Manfred Meyer Leistungs- elektronik Einführung Grundlagen

Manfred Meyer
Leistungselektronik
Einführung
Grundlagen
Uberblick
Mit 324 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1990
Professor Dr.-Ing. Manfred Meyer
Lehrstuhl für elektrische Antriebe,
Leistungselektronik und elektrische Maschinen
Elektrotechnisches Institut
Universität Karlsruhe
Kaiserstraße 12
7500 Karlsruhe 1
CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Meyer, Manfred: Leistungselektronik: Einführung, Grundlagen, Überblick/Manfred Meyer.
ISBN 978-3-540-52460-1
ISBN 978-3-642-87348-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-87348-5
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1990
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1990
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Vorwort
Die wichtigsten Entwicklungsabschnitte auf dem Gebiet der Leistungselektronik
wurden jeweils durch neuartige elektrische Ventile ausgelöst. Der erste begann
Anfang dieses Jahrhunderts mit dem ungesteuerten Quecksilberdampf-Gefäß, dem
Grundbauelement für die Technik der netzgeführten Gleichrichter. Mitte der
zwanziger Jahre standen steuerbare Quecksilberdampf-Gefäße zur VerfügUng. Sie
führten zur Technik der netzgeführten Stromrichter; gesteuerter Gleich- und
Wechselrichterbetrieb wurde möglich. Die Quecksilberdampf-Technologie wurde
Anfang der sechziger Jahre durch die Siliziumtechnologie abgelöst. Diese ermöglichte einmal eine Ausweitung der Leistungselektronik zu den kleinen Leistungen hin, zum anderen verhalfen schnelle Thyristoren im Leistungsteil und
Transistoren sowie integrierte Schaltkreise im Steuerungsteil der Technik der
selbstgeführten Stromrichter zum Durchbruch. Selbstgeführte Stromrichter
wurden industriell zunächst nur als elektronische Gleichstromsteller oder als
Wechsel- bzw. Drehstromquellen auf der Lastseite und dort überwiegend zur
Speisung von Drehstrommaschinen eingesetzt. In den letzten Jahren hat sich das
Angebot an Stromrichterventilen um die über den Steueranschluß auch abschaltbaren Leistungshalbleiter erweitert, was zu einer abermaligen starken Ausweitung des Gebietes der Leistungselektronik führt. Selbstgeführte Stromrichter
können jetzt auch auf der Netzseite eingesetzt werden, wodurch die Netzrückwirkungen, ein Nachteil der netzgeführten Stromrichter, erheblich reduziert
werden können.
Jeder der erwähnten Entwicklungsschritte erforderte eine Erweiterung der
theoretischen Grundlagen der Leistungselektronik. Das Gebiet ist heute so groß
geworden, daß mir der Versuch, die gesamte Theorie der Leistungselektronik in
einem Lehrbuch zusammenzufassen, aussichtslos und auch nicht sinnvoll erscheint.
In dem nachstehenden Text, der aus einer zweisemestrigen Vorlesung für
Studenten des siebenten und achten Semesters hervorgegangen ist, beschränke ich
mich deshalb darauf, die theoretischen Grundlagen der Schaltungen zu vermitteln, die eine große Verbreitung gefunden haben, und derjenigen, von denen ich
meine, daß sie in absehbarer Zukunft an Bedeutung gewinnen werden.
Nach einer knappen Einführung in die Begriffswelt der Leistungselektronik
(Teil 1 ) wird in Teil 2 über die heute zur Verfügung stehenden Leistungshalbleiter
berichtet, wobei ausführlich auf deren dynamisches Verhalten eingegangen wird.
Teil 3, der Schwerpunkt dieser Arbeit, ist der Stromrichtertheorie gewidmet.
Behandelt werden netzgeführte, lastgeführte und selbstgeführte Stromrichter,
wobei bei den selbstgeführten sowohl der lastseitige als auch der netzseitige
Einsatz untersucht wird. Besonderer Wert wird bei allen Stromrichterarten auf die
Theorie der Drehstrom-Brückenschaltung gelegt. Auf die Theorie der netzgeführten Zweipulsschaltungen, die praktisch nur noch für kleine Leistungen eingesetzt
und in Zukunft überwiegend als ungesteuerte Zweipuls- Brückenschaltung
Verwendung finden werden, wird nicht eingegangen. Selbstgeführte Wechsel-
VI
Vorwort
strom- Brückenschaltungen, wie sie bei Bahnantrieben als netzseitige Stromrichter eingesetzt werden, werden dagegen eingehend beschrieben.
Die grundsätzlichen Eigenschaften werden anhand einer idealisierten Stromrichtertheorie behandelt, die Grundlagen einer vertiefenden konventionellen
Theorie werden an Beispielen vermittelt. Leser, die sich weiter in ein bestimmtes
Teilgebiet einarbeiten wollen, werden über ein umfangreiches Literaturverzeichnis auf die einschlägigen Veröffentlichungen hingewiesen.
Insgesamt bietet Teil 3 dem Leser neben der grundlegenden Theorie der
einzelnen Stromrichterarten, die durch umfangreiche Frequenzanalysen der
zeitlichen Strom- und Spannungsverläufe ergänzt wird, auch einen Überblick über
die meisten mit der modernen Leistungselektronik möglichen Arten der elektrischen Energieumformung.
Bewußt ausgenommen wurden die Resonanzstromrichter, bei denen die
Schaltverluste durch Schalten im Spannungs- oder Stromnulldurchgang kleingehalten werden und die somit mit hoher Schaltfrequenz betrieben werden können.
An ihrer Entwicklung wird international an vielen Stellen gearbeitet, ihr
industrieller Einsatz scheint jedoch noch nicht unmittelbar bevorzustehen. Eine
allgemeine Theorie der Resonanzstromrichter ist erst noch zu entwickeln,
wodurch die Theorie der Leistungselektronik nochmals erheblich ausgeweitet
werden wird.
Der nachstehende Text wurde so gestaltet, daß er einerseits den Studenten der
Universitäten, der Technischen Hochschulen und der Fachhochschulen als
Lehrbuch der Leistungselektronik dienen und andererseits auch dem in der Praxis
tätigen Ingenieur das Einarbeiten in die an Bedeutung gewinnenden neuen
Gebiete der Leistungselektronik ermöglichen kann.
Mein herzlicher Dank gilt all jenen, die mir bei der Arbeit an diesem Buch
geholfen haben. Herr Dr.-Ing. U. Nuß und Herr Dipl.-Ing. W. Söhner errechneten
Frequenzanalysen von Strom- und Spannungsverläufen, Frau G. Fuchs zeichnete
mit großer Sorgfalt und Ausdauer die Bilder. Frau H. Köhler und Frau B. Rink
schrieben und korrigierten mit viel Geduld das Manuskript. Herr Dr.-Ing. W.
Fetscher, Herr Dr.-Ing. U. Nuß, Herr Dipl.-Ing. K. Rohatseh, Herr Dipl.-Ing. W.
Söhner und Herr Dr.-Ing. H. Vogelmann sahen kritisch Teile des Manuskripts
durch und trugen mit Anregungen und Hinweisen zu Verbesserungen und
Ergänzungen bei.
Dem Springer-Verlag danke ich für die immer gute und problemlose
Zusammenarbeit. Nicht zuletzt bedanke ich mich bei meiner Frau für die Geduld,
mit der sie die Arbeit an diesem Buch tolerierte.
Karlsruhe, Sommer 1990
Manfred Meyer
Inhalt
Formelzeichen . .
Indizes . . . . .
Schaltplanzeichen
XIII
XVII
XIX
Einführung
1
1
Definition des Begriffs Leistungselektronik .
1
2
2.1
2.2
Begriffe der Stromrichtertechnik
Aufbau und Funktionsarten
Führung und Taktgebung . . .
3
3
7
Teilt
Teil 2
StromrichterventiIe und Ventilbauelemente
13
3
Nicht steuerbare Stromrichterventile
14
4
4.1
4.1.1
4.1.2
4.1.3
4.1.3.1
4.1.3.2
4.1.3.3
4.1.4
4.1.4.1
4.1.4.2
4.1.4.3
4.1.4.4
4.1.5
4.2
Steuerbare Stromrichterventile . . .
Über den Steueranschluß nur einschaltbare Stromrichterventile
Grundsätzlicher Aufbau. .
Statische Eigenschaften . .
Dynamische Eigenschaften.
Einschaltverhalten . . . .
Ausschaltverhalten . . . .
Kritische Spannungssteilheit (du/dt)cr
Sonderbauformen . . . . . . . . .
Thyristor mit asymmetrischen Sperrkennlinien
Rückwärts leitender Thyristor . . . .
Zweirichtungs-Thyristortriode (TRIAC)
Optisch ans teuer bare Thyristoren. . .
Schaltleistung von Thyristoren . . . .
Über den Steueranschluß ein- und ausschaltbare Stromrichterventile . . . . . . . .
Leistungstransistoren . . . . . . . .
Bipolare Leistungstransistoren . . . .
MOS-Feldeffekt-Leistungstransistoren .
Bipolare Leistungstransistoren mit integrierter MOSFETAnsteuerung (IGBT) . .
Abschaltbare Thyristoren . . . . .
GTO-Thyristoren. . . . . . . . .
SI-Thyristoren und F.C. Thyristoren
Abschließende Bemerkungen zum Thema Ventil bauelemente
18
18
18
19
21
21
24
26
27
27
28
29
30
30
4.2.1
4.2.1.1
4.2.1.2
4.2.1.3
4.2.2
4.2.2.1
4.2.2.2
4.3
30
31
31
36
39
41
41
44
46
VIII
Inhalt
5
5.1
5.2
Konstruktive und thermische Eigenschaften
Konstruktiver Aufbau.
Thermisches Verhalten
49
49
51
6
Überstromschutz . . .
55
7
7.1
7.2
Überspannungsschutz, Entlastungsnetzwerke
Schutz gegen innere Überspannungen, Entlastungsnetzwerke
Schutz gegen äußere Überspannungen. . . . . . . . . .
59
59
63
Stromrichtertheorie
67
Fremdgeführte Stromrichter . . . . . . . . . . . . . .
Netzgeführte und netzgetaktete Stromrichter mit induktiver
Glättung des Gleichstromes . . . . . . . . . . . .
Idealisierte Theorie . . . . . . . . . . . . . . . .
Idealisierte Theorie der Dreipuls-Mittelpunktschaltung .
Voraussetzungen . . . . . . . . . . . . .
Die ideelle Gleichspannung . . . . . . . .
Gesteuerter Gleich- und Wechselrichterbetrieb
Stromflußwinkel und Totzeit. . . . . . . .
Spannungs- und Strom-Übertragungsverhalten
Idealisierte Theorie der Sechspuls-Brückenschaltung .
Die ideelle Gleichspannung . . . . . . . .
Stromrichtertransformatoren . . . . . . . .
Gesteuerter Gleich- und Wechselrichterbetrieb
Der netzseitige Leiterstrom . . .
Die ungeglättete Gleichspannung . . . . .
Der Lückbetrieb . . . . . . . . . . . .
Leistung, Blindleistung und Leistungsfaktor
Zwölf- und höherpulsige Schaltungen . . .
Abschließende Bemerkung zum Thema idealisierte Theorie
des netzgeführten Stromrichters. . . . . . . . . . . .
Konventionelle Theorie . . . . . . . . . . . . . . .
Konventionelle Theorie der Dreipuls-Mittelpunktschaltung .
Voraussetzungen . . . . . . . . . . . . .
Der Kommutierungsvorgang . . . . . . . . . .
Gesteuerter Gleich- und Wechselrichterbetrieb . .
Wechselrichtertrittgrenze und Wechselrichterkippen
Konventionelle Theorie der Sechspuls-Brückenschaltung
Gleichspannung und induktive Gleichspannungsänderung
Die Belastung des vollausgesteuerten Stromrichters vom
Leerlauf bis zum Kurzschluß . . . . . . . . . . . . .
Oberschwingungen im Netzstrom unter Berücksichtigung des
Kommutierungsvorganges und der Welligkeit des Gleichstromes
Kommutierungsblindleistung . . . . . . . . . . . . . . .
68
Teil 3
8
8.1
8.1.1
8.1.1.1
8.1.1.2
8.1.1.3
8.1.1.4
8.1.2
8.1.2.1
8.1.2.2
68
68
68
68
70
72
76
78
79
79
80
85
88
90
93
97
101
105
105
105
105
107
112
115
117
117
120
127
134
Inhalt
8.1.3
8.1.3.1
8.1.3.2
8.1.3.3
8.1.4
8.1.4.1
8.1.4.2
8.1.5
8.1.5.1
8.1.5.2
8.1.5.3
8.1.5.4
8.1.5.5
8.1.6
8.2
8.3
8.3.1
8.3.1.1
8.3.1.2
8.3.2
Abschließende Bemerkung zum Thema konventionelle Theorie
des netzgeführten Stromrichters. . . . . . . . . . . . .
Stromrichter zum Betrieb in verschiedenen Quadranten der
Gleichstrom-Gleichspannungsebene
Einquadrant-Stromrichter . .
Zweiquadranten-Stromrichter . .
Vierquadranten-Stromrichter. . .
Wechsel- und Drehstromumrichter
Direktumrichter . . . . . . . .
Zwischenkreisumrichter: HGÜ und Kurzkupplung
Netzrückwirkungen . . .
Spannungsänderungen . . . .
Spannungsunsymmetrien
Spannungsoberschwingungen .
Spannungszwischenschwingungen (lnterharmonics)
Verträglichkeitspegel . . . . . . . . . . . . .
Ermittlung dynamischer Vorgänge . . . . . . .
Netzgeführte Gleichrichter mit kapazitiver Glättung der
Gleichspannung . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lastgeführte und lastgetaktete Stromrichter . . . . .
Lastgeführte und lastgetaktete Stromrichter mit induktiver
Glättung des Gleichstromes . . .
Maschinengeführte Stromrichter . . . . . . . . . . .
Parallelschwingkreis-Wechselrichter . . . . . . . . . .
Lastgeführte und lastgetaktete Stromrichter mit kapazitiver
Glättung der Gleichspannung: ReihenschwingkreisWechselrichter . . . . . . . . . .
IX
136
136
137
137
138
140
141
148
149
150
152
153
159
160
161
161
165
165
165
167
171
Wechselstrom- und Drehstromsteller
Wechselstromsteller .
Anschnittsteuerung .
Ohmsche Belastung .
Induktive Belastung.
Gemischt ohmsch-induktive Belastung .
Leistungsfaktor und Oberschwingungen
Schwingungspaketsteuerung (Vielperiodensteuerung) .
Drehstromsteller . . . . . . . . . . .
Schaltungsvarianten und Steuerkennlinien
Anwendungen . . . . . . . . . . . .
174
175
175
175
Selbstgeführte Stromrichter . . . . . .
Selbstgeführte und eigengetaktete Stromrichter mit kapazitiver
Glättung der Gleichspannung . . . . . . . . . . .
10.1.1 Idealisierte Theorie . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.1.1 Idealisierte Theorie des Einquadrant-Gleichstromstellers
Voraussetzungen . . . .
Ströme und Spannungen. . . . . . . . . . . . . .
195
9
9.1.
9.1.1
9.1.2
9.2
9.2.1
9.2.2
10
10.1
177
178
180
183
186
186
192
195
196
196
196
197
X
Inhalt
10.1.1.2
10.1.1.3
10.1.1.4
10.1.1.5
10.1.1.6
10.1.1.7
10.1.2
10.1.2.1
10.1.2.2
10.2
10.2.1
10.2.2
10.3
Wechselanteile in Eingangsstrom und Ausgangsspannung;
Welligkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Der Gleichstromsteller als steuerbarer elektrischer Energiewandler
Verfahren zur Steuerung der Ausgangsspannung bzw.
zur Regelung des Ausgangsstroms . . . . . . . . . . .
Tiefsetzsteller und Hochsetzsteller . . . . . . . . . . . .
Idealisierte Theorie des Zweiquadranten-Gleichstromstellers
Gleichzeitige Taktung. . . . . . . . . . . . . . . . .
Alternierende Taktung . . . . . . . . . . . . . . . .
Idealisierte Theorie des Vierquadranten-Gleichstromstellers .
Idealisierte Theorie eines Bruckenzweigpaares
Blocksteuerung . . . . . . .
Pulssteuerung . . . . . . .
Dreieck-Rechteckmodulation .
Dreieck-Sinusmodulation . .
Idealisierte Theorie der Wechselstrom-Brückenschaltung
Schwenksteuerung . . . . . . . . . . . . .
Symmetrische und unsymmetrische Pulssteuerung
Unsymmetrische Dreieck-Rechteckmodulation .
Unsymmetrische Dreieck-Simusmodulation. . .
Idealisierte Theorie der Drehstrom-Brückenschaltung
Blocksteuerung . . . . . . .
Pulssteuerung . . . . . . .
Dreieck-Rechteckmodulation.
Dreieck-Sinusmodulation . .
Elimination der Oberschwingungen; optimierte Pulsmuster
Idealisierte Theorie einer erweiterten Drehstrombruckenschaltung (Dreipunktwechselrichter) .
Blocksteuerung . . . .
Pulssteuerung . . . . . . . . . .
Konventionelle Theorie . . . . . .
Kommutierung mit kapazitivem Energiespeicher
Induktivitätsfreie Kommutierungskreise . .
Induktivitätsbehaftete Kommutierungskreise . .
Schaltung mit Umschwingthyristor . . . . . .
Schaltung mit Rücklade- und getrenntem Umschwingkreis
Schaltung mit Nachlade- und getrenntem Umschwingkreis
Abschließende Betrachtung . . . . . . . . . . . . .
Kommutierung bei über den Steueranschluß auch abschaltbaren
realen elektrischen Ventilen . . . . . . . . . . . . . . .
Selbstgeführte und netzgetaktete Stromrichter mit kapazitiver
Glättung der Gleichspannung
. . . . . . . . . . ..
Umkehrstromrichter zur Speisung eines Spannungszwischenkreises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Stromrichter zur Blindleistungskompensation . . . . . . . .
Selbstgeführte und netzgetaktete Stromrichter mit induktiver
Glättung des Gleichstroms. . . . . . . . . . . . . . . .
200
203
204
206
207
208
216
221
224
225
225
227
230
234
235
237
238
242
245
246
248
249
252
255
259
265
268
271
271
272
275
277
278
279
280
280
282
284
286
290
Inhalt
XI
10.3.1 Idealisierte Theorie der Drehstrom-Brückenschaltung .
10.3.1.1 Steuerung der Gleichspannung über den Steuerwinkel IY. bei
einem Stromführungswinkel wt F = 2n/3 . . . . . . .
10.3.1.2 Steuerung der Gleichspannung durch Aufteilung der Ventilstromführungsdauer je Periode in zwei Abschnitten mit über
den Steuerwinkel b veränderbarer Länge beim Grundschwingungsleistungsfaktor cos <P 1 = 1 . . . . . . . . . . .
10.3.1.3 Pulssteuerung beim Grundschwingungsleistungsfaktor cos <Pl = 1
10.4
Selbstgeführte und eigengetaktete Stromrichter mit induktiver
Glättung des Gleichstroms. . . . . . . . . . . .
10.4.1 Idealisierte Theorie der Drehstrom-Brückenschaltung
10.4.1.1 Blocksteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.4.1.2 Pulssteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.4.2 Konventionelle Theorie der Drehstrom-Brückenschaltung
10.4.2.1 Stromrichter mit über den Steueranschluß ein- und ausschaltbaren elektrischen Ventilen . . . . . . . . . . . . .
10.4.2.2 Stromrichter mit über den Steueranschluß nur einschaltbaren
rückwärtssperrenden Thyristoren und Phasenfolgelöschung .
Selbstgeführte Direktumrichter
10.5
10.5.1 Blocksteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5.2 Pulssteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5.3 Abschließende Bemerkungen zum selbstgeführten Direktumrichter . . . . . . . . . .
291
291
293
298
302
302
303
303
306
306
307
314
316
323
328
11
Umrichter mit Zwischenkreis . . .
330
12
Elektromagnetische Verträglichkeit
334
Literatur . . .
338
Sachverzeichnis
347
Formelzeichen
A
A
a
B
B
b
C
CL
Cr
Cth
C
c
Aussteuerungsgrad
Koeffizient
Einschaltzeitverhältnis
Stromverstärkung
Koeffizient
Ausschaltzeitverhältnis
Kapazität
Kapazität des Lastkreises
Filterkapazität
Wärmekapazität
Koeffizient
Lichtgeschwindigkeit
d
dx
Verzerrungsleistung
bezogene Gleichspannungsänderung
bezogene induktive Gleichspannungsänderung
E
EL
Quellenspannung
Quellenspannung im Lastkreis
I
IL
Frequenz
Frequenz des Lastkreises
Maschinenfrequenz
Frequenz der Flickererscheinung
Grenzfrequenz
Netzfrequenz
Pulsfrequenz
Resonanzfrequenz
Schaltfrequenz
Frequenz der Grundschwingung
G
Spannungsschaltfunktion, allgemein
Augenblickswert der Spannungsschaltfunktion
Grundschwingungsgehalt des Stromes
Grundschwingungsgehalt der Spannung
D
IM
Ir
Ig
In
Ip
Ir
Is
11
g
gi
gu
I
i
I
i
i
I AvM
Strom allgemein Effektivwert des Stromes
Zeitwert des Stromes
Zeitzeiger des Stromes I
Raumzeiger des Stromes I
Scheitelwert des Stromes I
Dauergrenzstrom
XIV
IB
Ie
IL
IL
IT
ITAv(l)
Iv
Iv
Id
I d1
Ik
I.
Iv
Ifl
L
iD
iR
iF
iT
Ku
k
ki
ku
Formelzeichen
Basisstrom
Kollektorstrom
Leiterstrom
Strom im Lastkreis
Thyristorstrom
Dauergrenzstrom eines Thyristors
Ventilstrom
Verbraucherstrom
Gleichstrommittelwert
Gleichstrommittelwert bei Betrieb an der Lückgrenze
Kurzschlußstrom
Strangstrom, stromrichterseitiger Außenleiterstrom
v-te Teilschwingung des Stromes
e-te Teilschwingung des Stromes
Wechselstrom
Drain-Strom
Rückstrom
Vorwärtsstrom einer Diode
Vorwärtsstrom eines Thyristors
Proportionalitätskonstante, Faktor
Verhältnis der Stromrichterleistung zur Kurzschlußleistung
des Netzes
Spannungsteilerverhältnis
Proportionalitätskonstante
Klirrfaktor des Stromes
Klirrfaktor der Spannung
L
4
Induktivität
Induktivität des Kommutierungskreises
N
Anzahl der beweglichen Schaltwinkel bei Pulssteuerung
P
P
zeitlicher Mittelwert der Leistung
Augenblickswert der Leistung
Gleichsleistung
ideelle Gleichleistung
Mittelwert der Leistung beim Steuerwinkel oe
Sperrverlustleistung in Vorwärtsrichtung (Augenblickswert )
Ausschaltverlustleistung beim Abschalten eines Vorwärtsstroms
(Augenblickswert )
Steuerverlustleistung (Augenblickswert )
Sperrverlustleistung in Rückwärtsrichtung (Augenblickswert )
Ausschaltverlustleistung beim Abschalten eines Rückstroms
(Augenblickswert )
Durchlaßverlustleistung (Augenblickswert )
Einschaltverlustleistung (Augenblickswert )
Verlustleistung allgemein (Augenblickswert )
Pulszahl des Stromrichters
Pd
Pdi
P"
PD
PDQ
PG
PR
PRQ
PT
PTT
Pv
P
Formelzeichen
Q
Ql
Q
R
RDS(OD)
RL
R th
rF
rT
R
S
SBt
SE
Ss
Sk
SI
S
S
Blindleistung
Grundschwingungsblindleistung
Elektrische Ladung
ohmscher Widerstand
Drain-Source-Durchlaßwiderstand
Lastkreiswiderstand
Thermischer Widerstand
Ersatzwiderstand einer Diode
Ersatzwiderstand eines Thyristors
Aussteuerungszustand, Amplitudenverhältnis der Steuerspannungen
Scheinleistung
Bauleistung eines Stromrichtertransformators
Anschlußleistung von Einphasenlasten
Schaltleistung von Halbleiterbauelementen
Kurzschlußleistung
Grundschwingungsscheinleistung
Stromschaltfunktion allgemein
Augenblickswert der Stromschaltfunktion
Periodendauer
Einschaltdauer
Periodendauer der Netzfrequenz
Dauer der Schaltperiode
Zeit (allgemein)
Totzeit
Schonzeit
Verzögerungszeit eines bipolaren Transistors
Fallzeit des Kollektorstroms
Abschaltzeit (einer Sicherung)
Zündverzug
Einschaltdauer eines Thyristors
Durchschaltzeit
Zündzeit
Kommutierungsdauer
Löschzeit (einer Sicherung)
Ausschaltzeit eines Transistors
Einschaltzeit eines Transistors
Freiwerdezeit
Anstiegszeit des Kollektorstromes
Schmelzzeit (einer Sicherung)
Speicherzeit
Umschwingdauer
u
u
II
~
XV
Spannung allgemein, Effektivwert der Spannung
Zeitwert der Spannung U
Zeitzeiger der Spannung U
Raumzeiger der Spannung U
XVI
Formelzeichen
Üu
Scheitelwert der Spannung U
Kondensatorspannung
Kollektor-Emitterspannung
höchste periodisch zulässige Vorwärts-Spitzensperrspannung
Schleusenspannung einer Diode
Maschinenspannung
höchste periodisch zulässige Rückwärts-Spitzensperrspannung
Schleusenspannung eines Thyristors
Gleichspannungsmittelwert
ideelle Gleichspannung (Mittelwert)
ideelle Gleichspannung beim Steuerwinkel Ot: (Mittelwert)
ohmsche Gleichspannungsänderung
induktive Gleichspannungsänderung
Netzspannung
Sternspannung
Außenleiterspannung, Dreieckspannung, verkettete Spannung
der Gleichspannung Udi überlagerte v-te Teilschwingung
(Effektivwert)
Wechselspannung
Drain-Source-Spannung
Durchlaßspannung einer Diode
Rückwärtssperrspannung
Durchlaßspannung eines Thyristors
Augenblickswert einer Gleichspannung
induktive Kurzschlußspannung
Überlappungswinkel
Spannungsübersetzungsverhältnis
W vs
w
w
Schaltverlustenergie je Schaltperiode
Windungszahl
Welligkeit
X
Xc
Xk
Reaktanz
Reaktanz im Filterkreis
Reaktanz im Kommutierungskreis
Z
Impedanz
transienter Wärmewiderstand
Pulswärmewiderstand
Ci
UC
UCE
UDRM
UFO
UM
URRM
UTO
Ud
Udi
Udill!
Udr
Udx
Un
U.
Uv
Uvdi
U_
UDS
uF
UR
~
Ud
Ux
U
Zth
Z(th)p
lXw
Steuerwinkel
spontaner Zündverzögerungswinkel
Steuerwinkel an der Wechselrichtertrittgrenze
ß
Steuerwinkel bei der Schwenksteuerung und der Blocksteuerung
y
Löschwinkel
M
AQ
Stromdifferenz
Ladungsdifferenz
Ot:
Ot:'
Indizes
XVII
/1U
/18
()
Spannungsdifferenz
Temperaturdifferenz
Steuerwinkel beim selbstgeführten netzgetakteten Stromrichter
8
Temperatur
A
A
Ag
Leistungsfaktor
netzseitiger Leistungsfaktor
Wellenlänge
Grenzwellenlänge
V
Ordnungszahl der Oberschwingungen
e
Ordnungszahl der Zwischenschwingungen (Interharmonics)
An
"C
"CL
"Cth
({J
({JL
({Jl
W
WL
Wn
Wo
W1
W1
wtF
Zeitkonstante
elektrische Zeitkonstante des Lastkreises
thermische Zeitkonstante
Verschiebungswinkel
Impedanzwinkel des Lastkreises
Grundschwingungsverschiebungswinkel
Kreisfrequenz
Kreisfrequenz des Lastkreises
Kreisfrequenz des Netzes
Kernkreisfrequenz
Eigenkreisfrequenz des gedämpften Lastkreises
Kreisfrequenz der Grundschwingungsgrößen
Stromführungswinkel
Indizes
A
a
den Anodenanschluß betreffend
in Abhängigkeit vom Einschaltzeitverhältnis
B
B
den Basisanschluß betreffend
die Bauleistung eines Transformators betreffend
C
den Kollektoranschluß betreffend
D
d
den Drain-Anschluß betreffend
Gleichgrößen betreffend
E
den Emitteranschluß betreffend
F
f
f
die Vorwärtsrichtung eines Halbleiters betreffend
das Abfallen betreffend
den Filterkreis betreffend
G
g
den Gate-Anschluß betreffend
die Glättung betreffend
XVIII
Indizes
den Strom betreffend
ideell
K
k
k
den Kathodenanschluß betreffend
die Kommutierung betreffend
den Kurzschluß betreffend
L
I
Lastkreis,- den Lastkreis betreffend
die Lückgrenze betreffend
M
max
mm
Maschine
Maximalwert
Minimalwert
N
n
negativ dotiert
Netz-, das elektrische Netz betreffend
off
on
den Ausschaltvorgang betreffend
den Einschaltvorgang betreffend
p
pulsförmig, gepulst
R
r
r
die Rückwärtsrichtung eines Halbleiters betreffend
den Anstieg betreffend
den ohmschen Widerstand betreffend
S
s
s
st
den Source-Anschluß betreffend
auf den Sternpunkt bezogen
den Stromrichter betreffend
die Steuergröße betreffend
T
th
einen Thyristor betreffend
thermisch
U
u
die Klemme U betreffend
die Spannung betreffend
V
v
die Klemme V betreffend
den Außenleiter betreffend
W
w
die Klemme W betreffend
die Wechselrichtertrittgrenze betreffend
x
die Reaktanz betreffend
Cl
beim Steuerwinkel IX
beim Steuerwinkel ß
beim Steuerwinkel 15
ß
8
v
Q
die v-te Teilschwingung betreffend
die (I-te Teilschwingung betreffend
Schaltplan zeichen
+
o
die
die
die
die
XIX
Plusklemme betreffend
Nullklemme betreffend
Minusklemme betreffend
Wechselpotentialklemme betreffend
Schaltplanzeichen
A
A
Anode
Ar bei tsmaschine
B
Basis
C
Kapazität
Kapazität des Anschwingkreises
Kompensationskapazität
Kapazität des Lastkreises
Filterkapazität
Glä ttungska pazitä t
Wärmekapazität
Kollektor
CA
CK
CL
Cr
Cg
Cth
C
D
Dr
Dr
D
DUR
Diode
Freilaufdiode
Rücklaufdiode
Drain
Drehstromumrich ter
ES
E
Quellenspannung
Elektronischer Schalter
Emitter
G
GR
GUR
Gate, Steueranschluß bei Thyristoren, bei MOSFET's und IGBT's
Gleichrichter
Gleichstromumrichter
H
HK
Hauptanschluß (beim TRIAC)
Hilfskathode
J
PN-Übergang
K
K
Kathode
Überspannungsableiter
L
Induktivität
Induktivität der Blindleistungsdrossel
Induktivität des Lastkreises
Saugdrossel
Induktivität des Eingangskreises
E
LK
4
Ls
Le
XX
Schaltplanzeichen
Lr
Lg
4.
Filterinduktivität
Glättungsinduktivität
Induktivität im Kommutierungskreis
L1, L2, L3 Klemmenbezeichnung der Außenleiter des Drehstromnetzes
M
elektrische Maschine
N
N
Klemmenbezeichnung des Sternpunkts und des Nulleiters
negativ dotierte Halbleiterzone (elektronenleitend )
stark negativ dotierte Halbleiterzone
P
positiv dotierte Halbleiterzone (löcherleitend)
stark positiv dotierte Halbleiterzone
N+
p+
Schalter
ohmscher Widerstand
Widerstand des Lastkreises
ohmscher Widerstand im Kommutierungskreis
Wärmewiderstand
SR
Source
schwach negativ dotierte Halbleiterzone
(schwach elektronenlei tend)
Stromrichter
T
T
Transistor
Thyristor
U
Klemmenbezeichnung (Wechselstrom)
V
V
elektrisches Ventil
Klemmenbezeichnung (Wechselstrom)
W
WR
Klemmenbezeichnung (Wechselstrom)
Wechselrichter
Reaktanz im Kommutierungskreis
+
o
Klemme
Klemme
Klemme
Klemme
mit
mit
mit
mit
positivem Potential
Nullpotential
negativem Potential
Wechselpotential
Teill
Einführung
1 Definition des Begriffs Leistungselektronik
Unter dem Begriff Elektronik wird die Lehre von den elektronischen Bauelementen und Geräten verstanden. Elektronische Geräte in diesem Sinne sind Einrichtungen, die mit Hilfe von elektronischen Bauelementen Aufgaben des Messens,
Steuerns und RegeIns, der Datenübertragung und der Datenverarbeitung, nicht
zuletzt auch der Umformung elektrischer Energie, übernehmen. Ursprünglich
bezog sich der Begriff elektronische Bauelemente ausschließlich auf Elektronenröhren und Gasentladungsgefäße, inzwischen zählen auch die Halbleiterbauelemente und damit auch die Halbleiterventile der Energietechnik zu den elektronischen Bauelementen.
Das gesamte Gebiet der Elektronik läßt sich unterteilen in die informationsverarbeitende Elektronik, bei der es auf einen minimalen Informationsverlust
ankommt, und in die energieumformende und energiesteuernde Elektronik, deren
Hauptziele ein minimaler Energieverlust und damit ein guter Wirkungsgrad sind;
letztere wird Leistungselektronik genannt (Bild 1).
I
[
Elektronik
I
I
informationsverarbeitende Elektronik
Ziel: minimaler Informationsverlust
j
elektronische
Schalter der Leistungsstellglieder: Stromrichterventile
( Leistungshalbleiter)
[
Aufbau und Wirkungsweise der
Leistungsstellglieder :
Stromrichtertechnik
[
Steuerung der
Leistungsstellglieder :
Stromrichtersteuerungstechnik
Bild 1. Zur Deutung des Begriffs Leistungselektronik
I
energieumformende und -steuernde
Elektronik: Leistungselektronik
Ziel: minimaler Energieverlust
[
[
[
Regelung der
stromrichtergespeisten Regelstrecken
Auswirkungen
auf die Umwelt:
Netzrückwirkungen,
EMV-Probleme
2
1 Definition des Begriffs Leistungselektronik
Die Schlüsselkomponenten der Leistungselektronik sind heute die Leistungshalbleiter, die als elektronische Ventile wesentliche Bestandteile der Leistungsstellglieder sind. Auf die heute verfügbaren elektrischen Ventile und deren
statische und dynamische Eigenschaften wird in Teil 2 eingegangen.
Die Lehre vom Aufbau und von der Wirkungsweise der Leistungsstellglieder
ist die Stromrichtertechnik. Diese hat, seit sich selbstgeführte Stromrichter mit
Hilfe von schnellen Thyristoren verwirklichen lassen ( etwa seit 1960) , an Umfang
stark zugenommen. Seit abschaltbare Leistungshalbleiter zur Verfügung stehen
( etwa seit 1980), findet nochmals eine erhebliche Ausweitung der Stromrichtertechnik statt. Teil 3 ist der Stromrichtertechnik gewidmet, wobei die schaltungstechnischen Möglichkeiten, die sowohl ein- als auch auschaltbare elektrische
Ventile bieten, ausführlich behandelt werden.
In Teil 3 wird auch aufTeile der Stromrichtersteuerungstechnik eingegangen,
indem die Anforderungen beschrieben werden, denen die Steuergeräte bzw.
Steuersätze zu genügen haben. Deren schaltungstechnische Realisierung wird
jedoch nicht behandelt. Hier sei nur darauf hingewiesen, daß, bedingt durch
Entwicklungen auf dem Gebiet der Mikroelektronik, die analoge Schaltungstechnik mehr und mehr durch die digitale abgelöst wird.
Zur Leistungselektronik wird auch die Regelung der stromrichtergespeisten
Regelstrecken gerechnet. Auf diesen Aspekt soll, da er zu vielfältig ist, hier jedoch
nicht eingegangen werden. Es sei auf die recht umfangreiche Spezialliteratur zum
Thema stromrichtergespeiste Regelstrecken verwiesen. Eingehende Beschreibungen und viele Literaturhinweise finden sich in [1] - [5].
Leistungselektronische Geräte und Anlagen können andere elektrische Geräte
und Anlagen stören. Das kann einmal durch die Rückwirkungen der Stromrichter
auf das speisende Netz erfolgen, zum anderen vor allem, wenn selbstgeführte
Stromrichter mit Schaltfrequenzen im mittleren Kilohertzbereich arbeiten, auch
durch abgestrahlte elektromagnetische Wellen. Auf diese Problematik wird in
Abschn. 8.1.5 Netzrückwirkungen und in Kap. 12, Elektromagnetische Verträglichkeit, eingegangen.