Leistungselektronik

ISBN-13: 9783642873478 / Niemiecki / Miękka / 2012 / 424 str.

Rudolf Lappe; Harry Conrad; Manfred Kronberg

Opis

Die Leistungselektronik ist ein Teilgebiet der energetischen Elektrotechnik. Sie gewinnt zunehmend an Bedeutung wegen der wachsenden Anforderungen an das Schalten, Steuern und Umformen elektrischer Energie bei der Automatisierung der Produktion, bei der Entwicklung der industriellen Antriebstech nik. der Verkehrs-und der Energietechnik, der Nachrichten-und Konsumgutertechnik usw. Daher tragt die Leistungselektronik in Verbindung mit der Mikroelektronik und mit neuen leistungselektro nischen Bauelementen und schaltungstechnischen Losungen zur Material- und Energieokonomie wesentlich bei. Um gunstigste Ergebnisse beim Einsatz neuer leistungselektronischer Bauelemente sowie bei der Ent wicklung von Schaltungen, Geraten und Anlagen der Leistungselektronik zu erreichen, muss der dafur verantwortliche Ingenieur die Wirkungsweise aller Teile dieser Anlagen und ihr Zusammenwirken mit dem speisenden Netz, der Last und dem Informationsteil verstehen. Die dafur notwendigen Grund kenntnisse und Fahigkeiten soll das vorliegende Lehrbuch vermitteln. Fortschritte in der Leistungselektronik werden vor allem durch neue leistungselektroI11sche Bau elemente hervorgerufen, die sich dann auch wieder auf die Schaltungs-und auf die Informationsiechnik auswirken. Deshalb wird von den physikalischen Grundlagen und Besonderheiten des Einsatzes der fur die Entwicklung moderner Stellglieder und Speisequellen notwendigen leistungs-Halbleiterbau elemente ausgegangen. Anschliessend werden die Wirkungsweise und die Dimensionierung der mit diesen Bauteilen arbeitenden Stromrichterschaltungen behandelt. Dabei wird nach der Art der Loschung der Ventile in netz-und selbstgeloschte Schaltungen unterschieden, und es werden zahlreiche Anwendungs beispiele gegeben."

Spis treści

1. Einführung.- 1.1. Einsatzgebiete der Leistungselektronik.- 1.2. Grundprinzip der Leistungselektronik.- 1.3. Stromrichteranlagen.- 1.4. Entwicklung der Leistungselektronik.- 2. Halbleiterventile.- 2.1. Physikalische Grundlagen.- 2.1.1. Übersicht über Halbleiter-Leistungsbauelemente.- 2.1.2. Dichte freier Ladungsträger im thermischen Gleichgewicht.- 2.1.2.1. Generation und Rekombination.- 2.1.2.2. Eigenhalbleiter.- 2.1.2.3. Störstellenleiter.- 2.1.3. Elektrischer Strom im Halbleiter.- 2.1.3.1. Feldstrom.- 2.1.3.2. Diffusionsstrom.- 2.1.4. Grundgesetze.- 2.1.5. Rückkehr zum thermischen Gleichgewicht nach Störungen.- 2.1.5.1. Injektion von Majoritätsträgern.- 2.1.5.2. Injektion von Minoritätsträgern.- 2.2. Dioden.- 2.2.1. pn-Dioden.- 2.2.1.1. Stromloser Zustand, Diffusionsspannung.- 2.2.1.2. Durchlaßzustand.- 2.2.1.3. Sperrzustand.- 2.2.1.4. Lawinendurchbruch.- 2.2.1.5. Punch-Through, Zenerdurchbruch, Wärme- oder zweiter Durchbruch.- 2.2.1.6. Lawinendioden.- 2.2.2. pin-Dioden.- 2.2.2.1. Stromloser Zustand.- 2.2.2.2. Sperrzustand.- 2.2.2.3. Durchlaßzustand.- 2.2.3. Schaltverhalten.- 2.2.3.1. Einschaltverhalten.- 2.2.3.2. Ausschaltverhalten ohne Sperrspannung.- 2.2.3.3. Ausschaltverhalten mit Sperrspannung, Trägerstaueffekt.- 2.2.3.4. Schnelle Leistungsdioden.- 2.2.4. Thermisches Verhalten.- 2.2.4.1. Grundlagen.- 2.2.4.2. Verlustleistung.- 2.2.4.3. Ableitung der Verlustwärme.- 2.2.4.4. Temperatur des Kristalls bei konstanter Verlustleistung.- 2.2.4.5. Temperatur des Kristalls bei zeitlich veränderlicher Verlustleistung.- 2.2.5. Grenzwerte und Kenngrößen.- 2.2.5.1. Definitionen.- 2.2.5.2. Beispiele für Grenzwerte.- 2.2.5.3. Beispiele für Kenngrößen.- 2.3. Thyristoren, Triacs.- 2.3.1. Einführung.- 2.3.2. Stationäre Betriebszustände, Zündung.- 2.3.2.1. Stromloser Zustand.- 2.3.2.2. Blockier-oder Vorwärtssperrzustand.- 2.3.2.3. Zündung.- 2.3.2.4. Emitterkurzschlüsse.- 2.3.2.5. Durchlaßzustand.- 2.3.2.6. Rückwärtssperrzustand.- 2.3.3. Schaltverhalten.- 2.3.3.1. Einschaltverhalten, kritische Stromsteilheit.- 2.3.3.2. Ausschaltverhalten, Freiwerdezeit.- 2.3.4. Frequenzthyristoren.- 2.3.5. Abschaltunterstützte und abschaltbare Thyristoren.- 2.3.6. Rückwärtsleitende Thyristoren.- 2.3.7. Fotothyristoren.- 2.3.8. Triacs.- 2.3.9. Thermisches Verhalten.- 2.3.10. Grenzwerte und Kenngrößen.- 2.3.11. Digitale Modelle für Thyristoren.- 2.4. Leistungs-Schalttransistoren.- 2.4.1. Schaltbetrieb und Linearbetrieb.- 2.4.2. Bipolare Leistungs-Schalttransistoren.- 2.4.2.1. Sperr-oder AJJS-Zustand.- 2.4.2.2. Durchlaß- oder EIN-Zustand.- 2.4.2.3. Schaltverhalten.- 2.4.2.4. Thermisches Verhalten.- 2.4.2.5. Sicherer Arbeitsbereich.- 2.4.2.6. Darlington-Leistungstransistoren im Schaltbetrieb.- 2.4.3. Leistungs-MOSFETs für Schaltbetrieb.- 2.4.3.1. Funktionsprinzip und Aufbau.- 2.4.3.2. Statisches Verhalten.- 2.4.3.3. Schaltverhalten.- 2.4.3.4. Parallel- und Reihenschaltung.- 2.4.3.5. Thermisches Verhalten, SOAR-Bereich.- 2.5. Technologie der Halbleiterbauelemente.- 2.5.1. Anforderungen an die Technologie.- 2.5.2. Herstellung von Si-Einkristallen.- 2.5.3. Herstellung von Halbleiterbauelementen.- 2.6. Meßverfahren.- 2.6.1. Zur Einführung.- 2.6.2. Dioden und Thyristoren.- 2.6.2.1. Sperrichtung.- 2.6.2.2. Blockierrichtung beim Thyristor.- 2.6.2.3. Durchlaßrichtung.- 2.6.2.4. Schaltverhalten.- 2.6.2.5. Wärmewiderstand.- 2.7. Übungsaufgaben.- 3. Netzgelöschte Stromrichter und Wechselstromsteller.- 3.1. Einführung.- 3.2. Einpulsgleichrichter, Gleichrichtertransformator, Verschiebungsfaktor.- 3.2.1. Einpulsgleichrichter.- 3.2.1.1. Belastung mit Widerstand ohne Glättung.- 3.2.1.2. Glätten mit einer Drossel.- 3.2.1.3. Glätten mit einem Kondensator.- 3.2.1.4. Belastung mit Gegenspannung.- 3.2.1.5. Phasenanschnittsteuerung.- 3.2.1.6. Belastung mit Gegenspannung, Glätten mit einer Drossel.- 3.2.1.7. Einpulsgleichrichter mit Freilaufzweig.- 3.2.1.8. Kaskadenschaltung.- 3.2.2. Gleichspannung und Gleichstrom mit überlagerten Wechselkomponenten.- 3.2.3. Gleichrichtertransformator, ventil- und netzseitige Ströme.- 3.2.4. Leistung bei verzerrten Strömen, Verschiebungsfaktor, Leistungsfaktor.- 3.3. Zweipulsgleichrichter.- 3.3.1. Brücken- oder Graetzschaltung.- 3.3.2. Mittelpunktschaltung.- 3.3.3. Phasenanschnittsteuerung.- 3.3.3.1. Vollgesteuerte Brückenschaltung, Mittelpunktschaltung.- 3.3.3.2. Halbgesteuerte Brückenschaltung, Mittelpunktschaltung mit Freilaufzweig.- 3.3.3.3. SteuerbUndleistung, Verschiebungsfaktor.- 3.3.4. Gesteuerter Gleichrichter als Verstärker.- 3.3.5. Kaskadenschaltung.- 3.4. Dreipulsgleichrichter, induktiver Spannungsabfall.- 3.4.1. Stern-Stern-Mittelpunktschaltung.- 3.4.1.1. Vollständig geglätteter Gleichstrom.- 3.4.1.2. Beliebig geglätteter Gleichstrom.- 3.4.2. Stern-Zickzack-Mittelpunktschaltung.- 3.4.3. Phasenanschnittsteuerung.- 3.4.4. Induktiver Spannungsabfall.- 3.4.4.1. Kommutierung.- 3.4.4.2. Verlauf der ventilseitigen Ströme und der Gleichspannung während der Kommutierung.- 3.5. Sechspulsgleichrichter und Gleichrichter höherer Pulszahl.- 3.5.1. Sechspuls-Brückenschaltung.- 3.5.1.1. Spannungen und Ströme.- 3.5.1.2. Phasenanschnittsteuerung.- 3.5.1.3. Induktiver Spannungsabfall.- 3.5.2. Sechspuls-Mittelpunktschaltungen.- 3.5.2.1. Dreieck-Doppelstern-Mittelpunktschaltung.- 3.5.2.2. Saugdrosselschaltung.- 3.5.3. Zwölfpulsschaltungen.- 3.5.3.1. Parallelschaltung mit Saugdrossel.- 3.5.3.2. Reihenschaltung.- 3.5.4. Schaltungen mit p > 12.- 3.5.5. Anwendungsgebiete für Gleichrichter.- 3.5.5.1. Netzgeräte.- 3.5.5.2. Ladegeräte.- 3.5.5.3. Gleichrichter zum Lichtbogenschweißen.- 3.5.5.4. Erregung von Synchronmaschinen.- 3.5.5.5. Gleichstrom-Bahnunterwerke.- 3.5.5.6. Elektrolysen, galvanische Bäder.- 3.5.5.7. Gleichrichter für Einquadrantenbetrieb von Gleichstrommotoren.- 3.6. Netzgelöschte Wechselrichter, Umkehrstromrichter, netzgelöschte Wechselstromumrichter.- 3.6.1. Netzgelöschte Wechselrichter.- 3.6.1.1. Wirkungsweise.- 3.6.1.2. Spannungen, Ströme, Leistung.- 3.6.1.3. Zündverfrühungswinkel.- 3.6.2. Umkehrstromrichter, Umkehrantriebe.- 3.6.3. Netzgelöschte Wechselstromumrichter.- 3.6.3.1. Zwischenkreisumrichter.- 3.6.3.2. Direktumrichter.- 3.6.4. Anwendungsgebiete.- 3.6.4.1. Stromversorgungsanlage für einen Sender.- 3.6.4.2. Wechselrichter für magnetohydrodynamische Generatoren.- 3.6.4.3. Untersynchrone Stromrichterkaskade.- 3.6.4.4. Asynchrone Netzkupplungen und Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen…..- 3.6.4.5. Über Zwischenkreisumrichter gespeiste Synchronmotoren.- 3.6.4.6. Einsatz von Direktumrichtern.- 3.7. Wechsel-und Drehstromschalter und-steller.- 3.7.1. Wechselstromschalter und-steller.- 3.7.1.1. Wechselstromschalter.- 3.7.1.2. Wechselstromsteller.- 3.7.2. Drehstromschalter und -steller.- 3.7.3. Anwendungsgebiete.- 3.7.3.1. Hochspannungssteuerung mit Thyristorschaltwerk.- 3.7.3.2. Beleuchtungseinrichtungen.- 3.7.3.3. Steller für Widerstandsschweißgeräte.- 3.7.3.4. Hochspannungsgleichrichter für Elektrofilter.- 3.7.3.5. Temperaturregelung.- 3.7.3.6. Spannungssteuerung von Asynchronmotoren.- 3.8. Meßverfahren für netzgelöschte Stromrichter.- 3.8.1. Prüfen von Gleichrichtern.- 3.8.2. Wahl des Meßgerätetyps.- 3.8.2.1. Spannungen und Ströme.- 3.8.2.2. Leistung.- 3.9. Übungsaufgaben.- 4. Selbst- und lastgelöschte Stromrichter.- 4.1. Gleichstromsteller.- 4.1.1. Wirkungsweise des idealen Gleichstromstellers.- 4.1.2. Berechnung des Gleichstromstellers mit abschaltbaren Halbleiterbauelementen…..- 4.1.3. Umkehr der Energierichtung und Mehrquadrantenbetrieb.- 4.1.4. Gleichstromsteller mit Thyristoren.- 4.1.4.1. Wirkungsweise der Kondensatorlöschung.- 4.1.4.2. Berechnung des Löschvorgangs.- 4.1.4.3. Löschschaltungen.- 4.1.4.4. Gleichstromsteller-Schaltungen mit Thyristoren.- 4.1.5. Anwendungsbeispiele.- 4.2. Selbstgelöschte Wechselrichter.- 4.2.1. Einteilung und Wirkungsweise.- 4.2.2. Stromgespeiste Wechselrichter.- 4.2.2.1. Einphasige Stromwechselrichter.- 4.2.2.2. Dreiphasige Stromwechselrichter.- 4.2.3. Spannungsgespeiste Wechselrichter.- 4.2.3.1. Spannungswechselrichter mit abschaltbaren Halbleiterbauelementen.- 4.2.3.2. Spannungswechselrichter mit Thyristoren.- 4.2.4. Anwendungsbeispiele.- 4.3. Lastgelöschte Wechselrichter.- 4.3.1. Schwingkreis-Wechselrichter.- 4.3.1.1. Grundschaltungen und Wirkungsweise.- 4.3.1.2. Berechnung des Schwingkreis-Wechselrichters.- 4.3.2. Maschinengelöschte Wechselrichter.- 4.3.3. Anwendungsbeispiele.- 4.4. Meßverfahren.- 4.4.1. Meßverfahren für selbstgelöschte Wechselrichter.- 4.4.2. Meßverfahren für Gleichstromsteller.- 4.5. Übungsaufgaben.- 5. Steuerung der Stromrichter.- 5.1. Einführung.- 5.1.1. Vorbetrachtung, Aufgaben des Steuergerätes.- 5.1.2. Beschreibung der Steuergeräte mittels Zustandsgraphen.- 5.2. Steueralgorithmen netzgelöschter Stromrichter.- 5.2.1. Steueralgorithmus für die Zweipuls-Brückenschaltung.- 5.2.2. Steuergrundgerät (SGG).- 5.2.3. Steuergeräte mehrphasiger Stromrichter.- 5.2.4. Steueralgorithmen für Wechselstromsteller, Drehstromsteller und Schalter.- 5.2.4.1. Steueralgorithmus des Wechselstromstellers.- 5.2.4.2. Steueralgorithmus des Drehstromstellers.- 5.2.4.3. Steueralgorithmen von Wechsel- und Drehstromschaltern.- 5.2.5. Anpassung der Steuergeräte an reale Betriebsbedingungen.- 5.2.5.1. Modifikationen der Zündpulsbildung.- 5.2.5.2. Sperrung der Zündpulsausgabe.- 5.2.5.3. Begrenzung des Verschiebebereichs des Zündwinkels.- 5.3. Steueralgorithmen selbstgelöschter Stromrichter.- 5.3.1. Steueralgorithmen für Gleichstromsteller.- 5.3.2. Steueralgorithmen selbstgelöschter Wechselrichter.- 5.3.2.1. Steueralgorithmen einphasiger Wechselrichter.- 5.3.2.2. Steueralgorithmen dreiphasiger, selbstgelöschter Wechselrichter.- 5.4. Aspekte der schaltungstechnischen Gestaltung der Steuergeräte.- 5.5. Schaltungstechnik ausgewählter Baugruppen von Steuergeräten.- 5.5.1. Synchronisationseinrichtungen.- 5.5.2. Steuerbare Verzögerer.- 5.5.2.1. Allgemeine Anforderungen.- 5.5.2.2. Analoge Verzögerer.- 5.5.2.3. Digitale Verzögerer.- 5.5.2.4. Steuerung der Leitdauer der Ventile in selbstgelöschten Wechselrichtern.- 5.5.3. Zündendstufen und Treiber.- 5.5.3.1. Zündendstufen für Thyristoren.- 5.5.3.2. Steuerimpulsgeneratoren für abschaltbare Thyristoren.- 5.5.3.3. Treiber für bipolare Transistoren.- 5.5.3.4. Treiber für MOS-Hochspannungs-Schalttransistoren.- 5.6. Übungsaufgaben.- 6. Stromrichtergeräte und -anlagen.- 6.1. Netzrückwirkungen.- 6.1.1. Übersicht.- 6.1.2. Qualität der Netzspannung.- 6.1.3. Spannung am Anschlußpunkt ohne Kompensationseinrichtungen.- 6.1.3.1. Effektivwertabsenkung und -Schwankung.- 6.1.3.2. Augenblicksabweichung der Netzspannung von ihrer Grundschwingung.- 6.1.3.3. AmpUtudenspektrum der Spannung am Anschlußpunkt.- 6.1.4. Verringerung der Netzrückwirkungen.- 6.1.4.1. Stromrichter mit verminderten Netzrückwirkungen.- 6.1.4.2. Kompensation der Blindleistung mit Leistungskondensatoren und Blindstromrichtern.- 6.1.4.3. Saugkreise.- 6.2. Kurzschlußströme.- 6.2.1. Kurzschlußarten und-kenngrößen.- 6.2.2. Berechnung der Kurzschlußströme.- 6.2.2.1. Dreipoliger Kurzschluß.- 6.2.2.2. Zweipoliger Kurzschluß.- 6.2.3. Kurzschlußimpedanzen.- 6.3. Schutzeinrichtungen, Funk-Entstörung, Parallel- und Reihenschaltung.- 6.3.1. Schutz für Dioden und Thyristoren.- 6.3.1.1. Überspannungen.- 6.3.1.2. Überströme.- 6.3.2. Schutz für Transistoren.- 6.3.3. Funk-Entstörung.- 6.3.4. Parallel-und Reihenschaltung.- 6.4. Gleichstromfilter.- 6.5. Konstruktive Formen.- 6.6. Beispiel zur Auslegung von Stromrichtern.- 7. Antworten zu den Übungsaufgaben.- 8. Formelzeichen und Schaltzeichen.- 8.1. Halbleiter-Leistungsbauelemente.- 8.2. Stromrichterschaltungen.- 8.3. Schaltzeichen.- 9. Literaturverzeichnis.- 10. Sachwörterverzeichnis.