Schutzbeschaltung elektronischer Bauelemente - Leistungselektronik

Werbung
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
Herunterladen