Thyristoren: Eigenschaften Und Anwendungen

ISBN-13: 9783322941046 / Niemiecki / Miękka / 2012 / 350 str.

Klemens Heumann; August C. Stumpe; August C. Stumpe

Opis

Das Aufkommen der Thyristoren fuhrte zu einer neuen Entwicklungsphase der Energieelektronik. Mit den Vorlauferelementen der Thyristoren auf Gasentladungs- basis war nur ein Teil der vielen Ideen aus dem Gebiet der Energieelektronik technisch-wirtschaftlich realisierbar. Mit Hilfe der Thyristoren konnten einige alte, bisher praktisch nicht losbare Ideen zum Erfolg gebracht werden. Die besseren technischen Eigenschaften der Thyristoren gestatten auch ganz neuartige tech- nische Anwendungen. Auch werden heute Gerate und Anlagen, in welchen bisher das Quecksilberdampfgefa vorherrschte, mit Halbleiterbauelementen ausgefuhrt. Bei der groen Fulle der Arbeit, die hier im letzten Jahrzehnt geleistet wurde, ist es besonders erfreulich, da zwei Fachleute, die als Forscher und Entwickler beim Aufbau dieser neuen Technik mageblich beteiligt waren, die Muhe nicht gescheut haben, das bisher Erarbeitete in Buchform niederzulegen. Es trifft sich dabei besonders glucklich, da der eine der beiden Autoren die Entwicklung der Bau- elemente durch die Erarbeitung der neuartigen Metechnik und vieler Grund- schaltungen, der andere die Entwicklung komplexer Gerate, wie Gleichstrom- steller und Drehstrompulswandler, mageblich beeinflut hat. Beide Verfasser sind in Fachkreisen bestens bekannt, nicht zuletzt durch ihre intensive Mitarbeit bei Fachtagungen und Diskussionssitzungen der Fachgruppe "Energieelektronik" des Wissenschaftlichen Ausschusses des Verbandes Deutscher Elektrotechniker. Es ist mir deshalb ein personliches Bedurfnis, den Autoren fur ihre Arbeit zu danken und dem Buch zu wunschen, da es ein Markstein in der Entwicklung der Energieelektronik werde.

Spis treści

1. Eigenschaften der Thyristoren.- 1.1. Wirkungsweise.- 1.1.1. Aufbau.- 1.1.2. Leitungsmechanismus.- Eigenleitung — Störleitung.- 1.1.3. pn-Übergang.- Sperrichtung — Durchlaßrichtung.- 1.1.4. Thyristorsystem.- Sperrichtung — Schaltrichtung — Anodenstrom-Anodenspannungs-Kennlinie — Steuerung — Temperaturabhängigkeit.- 1.2. Schaltverhalten.- 1.2.1. Einschaltvorgang.- Zünden durch Steuerstrom — Zündkanal — Zeitabschnitte der Zündung — Einschaltverluste — Weitere Zündarten.- 1.2.2. Ausschaltvorgang.- Umschaltung vom Durchlaß- in den negativen Sperrzustand — Umschaltung vom negativen in den positiven Sperrzustand.- 1.3. Thermisches Verhalten.- 1.3.1. Verluste.- 1.3.2. Temperaturgrenzen.- 1.3.3. Thermisches Ersatzschaltbild.- Dauerbetrieb — Impulsbetrieb.- 1.3.4. Ermittlung der Sperrschichttemperatur.- Erwärmung durch Einzelimpulse — Erwärmung bei verschiedenen Betriebsarten — Transienter Wärmewiderstand.- 1.3.5. Belastbarkeitsangaben.- Belastbarkeitsdiagramme — Grenzlast.- 1.4. Thyristorarten.- 1.4.1. Thyristor-Dioden.- 1.4.2. Thyristor-Tetroden.- 1.4.3. Ausschaltbare Thyristoren.- 1.4.4. Lichtgesteuerte Thyristoren.- 1.4.5. Stoßspannungsfeste Thyristoren.- 1.4.6. Thyristoren mit Querfeld-Emitter.- 1.4.7. Thyristoren mit Kathodennebenweg.- 1.4.8. Thyristoren mit indirekter Steuerelektrode.- 1.4.9. Thyristoren mit Hilfskathode.- 1.4.10.Bidirektionale Thyristoren.- Bidirektionale Thyristor-Dioden — Bidirektionale Thyristor-Trioden.- 2. Besthaltung und Zündung.- 2.1. Bedämpfung von Kommutierungsüberspannungen.- 2.1.1. Kommutierungsstromkreis.- Ausgleichschwingung — RC-Glied.- 2.1.2. Bemessung des RC-Gliedes.- Rechnungsgang — Beschaltungserweiterungen.- 2.2. Parallelschalten von Thyristoren.- 2.2.1. Stationäre Stromverteilung.- Bemessung der Vorschaltwiderstände.- 2.2.2. Stromverteilung bei Schaltvorgängen.- Bemessung der Vorschaltdrosseln — Anordnung der Vorschaltdrosseln.- 2.3. Reihenschalten von Thyristoren..- 2.3.1. Aufteilung der Kommutierungsüberspannung.- Bemessung der RC-Glieder.- 2.3.2. Sperrspannungsaufteilung.- Sperrspannungskontrolle — Bemessung von Parallelwiderständen.- 2.3.3. Begrenzung von Einschaltüberspannungen.- Bemessung der Vorschaltdrossel.- 2.4. Zünden der Thyristoren.- 2.4.1. Steuerleistungsbedarf.- 2.4.2. Schaltungsbeispiele für Steuergeneratoren.- Anschnittsteuerung mit RC-Glied — Anschnittsteuerung mit Phasenschieberschaltung — Anschnittsteuerung mit Schaltdrossel — Impulsgeneratoren mit Schaltdioden — Impulsgeneratoren mit Unijunction-Transistoren — Steuergeräte mit Transistoren — Steuergeräte mit Thyristoren.- 3. Stromrichter ohne Kommutierung.- 3.1. Halbleiterschalter für Wechselstrom.- Schaltkennlinien — Statische Schalter.- 3.1.1. Halbleiterschalter.- Antiparallelgeschaltete Thyristoren — Halbleiterelemente für Wechselstrom — Bidirektionale Thyristoren — Zündschaltungen — Ein- und Ausschalten — Frequenzgrenze — Strom- und Spannungsbeanspruchung — Mechanische und Halbleiterschalter.- 3.1.2. Schalten von einphasigem Wechselstrom.- Einschalten — Ausschalten — Trenn- und Überbrückungsschalter — Sparschaltungen.- 3.1.3. Schalten von dreiphasigem Drehstrom.- Einschalten — Ausschalten — Drehfeldumkehr — Sparschaltungen.- 3.2. Halbleitersteller für Wechselstrom.- 3.2.1. Stellen von einphasigem Wechselstrom.- Grundschaltung — Stromverlauf — Steuerkennlinien — Steuerblindleistung — Sparschaltungen.- 3.2.2. Stellen von Drehstrom.- Grundschaltung — Spannungsverlauf — Stromverlauf — Steuerkennlinien — Steuerblindleistung — Sparschaltungen — Drehstromsteller mit Nulleiter — Transformator.- 4. Stromrichter mit natürlicher Kommutierung.- 4.1. Netzgeführter Gleich- und Wechselrichter.- 4.1.1. Gleichspannungsbildung.- Ungesteuerter Gleichrichterbetrieb — Steuerwinkel.- 4.1.2. Gleich- und Wechselrichterbetrieb.- 4.1.3. Kommutierung.- Kommutierungsspannung — Kurzschlußstrom — Überlappung — Induktive Gleichspannungsänderung — Ohmsche Gleichspannungsänderung — Belastungskennlinie — Löschwinkel.- 4.1.4. Grundschaltungen.- Dreiphasen-Sternschaltung — Zweiphasenschaltung — Sechsphasen-Sternschaltung — Brückenschaltungen — Saugdrosselschaltung.- 4.1.5. Strom- und Spannungsbeanspruchung der Thyristoren.- Maximale Ventilspannung — Sprungspannung — Ventilstrom.- 4.1.6. Steuerverfahren.- Impulsdauer — Impulsverschiebung.- 4.1.7. Blindleistung.- Steuerblindleistung — Kommutierungsblindleistung — Ortskurve der Blindleistung — Folgesteuerung.- 4.1.8. Unsymmetrische Schaltungen.- Halbgesteuerte Zweiphasen-Brückenschaltung — Halbgesteuerte Dreiphasen-Brückenschaltung.- 4.1.9. Oberschwingungen.- Glättung des Gleichstromes — Welligkeit der Gleichspannung — Stromoberschwingungen im Netz.- 4.2. Netzgeführter Umrichter.- 4.2.1. Umkehrstromrichter.- Gegenparallelschaltung — Kreuzschaltung — H-Schaltung — Kreisstrom — Kreisstromfreie Schaltung.- 4.2.2. Direktumrichter.- Trapezumrichter — Steuerumrichter — Kreisstromfreie Schaltung.- 4.3. Lastgeführter Umrichter.- 4.3.1. Stromrichtermotor.- 4.3.2. Schwingkreisumrichter.- 5. Stromrichter mit Zwangskommutierung.- 5.1. Halbleiterschalter für Gleichstrom..- 5.1.1. Einschalten..- Stromanstiegsgeschwindigkeit — Schaltleistung.- 5.1.2. Stromunterbrechung beim Ausschalten.- Freilaufdiode — Löschvorgang — Anordnung des Löschkondensators.- 5.2. Halbleitersteller für Gleichstrom.- 5.2.1. Gleichstrompulswandler.- Berechnung des Löschkondensators — Transformationsgesetz — Energierücklieferung — Mehrquadrantenbetrieb — Glättungsdrossel — Pufferkondensator.- 5.2.2. Kondensatorlöschung..- 5.2.2.1. Löschschaltungen.- 5.2.2.2. Berechnung eines Löschvorganges.- Exakte Berechnung — Vereinfachte Berechnung —Energiebilanz — Überschwingen des Laststromes.- 5.2.2.3. Kondensatoraufladung.- 5.2.2.4. Thyristorbeanspruchung.- 5.2.3. Steuerungs- und Regelungsverfahren.- Steuerung des Einschaltverhältnisses — Stromregelung — Gegentaktbetrieb — Steuerungselemente.- 5.2.4. Pulsgesteuerter Widerstand.- Parallelschaltung — Reihenschaltung.- 5.3. Umrichter mit Zwangskommutierung.- 5.3.1. Einphasige selbstgeführte Wechselrichter.- Parallelwechselrichter mit ohmscher Last — Parallelwechselrichter mit induktiver Last — Grundschaltungen.- 5.3.2. Mehrphasige selbstgeführte Wechselrichter.- Phasenfolgelöschung — Summenlöschung — Phasenlöschung — Einzellöschung — Löschvorgang mit Querdrossel — Löschvorgang mit Reihenkommutierungsdrossel — Löschvorgang mit Kettenleiter.- 5.3.3. Spannungssteuerung und Kurvenformverbesserung.- Gleichstromzwischenkreis — Anschnittsteuerung im Wechselrichter — Reihenschaltung von Wechselrichtern — Pulssteuerung — Stromregelung — Höherpulsige Schaltungen — Filterkreise.- 5.3.4. Schwingkreiswechselrichter.- Parallelschwingkreis als Last — Reihenschwingkreis als Last — Thyristoren als Schalter in Schwingkreisen — Selbststabilisierende Schaltungen — Mehrfachschaltungen.- 5.3.5. Direktumrichter mit Zwangskommutierung.- 5.3.6. Leistungsfaktorverbesserung durch Zwangskommutierung..- 5.3.7. Thyristorbeanspruchung in Schaltungen mit Zwangskommutierung.- Einschaltverhalten — Ausschaltverhalten — Schonzeit — Spannungsanstiegsgeschwindigkeit.- 6. Stromrichteranwendungen.- 6.1. Passive Belastungen.- Beleuchtung — Heizung — Induktive Erwärmung und Härtung — Magnetspeisung.- 6.2. Stromrichterantriebe..- 6.2.1. Kommutatormaschinen.- Universalmotoren — Nichtreversierbare Antriebe — Umkehrantriebe — Gleichstrompulswandler-Antriebe — Strom- und Spannungsoberschwingungen.- 6.2.2. Asynchronmaschinen.- Schleifringläufermotoren — Käfigläufermotoren — Drehzahlsteuerung im quasistationären Betrieb — Drehzahlsteuerung im dynamischen Betrieb — Strom- und Spannungsoberschwingungen.- 6.2.3. Synchronmaschinen.- Fremdgesteuerte Synchronmaschine — Selbstgesteuerte Synchronmaschine — Drehstromerregung im Läuferkreis — Strom- und Spannungsoberschwingungen.- 6.3. Netzbetrieb von Stromrichtern.- 6.3.1. Ladegleichrichter.- 6.3.2. Notstromaggregate.- 6.3.3 Umrichter mit Zwangskommutierung im Netzbetrieb.- Stromverlauf — Blindstromrichter — Phasenwandler.- 6.3.4. Netzkupplung.- Kupplung von Gleichstromnetzen — Kupplung von Drehstromnetzen.- 7. Thyristorelemente und -anlagen.- 7.1. Thyristorelemente.- 7.1.1. Herstellung des Thyristorsystems.- Silicium-Einkristall — Diffusion — Diffundiert-legierter Thyristor — Volldiffundierter Thyristor — Oberflächenbearbeitung — Anbringen des Steueranschlusses.- 7.1.2. Konstruktive Ausführung.- Gehäuse — Kühlkörper — Scheibenzelle.- 7.1.3. Technische Daten.- Elektrische Eigenschaften — Thermische Eigenschaften.- 7.1.4. Entwicklung der Grenzdaten.- Spannungsfestigkeit — Dauergrenzstrom — Schaltleistung.- 7.2. Thyristorbausteine und -baugruppen.- Beschaltung — Steuergerät — Sicherung — Konstruktiver Aufbau — Kühlung.- 7.3. Thyristorgeräte und -anlagen.- 7.3.1. Wechselstromsteller.- Helligkeitssteuerung — Drehstromsteller für Höchstleistungssender.- 7.3.2. Netzgeführte Stromrichter.- Umkehrantrieb für Kaltwalzwerk — Thyristor-Stromrichterlokomotiven — Hochspannungs-Gleichstromübertragung.- 7.3.3. Gleichstrompulswandler.- Batteriegespeiste Triebfahrzeuge — Elektrisches Straßenfahrzeug — Oberleitungsbus.- 7.3.4. Selbstgeführte Umrichter.- Viersystem-Lokomotive — Umrichterantrieb mit Drehfeldmaschinen.- 8. Schutztechnik.- 8.1. Überspannungsschutz.- 8.1.1. Überspannungsursachen.- 8.1.2. Maßnahmen gegen Überspannungen.- Schaltmaßnahmen — Überspannungsbegrenzung Überspannungsbedämpfung.- 8.1.3. Bemessung der Überspannungsschutzgeräte.- Überspannungsbegrenzer — RC-Bedämpfungsglieder.- 8.2. Überstromschutz.- 8.2.1. Bemessungsgrundlagen für Überstromschutzeinrichtungen.- 8.2.2. Eigenschaften der Schutzeinrichtungen.- 8.2.3. Schutzschalter.- Leistungsschalter — Gleichstrom-Schnellschalter — Kurzschließer.- 8.2.4. Schmelzsicherungen.- Langzeitbereich — Kurzzeitbereich — Selektives Heraustrennen von Thyristoren.- 9. Meßtechnik.- 9.1. Grundregeln.- 9.2. Messung von Thyristoreigenschaften.- 9.2.1. Kennlinienmessungen.- Sperrkennlinien — Durchlaßkennlinien.- 9.2.2. Untersuchung des Schaltverhaltens.- Zündverzug — Kritische Spannungssteilheit — Sperrträgheit —Freiwerdezeit.- 9.2.3 Innerer Wärmewiderstand.- Durchlaßspannungsverfahren — Kippspannungsverfahren.- 9.2.4. Funktionsprüfung.- Funktionsprüfgerät.- 9.3. Messungen in Thyristoranlagen.- 9.3.1. Spannungsmessung.- Spitzenspannungsmessung — Messung des Spannungsverlaufes.- 9.3.2. Strommessung.- Hochfrequenz-Nebenwiderstand — Stromwandler — Magnetischer Spannungsmesser.- Schrifttum.- Sachweiser.

O autorze

Prof. Dr.-Ing. Klemens Heumann ist am Institut für Meß- und Automatisierungstechnik an der TU Berlin tätig.