Einweg-Gleichrichter
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Abbildung 20: Spannungsverläufe der B2-Schaltung bei ohmscher Last die B6-Schaltung verwendet. Das Schaltbild befindet sich in Abbildung 21. Diese Schaltung In4.3. Abbildung 1.15 ist eine M3-Schaltung gezeichnet, der Transformator ist sowohl M3-Schaltung 4.4. B6-Schaltung hat auf den der weiteren Vorteil, dass die Ausgangsspannung selbst ohne einen Glättungskondensator Primär-, als auch auf der Sekundärseite im Stern verschaltet. nie Null wird. Oben: Die zurEs B6-Schaltung gehörenden Spannungsformen sind inPotential. der Abbildung 22 Es leitet immer die Diode mit dem höchsten Potential. leitet immer die Diode mit dem höchsten dargstellt. Unten: Es leitet immer die Diode mit dem niedrigsten Potential. 4.1. Netzteile Grundstruktur Last D2 3∼ Einweg-Gleichrichter 1 Mittelwert: uM = T t0´+T u(t) dt t0 s 1 Effektivwert (RMS): Ueff = T T́ t u2 (t) dt 0 U1 U2 U3 Abbildung Trafo−Spannungen 1.15: M3-Schaltung −500 0 V2 0.005 V 3 0.01 0.015 0.02 4 Strom [A] 2 0 D1 D2 UR D3 15 2 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 Zeit [s] R1 Abbildung 1.17: Verläufe von Strom und Spannung zur Verdeutlichung der Funktionsweise der M3-Schaltung D4 Abbildung 19: Ersatzschaltbild der B2-Schaltung (Graetz-Brücke) Last Strom Spannung R - Form möglich. Ein Vorgehen von einem bei Brückengleichrichtern nicht mehr in geschlossener Glättung: nicht zu null gleichgerichteter für Sinus SchaltzustandRLzum nächsten istwird zielführend. Die Spannungsverläufe die B2-Schaltung sind in AbbildungRC 20 abgebildet. hoher Aufladestrom Glättung: sinkt langsam ab D6 Trafo−Spannungen 200 10 0 −10 10 0 −10 10 0 −10 10 0 −10 10 0 −10 10 0 −10 0 V1 0.02 V2 0.025 V3 0.02 0.025 0.01 0.015 Zeit [s] Strom durch Diode oben Mitte 0.02 0.025 0.005 0.01 0.015 Zeit [s] Strom durch Diode oben rechts 0.02 0.025 0 0.005 0.01 0.015 Zeit [s] Strom durch Diode unten links 0.02 0.025 0 0.005 0.01 0.015 Zeit [s] Strom durch Diode unten Mitte 0.02 0.025 0 0.005 0.01 0.015 Zeit [s] Strom durch Diode unten rechts 0.02 0.025 0 0.005 0.015 0.02 0.025 0.015 0.02 0.025 0 0.005 0 0.005 0 0.005 0 0.01 0.015 Zeit [s] Spannung an R 0.01 0.015 Zeit [s] Strom durch Diode oben links 13 0.01 Zeit [s] Strom durch R 5 0 0 0.005 0.01 Zeit [s] 16 π́ α 1 Û sin(ωt) dωt = . . . = Udi0 1+cos Udiα = 2 2π 2 α Abbildung 1.23: Verläufe von Strom und Spannung zur Verdeutlichung der Funktionsweise der B6-Schaltung Voltage Ripple: Umax − Umin 3.5 B6-Schaltung 2.2. Weichschaltende Bauelemente • • • • • 0.025 D5 Abbildung 21: Ersatzschaltbild der B6-Schaltung 500 0 −500 Strom [A] 2. Leistungshalbleiter Sehr hohe Halbleiterbelastung Große Safe Operating Area erforderlich Niedrige Schaltfrequenz Problematisch bei hohen Leistungen 0.02 2 0 I U • • • • 0.015 Zeit [s] Strom durch die mittlere Diode Strom [A] Strom [A] Gleichstromsteller 2.1. Hartschaltende Bauelemente 0.01 Eine weitere Gattung der Gleichrichter sind die Brückenschaltungen. Bei den bisher vorgestell- 0 A V ten Mittelpunktschaltungen wird nur die Amplitude einer Halbwelle an den Ausgang weiter-−20 0.005 0.01 0.025 A Zeit [s] 0.015 A 0.02 gereicht oder von dem jeweiligen Ventil gesperrt. Dadurch ist die Ausgangsspannung halbiert. Strom durch die untere Diode 4 Noch entscheidender ist jedoch, dass der Strom bei den Mittelpunktschaltungen stets aus der A 2 4.2.inB2-Schaltung (Graetz-Brücke) Quelle hinaus eine Richtung fließt. Ist die Quelle ein Transformator, so kann dies zu Pro- 0 zurMagnetfeldes galvanischen Trennung. blemen mitmit derTransformator Sättigung des führen. Der einfachste Brückengleichrichter ist−2 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 Zeit [s] an die M2-Schaltung angelehnt und wird auch als Graetz-Brücke bezeichnet. Der prinzipielle Abbildung 1.16: PSIM-Modell zur Verdeutlichung der Funktionsweise der M3-Schaltung Strom durch R für U > 0: i fließt über D1, Last, D4 Aufbau ist in Abbildung 19 dargestellt. Die Bestimmung der Strom und Spannungsformen ist 4 für U < 0: i fließt über D2, Last, D3 b aktiver Betrieb von Halbleitern wird bewusst vermieden. Leistungshalbleiter sind keine idealen Schalter → Verluste 0.005 4 Strom [A] Wechselrichter 0 D4 0.025 Zeit [s] Die in Abbildung 1.16 dargestellte Schaltung wurde ebenfalls simuliert, hier insbesondere zur Spannung an R 400 der grundsätzlichen Funktionsweise. Auch hier wurden die in Kapitel 1.3.2 anVerdeutlichung gegebenen Werte verwendet, hier allerdings eine dreiphasige Spannungsquelle, aber auch mit US = 230 V. 200 In Abbildung 1.17 sind die Verläufe von Strom und Spannung angegeben. Wie zu erkennen ist, 0führt immer diejenige Diode Strom, die gerade das höchste Potential hat, d. h. 0 0.005 0.01 0.015 0.02 wenn U1 am höchsten ist, fließt Strom durch D1, wenn U2 am höchsten ist, durch0.025 D2, selbiges Zeit [s] Strom durch die obere Diode gilt für U3 und D3. 3.4 B2-Schaltung Gleichrichter R1 V1 0 Grundsätzliche Funktionsweise −2 Umrichter I U3 1. Grundlagen Elektrische Energiewandlung durch Stromrichter Abbildung 18: Spannungsverläufe der M3-Schaltung bei ohmscher Last1.6.1.3 Verläufe von Strom und Spannung bei R-, RC- und RL-Last Eine weitere Simulation wurde durchgeführt, um die Verläufe von Strom und Spannung bei (Leistungselektronik) 1.1. Elektrische Engergieumwandlung durch Stromrichter reiner R-, einer RC- und einer RL-Last zu plotten. Die Verläufe lassen sich analog zu Kapitel bei gleicher Frequenz : Drehstromstromsteller D3 500 Spannung [V] 1.6.1.2 D2 UR mit ohm-induktiver Last Allgemeines D1 U2 Spannung [V] U (idealen)Diode können nur positive Ströme auftreten. Hinweis: An einer UR Allerdings ist (bei induktiven Lasten) das auftreten von negativen Spannungen möglich. ⇒ die Ausgangsspannung hängt immer auch von der Art der Last ab! mit Freilaufdiode U1 uL Gleichrichter man in Mittelpunkt- und Brückenschaltungen. Außerdem unterscheidet man aufgrund der Anzahl an Kommutierungen pro Periode. ◦ α=0 iL D3 Spannung [V] Ausgangsfilter Strom [A] Steller Strom [A] Eingangsfilter Leistungselektronik/Übungen Skript Achtung: Lediglich vorläufige Version! Gleichrichterschaltungen unterscheidet +++ Bilder: Viele Bilder dieser Formelsammlung stammen aus dem Übungsskript zum Fach Leistungselektronik: Grundlagen und Standartanwendungen. Bei diesen Bildern liegt das Copyright beim Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik - TU München D1 Gleichrichter Strom [A] ~ Strom [A] Hinweis: Bei der Prüfung Leistungselektronik ist derzeit keine Formelsammlung zugelassen. Daher kann diese Sammlung wichtiger Formeln und Schaltungen lediglich als Hilfe bei der Prüfungsvorbereitung dienen. Strom [A] Leistungselektronik * kann Spuren von Katzen enthalten nicht für Humorallergiker geeignet alle Angaben ohne Gewehr Schaltbild Strom [A] ei M3-Schaltung 1.6.1.1 Spannung [V] 4 4. Netzgefuehrte Schaltungen * 1.6.1 Niedrige Halbleiterbelastung Höherer Ausschaltstrom Hohe Schaltfrequenz Einfacherer Gate-Treiber Zusätzliche Leistungskomponenten Die M3-Schaltung Drehstrom hat ebenfalls den Nachteil, dass der Strom nur in je eine a für Zahl der ausfallenden Halbswellen Richtung fließt. Um die damit verbundene Überlastung des Transformators zu vermeiden wird f Frequenz der Halbwelle 21 Dimensionierung des Glättungskondensators 3. Kühlung von Leistungshalbleitern 4 Abgestrahlte Leistung: Prad = σA(TKK − Ta4 ) Strahlungskonstante: σ = 5, 67 · 10−8 2W 4 m K • Festlegung Imax 12 • Festlegung Voltage Ripple oder min. Spannung ⇒ Ladepausendauer = 1 Halbwelle • Ausfallende Halbwellen? 1 ⇒ tLP ≈ (a + 1) f du • Kondensator: i = C dt C = Homepage: www.latex4ei.de – Fehler bitte sofort melden. i = Imax = const. Imax tLP Û −Umin von LaTeX4EI - Mail: [email protected] Stand: 21. Juli 2013 um 15:48 Uhr 1 4 5. Schutzbeschaltung 8. Verlustleistung und Kühlung tzbeschaltung elektronischer Bauelemente 5.1. Snubber-Schaltung 8.1. Durchlassverluste T́ 1 i dt zeitlicher Mittelwert: IAV = T 0 s iQ iT D1 Leistungselektronik/Übungen uSkript T vorläufige T Version! Achtung: Lediglich uL für sinusförmige Sperrspannungen (uR (t) = ûR sin(ωt)) L 1 PR = T IV uV t DF U2 U1 1 û I pR (t) dt = π R R 8.3. Ein- und Ausschaltverluste Last iDF U3 T́ 0 Einschaltverluste Won = Abbildung 22: Spannungsverläufe der B6-Schaltung bei ohmscher Last Ausschaltverluste Woff = chspannungswandler Die Kombination aus(DC/DC der dem Wandler) RC-Glied mit zum Wiederstand paralell .1: Gleichstromsteller mitnennt GTO,man Reihendrossel L und RCD–Beschaltung geschalteter Diode Snubber Schaltung. annungswandler werden dazu verwendet, eine Gleichspannung in eine Gleichspanderer Größe zu wandeln. Kriterien dabei sind die Welligkeit und Genauigkeit der spannung Verluste, verursacht. I und = die 2000 A die der Wandler GTO–Daten: di /dt = earregler ton A = U0 ton +t off chste Schaltung für eine DC/DC Wandlung stellt der Linearregler dar. Dabei kann gaben erfüllen Beschaltungen leistungselektronischer Bauelemente? glied sowohl in Reihe als auch parallel zur Last verschaltet werden. Der Linearregler 7. DC-DC-Converters für kleine Spannungen verwendet, da er große Verluste verursacht. Der Wandler t0 +t ´ on t0 Rth λ A d Ersatzschaltbild Wärmewiderstand Wärmeleitfähigkeit Querschnitt d. Körpers Dicke des Körpers ng Überspannungen mit R und C). hnevon Schaltvorgänge aus, und (TSE–Beschaltung daher ist die Ausgangsspannung sehr genau. Das Er7.1. Linearregler tbild mit einer Z-Diode als Stellglied ist in Abbildung 23 dargestellt. g der: – StromsteilheitRdiT /dt am Bauelement beim Einschalten. V I0 – Spannungssteilheit duT /dt am Bauelement beim Ausschalten. Wärmeleitung: Rth = ung der Schaltverluste in den elektronischen Bauteilen. d Rth = λA U0 e die RCD–Beschaltung fürDden GTO. 1 9.2. Wärmespeicherung RL Cth V γ Skript ++ Abbildung 23: Ersatzschaltbild eines Linearreglers 7.2. Tiefsetzsteller Achtung: Lediglich vorläufige Version! zung der Stromsteilheit di/dt beim Einschalten. Oft reichen schon die Zuleitungs-c weck dienen die einzelnen Bauteile der Beschaltung? Leistungselektronik/Übungen vitäten in der Schaltung L1 keine zusätzliche Spule eingebaut werden muß. T1 aus, so daß setzsteller p dt t0 t0 +t ´ off gesamte Schaltverluste Ps = f (Won + Woff ) 9. Thermisches 500 A/µs T duT /dt = 1000 V/µs 9.1. Wärmeleitung 6. Schaltnetzteile V UQAusgangsspannung: = 3000 V U i2 dt 8.2. Sperrverluste UR = UQ T́ 0 pD = ui = US i + rD i2 1 ´T p 1 ´T 1 ´T 2 PD = D D dt = US T 0 i dt + rD T 0 i dt 0 uC C iC U 1 T Effektivwert: IRMS = R θ1 −θ2 P Wärmekapazität Volumen spez. Masse spez. Wärmekapazität dθ P = Cth dt = Cth θ I0 zung der Spannungssteilheit du/dt beim Ausschalten. Leistungselektronik/Übungen setzsteller gehört zu der Kategorie der Schaltnetzteile. Er wird verwendet, um die Skript + gzung zu reduzieren. Das Ersatzschaltbild befindet sich in 24. Ist der LeisAchtung: vorläufige Version! UC Abbildung DLediglich desU0 Überstroms beim 1 Einschalten. RL alter eingeschaltet, baut sich der Strom in der Induktivität auf. Anschließend fließt 9.3. Transiente Wärmewiderstände hluß des Widerstands R beim Ausschalten. Hochsetzsteller Zthi (t) = Rthi −t ! 1 − e τthi Hochsetzsteller stellt das zweite grundlegende Schaltnetzteil dar. Er wird dazu verwendet, Abbildung 24: Ersatzschaltbild des Tiefsetzstellers 14 als Snubber Eingangsspannung eine höhere Ausgangsspannung zu wandeln. Das Ersatzschaltbild ist szweig mit Cin und D1 wird auch –Beschaltung bezeichnet, die Bauteile 7.3.R,Hochsetzsteller Abbildung 26 dargestellt. Beim geschlossenem Ventil lädt sich die Induktivität auf. Wird das en Index “S“, also R , C und D . In Datenblättern werden oft schon Werte für S S S r Strom durch die Freilaufdiode weiter und speist die Last bei ausgeschaltenem LeistungsD 1 L1 I0 schaltungselemente bei bestimmten Betriebsfällen angegeben. halter. Die Größe der Ausgangsspannung ist dabei proportional zum Tastverhältnis, mit dem r Leistungsschalter betrieben wird. Die resultierenden Spannungs- und Stromformen sind Abbildung 25 dargestellt. Als Leistungsschalter werden üblicherweise GTOs, IGBTs oder onik 4. Übung U0 U0 U T1 UD1 UC RL UC Abbildung 26: elektrisches Ersatzschaltbild des Hochsetzstellers t t0 die t2 t1 Spule weiter ntil geöffnet, flißt der Strom durch und lädt den Aufgangskondensator auf e höhere Spannung. Die entsprechenden Strom- und Spannungsformen sind in Abbildung dargstellt. I U UC I0 U0 IL UL1 t t Homepage: www.latex4ei.de – Fehler bitte sofort melden. Eingangsstrom Diodenstrom U0 − UC von LaTeX4EI - Mail: [email protected] Stand: 21. Juli 2013 um 15:48 Uhr 2
