Spannung am Kondensator klingt nun über den stark bedämpften Schwingkreis (RS anstatt der Diode DS ) auf UQ ab. Der Abschaltvorgang ist hiermit abgeschlossen. t3 ` toff ď t ă t4 : Der Schalter S ist ausgeschaltet: is ptq “ 0 A, us ptq “ UQ (stationäre Verhältnisse) Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 23 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik CS Lσ sptq CS Lσ S S RS DS UQ 1 RS DS UQ L Last Last Df CS 0 S is ptq CS Lσ S RS DS UQ S aus S ein t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t3 ` toff t4 t5 t1 t2 t5 ` ton t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t UQ Df 2. Abschalten (t1 ď t ă t2 ) Lσ 0 us ptq L 1. Eingeschaltet (t ă t1 ) Technische Universität München t Iv RS DS UQ L 0 L ic ptq Last Last Df 3. Zwischenkommutierung (t2 ď t ă t3 ) 4. Rückladen von CS (t3 ď t ă t4 ) 0 CS Lσ CS Lσ S RS DS RS T t DS UQ UQ L t3 uc ptq S UQ t Iv Df L 0 Last Last Df 5. Abgeschaltet (vor t4 ) 6. Einschalten (t4 ď t ă t5 ) Df idf ptq t Iv CS Lσ S 0 RS DS UQ uv ptq t UQ L Last Df 0 7. Entladen von CS (t5 ď t ă T ) Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente t Seite 24 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Einschalten: t “ t4 : Der Schalter S wird eingeschaltet. Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 25 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Einschalten: t “ t4 : Der Schalter S wird eingeschaltet. t4 ă t ă t5 : Die Spannung ul ptq an der Induktivität L ist bis zum Zeitpunkt t5 konstant (ul ptq “ UQ ), der Strom il ptq “ iQ ptq wird somit linear aufgebaut und der Strom idf ptq “ Iv ´ iQ ptq in der Freilaufdiode nimmt entsprechend ab. Hieraus ergibt l ptq die Bemessungsvorschrift für die sich mit ul ptq “ L ¨ didt Dämpfungsinduktivität L zu ul ptq UQ L “ di ptq “ di ptq . l dt Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente s dt Seite 25 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Einschalten: t “ t4 : Der Schalter S wird eingeschaltet. t4 ă t ă t5 : Die Spannung ul ptq an der Induktivität L ist bis zum Zeitpunkt t5 konstant (ul ptq “ UQ ), der Strom il ptq “ iQ ptq wird somit linear aufgebaut und der Strom idf ptq “ Iv ´ iQ ptq in der Freilaufdiode nimmt entsprechend ab. Hieraus ergibt l ptq die Bemessungsvorschrift für die sich mit ul ptq “ L ¨ didt Dämpfungsinduktivität L zu ul ptq UQ L “ di ptq “ di ptq . l dt s dt Gleichzeitig werden RS und CS kurzgeschlossen, so dass ein zusätzlicher Strom durch den Schalter S entsteht, der mit der Zeitkonstante RS CS abnimmt. Der Stromsprung beim Einschalten ergibt sich zu uc pt4 q UQ ∆is “ Ic, ein “ “ RS RS Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 25 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Einschalten: t “ t4 : Der Schalter S wird eingeschaltet. t4 ă t ă t5 : Die Spannung ul ptq an der Induktivität L ist bis zum Zeitpunkt t5 konstant (ul ptq “ UQ ), der Strom il ptq “ iQ ptq wird somit linear aufgebaut und der Strom idf ptq “ Iv ´ iQ ptq in der Freilaufdiode nimmt entsprechend ab. Hieraus ergibt l ptq die Bemessungsvorschrift für die sich mit ul ptq “ L ¨ didt Dämpfungsinduktivität L zu ul ptq UQ L “ di ptq “ di ptq . l dt s dt Gleichzeitig werden RS und CS kurzgeschlossen, so dass ein zusätzlicher Strom durch den Schalter S entsteht, der mit der Zeitkonstante RS CS abnimmt. Der Stromsprung beim Einschalten ergibt sich zu uc pt4 q UQ ∆is “ Ic, ein “ “ RS RS t “ t5 : Der Laststrom ist vollständig von der Freilaufdiode Df in den Hauptkreis kommutiert, an der Last liegt die Spannung UQ . Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 25 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik CS Lσ sptq CS Lσ S S RS DS UQ 1 RS DS UQ L Last Last Df CS 0 S is ptq CS Lσ S RS DS UQ S aus S ein t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t3 ` toff t4 t5 t1 t2 t5 ` ton t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t UQ Df 2. Abschalten (t1 ď t ă t2 ) Lσ 0 us ptq L 1. Eingeschaltet (t ă t1 ) Technische Universität München t Iv RS DS UQ L 0 L ic ptq Last Last Df 3. Zwischenkommutierung (t2 ď t ă t3 ) 4. Rückladen von CS (t3 ď t ă t4 ) 0 CS Lσ CS Lσ S RS DS RS T t DS UQ UQ L t3 uc ptq S UQ t Iv Df L 0 Last Last Df 5. Abgeschaltet (vor t4 ) 6. Einschalten (t4 ď t ă t5 ) Df idf ptq t Iv CS Lσ S 0 RS DS UQ uv ptq t UQ L Last Df 0 7. Entladen von CS (t5 ď t ă T ) Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente t Seite 26 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München t5 ă t ă t5 ` ton : Der Kondensator wird mit der Zeitkonstante RC solange entladen, bis uc auf Null abgesunken ist. Ab ton min « 3 ¨ RC kann dieser Vorgang als abgeschlossen betrachtet werden. Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 27 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik CS Lσ sptq CS Lσ S S RS DS UQ 1 RS DS UQ L Last Last Df CS 0 S is ptq CS Lσ S RS DS UQ S aus S ein t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t3 ` toff t4 t5 t1 t2 t5 ` ton t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t1 t2 t3 t3 ` toff t4 t5 t5 ` ton T t UQ Df 2. Abschalten (t1 ď t ă t2 ) Lσ 0 us ptq L 1. Eingeschaltet (t ă t1 ) Technische Universität München t Iv RS DS UQ L 0 L ic ptq Last Last Df 3. Zwischenkommutierung (t2 ď t ă t3 ) 4. Rückladen von CS (t3 ď t ă t4 ) 0 CS Lσ CS Lσ S RS DS RS T t DS UQ UQ L t3 uc ptq S UQ t Iv Df L 0 Last Last Df 5. Abgeschaltet (vor t4 ) 6. Einschalten (t4 ď t ă t5 ) Df idf ptq t Iv CS Lσ S 0 RS DS UQ uv ptq t UQ L Last Df 0 7. Entladen von CS (t5 ď t ă T ) Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente t Seite 28 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Aufgaben a) Welche Aufgaben erfüllen Schutzbeschaltungen leistungselektronischer Bauelemente? b) Zeichnen Sie eine RCD-Schutzbeschaltung (bestehend aus RS , CS und DS ) für S und eine Induktivität L zur Begrenzung der Stromsteilheit beim Einschalten für den Gleichstromsteller ein! c) Welchem Zweck dienen die einzelnen Bauteile der Schutzbeschaltung? d) Zeichnen Sie die Stromlaufpfade in den einzelnen Phasen beim An- und Abschalten von S! e) Zeichnen Sie die Zeitverläufe der gesuchten Ströme und Spannungen! f) Bestimmen Sie L und CS für die gegebenen Daten des Schalters S! Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 29 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Aus L “ ul ptq dil ptq dt “ UQ dis ptq dt Technische Universität München folgt: UQ “ L ¨ Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente dis ptq dt Seite 30 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Aus L “ ul ptq dil ptq dt “ UQ dis ptq dt Technische Universität München folgt: UQ “ L ¨ dis ptq dt Berechnung von L: L“ Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente UQ dis ptq dt “ 3000 V µs “ 6 µH 500 A Seite 30 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Aus L “ ul ptq dil ptq dt “ UQ dis ptq dt Technische Universität München folgt: UQ “ L ¨ dis ptq dt Berechnung von L: L“ Aus CS “ ic ptq duc ptq dt “ Iv dus ptq dt UQ dis ptq dt “ 3000 V µs “ 6 µH 500 A folgt: Iv “ CS ¨ Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente dus ptq dt Seite 30 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Aus L “ ul ptq dil ptq dt “ UQ dis ptq dt Technische Universität München folgt: UQ “ L ¨ dis ptq dt Berechnung von L: L“ Aus CS “ ic ptq duc ptq dt “ Iv dus ptq dt UQ dis ptq dt “ 3000 V µs “ 6 µH 500 A folgt: Iv “ CS ¨ dus ptq dt Berechnung von CS : CS “ Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Iv dus ptq dt “ 2000 A µs “ 2 µF 1000 V Seite 30 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Aufgaben a) Welche Aufgaben erfüllen Schutzbeschaltungen leistungselektronischer Bauelemente? b) Zeichnen Sie eine RCD-Schutzbeschaltung (bestehend aus RS , CS und DS ) für S und eine Induktivität L zur Begrenzung der Stromsteilheit beim Einschalten für den Gleichstromsteller ein! c) Welchem Zweck dienen die einzelnen Bauteile der Schutzbeschaltung? d) Zeichnen Sie die Stromlaufpfade in den einzelnen Phasen beim An- und Abschalten von S! e) Zeichnen Sie die Zeitverläufe der gesuchten Ströme und Spannungen! f) Bestimmen Sie L und CS für die gegebenen Daten des Schalters S! g) Für welche maximale Blockierspannung Us max muss S ausgelegt sein? Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 31 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Aufgrund von uc pt3 q “ Ûc “ UQ ` Iv ¨ Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Technische Universität München b L CS : Seite 32 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München b Aufgrund von uc pt3 q “ Ûc “ UQ ` Iv ¨ CLS : Maximale Blockierspannung: d L Us max “ UQ ` Iv ¨ “ CS d 6 µH “ 3000 V ` 3464 V “ 6464 V “ 3000 V ` 2000 A ¨ 2 µF Us max “ 2,15 ¨ UQ Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 32 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München b Aufgrund von uc pt3 q “ Ûc “ UQ ` Iv ¨ CLS : Maximale Blockierspannung: d L Us max “ UQ ` Iv ¨ “ CS d 6 µH “ 3000 V ` 3464 V “ 6464 V “ 3000 V ` 2000 A ¨ 2 µF Us max “ 2,15 ¨ UQ ‚ Berechneter Wert für Us max ist viel zu hoch! ‚ Zusätzliche Begrenzung der Spannung an S: Beschaltung der Induktivität mit Diode und Spannungsquelle Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 32 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Aufgaben a) Welche Aufgaben erfüllen Schutzbeschaltungen leistungselektronischer Bauelemente? b) Zeichnen Sie eine RCD-Schutzbeschaltung (bestehend aus RS , CS und DS ) für S und eine Induktivität L zur Begrenzung der Stromsteilheit beim Einschalten für den Gleichstromsteller ein! c) Welchem Zweck dienen die einzelnen Bauteile der Schutzbeschaltung? d) Zeichnen Sie die Stromlaufpfade in den einzelnen Phasen beim An- und Abschalten von S! e) Zeichnen Sie die Zeitverläufe der gesuchten Ströme und Spannungen! f) Bestimmen Sie L und CS für die gegebenen Daten des Schalters S! g) Für welche maximale Blockierspannung Us max muss S ausgelegt sein? h) Welchen Wert muss der Widerstand Rs haben, damit der Stromsprung beim Einschalten höchstens 10% des Laststroms iv beträgt? Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 33 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Zeitpunkt des Einschaltens (t “ t4 ): ‚ CS ist auf uc pt4 q “ UQ aufgeladen ‚ Einschalten von S: uc pt4 q “ UQ wird an RS gelegt Resultierender Stromsprung: ∆is “ Ic, ein “ 0,10 ¨ Iv “ 200 A Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 34 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Zeitpunkt des Einschaltens (t “ t4 ): ‚ CS ist auf uc pt4 q “ UQ aufgeladen ‚ Einschalten von S: uc pt4 q “ UQ wird an RS gelegt Resultierender Stromsprung: ∆is “ Ic, ein “ 0,10 ¨ Iv “ 200 A Berechung von RS : RS “ Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente UQ 3000 V “ 15 Ω “ Ic, ein 200 A Seite 34 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Aufgaben a) Welche Aufgaben erfüllen Schutzbeschaltungen leistungselektronischer Bauelemente? b) Zeichnen Sie eine RCD-Schutzbeschaltung (bestehend aus RS , CS und DS ) für S und eine Induktivität L zur Begrenzung der Stromsteilheit beim Einschalten für den Gleichstromsteller ein! c) Welchem Zweck dienen die einzelnen Bauteile der Schutzbeschaltung? d) Zeichnen Sie die Stromlaufpfade in den einzelnen Phasen beim An- und Abschalten von S! e) Zeichnen Sie die Zeitverläufe der gesuchten Ströme und Spannungen! f) Bestimmen Sie L und CS für die gegebenen Daten des Schalters S! g) Für welche maximale Blockierspannung Us max muss S ausgelegt sein? h) Welchen Wert muss der Widerstand Rs haben, damit der Stromsprung beim Einschalten höchstens 10% des Laststroms iv beträgt? i) Wie groß ist dann die minimale Einschaltzeit ton min ? Bestimmen Sie hierzu die Zeitkonstante des RC-Kreises! Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 35 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Einschalten von S bei t “ t4 : ‚ CS und RS werden kurzgeschlossen ‚ RC-Kreis mit Zeitkonstante RS CS ‚ Nach 3 ¨ RS CS : uc ptq ist auf 5% des Anfangswertes Uv abgeklungen Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 36 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Einschalten von S bei t “ t4 : ‚ CS und RS werden kurzgeschlossen ‚ RC-Kreis mit Zeitkonstante RS CS ‚ Nach 3 ¨ RS CS : uc ptq ist auf 5% des Anfangswertes Uv abgeklungen Daraus resultierend: ton min “ 3 ¨ RS CS “ 3 ¨ 15 Ω ¨ 2 µF “ 3 ¨ 30 µs “ 90 µs Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 36 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Aufgaben a) Welche Aufgaben erfüllen Schutzbeschaltungen leistungselektronischer Bauelemente? b) Zeichnen Sie eine RCD-Schutzbeschaltung (bestehend aus RS , CS und DS ) für S und eine Induktivität L zur Begrenzung der Stromsteilheit beim Einschalten für den Gleichstromsteller ein! c) Welchem Zweck dienen die einzelnen Bauteile der Schutzbeschaltung? d) Zeichnen Sie die Stromlaufpfade in den einzelnen Phasen beim An- und Abschalten von S! e) Zeichnen Sie die Zeitverläufe der gesuchten Ströme und Spannungen! f) Bestimmen Sie L und CS für die gegebenen Daten des Schalters S! g) Für welche maximale Blockierspannung Us max muss S ausgelegt sein? h) Welchen Wert muss der Widerstand Rs haben, damit der Stromsprung beim Einschalten höchstens 10% des Laststroms iv beträgt? i) Wie groß ist dann die minimale Einschaltzeit ton min ? Bestimmen Sie hierzu die Zeitkonstante des RC-Kreises! j) Welche Verluste entstehen pro Schaltzyklus in der Beschaltung, d. h. im Widerstand RS ? Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 37 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München ‚ Pro Schaltzyklus: L und CS jeweils einmal ge- und entladen ‚ Verluste in RS : In L und CS gespeicherte Energien Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 38 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München ‚ Pro Schaltzyklus: L und CS jeweils einmal ge- und entladen ‚ Verluste in RS : In L und CS gespeicherte Energien Induktivität L: El “ 0,5 ¨ L ¨ Iv2 “ 0,5 ¨ 6 µH ¨ p2000 Aq2 “ 12 Ws Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 38 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München ‚ Pro Schaltzyklus: L und CS jeweils einmal ge- und entladen ‚ Verluste in RS : In L und CS gespeicherte Energien Induktivität L: El “ 0,5 ¨ L ¨ Iv2 “ 0,5 ¨ 6 µH ¨ p2000 Aq2 “ 12 Ws Kondensator CS : Ec “ 0,5 ¨ CS ¨ UQ2 “ 0,5 ¨ 2 µF ¨ p3000 Vq2 “ 9 Ws Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 38 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München ‚ Pro Schaltzyklus: L und CS jeweils einmal ge- und entladen ‚ Verluste in RS : In L und CS gespeicherte Energien Induktivität L: El “ 0,5 ¨ L ¨ Iv2 “ 0,5 ¨ 6 µH ¨ p2000 Aq2 “ 12 Ws Kondensator CS : Ec “ 0,5 ¨ CS ¨ UQ2 “ 0,5 ¨ 2 µF ¨ p3000 Vq2 “ 9 Ws Insgesamt: Er “ El ` Ec “ 12 Ws ` 9 Ws “ 21 Ws Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 38 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Ende Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Übung 4: Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente Seite 39
