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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch gibt eine verständliche Einführung in die Leistungselektronik. Aufbau und Wirkungsweise fremd-, last- und selbstgeführter Schaltungen werden vorgestellt. Steuerverfahren, Schalt- und Modulationsfunktionen werden behandelt. Komplexe Sachverhalte werden auf einfache Modelle reduziert. Funktionen werden mit einem geringen mathematischen Aufwand beschrieben. In der zehnten Auflage wurde in Kapitel 9 die Beschreibung der HGÜ-Technik erweitert. In Kapitel 19 werden nun Energieversorgungsnetze einbezogen. Der Themenkomplex der elektrischen Fahrzeugantriebe bildet jetzt ein eigenes Kapitel.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Was ist Leistungselektronik?

Zusammenfassung
Elektrische Energie steht im Allgemeinen in Form einer Gleichspannung oder als ein- bzw. mehrphasige Wechselspannung zur Verfügung. Viele Verbraucher benötigen elektrische Energie in angepasster Form, zum Beispiel als Wechselspannung mit veränderbarer Amplitude und Frequenz für den Betrieb von drehzahlvariablen Antrieben z. B. in Werkzeug-, Positionier- oder Fahrzeugantrieben oder als geregelte Gleichspannung für den Betrieb von elektronischen Geräten. Der Energiefluss kann sich auch umkehren, so dass im Bremsbetrieb Energie zurückgewonnen werden kann. Hierdurch steigt der Wirkungsgrad an und der Verschleiß mechanischer Bremsen wird verringert. Bei Ausfall des Energieversorgungsnetzes können die Verbraucher mit Hilfe leistungselektronischer Einrichtungen aus einer Batterie versorgt werden.
Joachim Specovius

Kapitel 2. Grundlagen

Zusammenfassung
Als Halbleiter werden Elemente bzw. Verbindungen bezeichnet, deren spezifischer Widerstand bei Normaltemperatur (25 °C) zwischen den Werten von Metallen und Isolatoren liegt. Typische Halbleitermaterialien sind Germanium und Silizium. Im Unterschied zu den Metallen weist der elektrische Widerstand von Halbleitern einen negativen Temperaturkoeffizienten auf, d. h. der Widerstand sinkt, wenn die Temperatur steigt. Ein reiner Halbleiter ist beim absoluten Nullpunkt (0 K) ein Isolator. Das Verhalten von Si- bzw. Ge-Halbleitern wird mit dem Ziel beschrieben, das Verständnis für den Leitungsmechanismus von Halbleiter-Bauelementen zu fördern und deren Kennlinien und Einsatzbedingungen zu verstehen.
Joachim Specovius

Kapitel 3. Dioden

Zusammenfassung
Die praktische Ausführung eines pn-Überganges wird als Diode bezeichnet. Eine Diode ist ein nichtlineares Bauelement. Wird an eine Diode eine Wechselspannung angelegt, so fließt ein Strom im Wesentlichen nur in Durchlassrichtung. Auf Grund der Dotierung ist der Strom in Sperrrichtung bis zu 7 Zehnerpotenzen kleiner als der Durchlassstrom. Er verschwindet wegen der Minoritätsladungen in den feldfreien Bahngebieten der Diode nicht völlig, erreicht aber bei Sperrspannungen ab ca. 100 mV den Wert des Sperrsättigungsstromes und und bleibt konstant. In der RLZ entstehen temperaturabhängig ständig neue Ladungsträger. Unter dem Einfluss der Feldstärke fließt daher zusätzlich ein temperaturabhängiger Sperrstrom. Dieser verdoppelt sich bei Si etwa alle 6 K. Die Anzahl dieser Ladungsträger ist auch von der Breite der RLZ – und damit von der Höhe der Sperrspannung – abhängig. Das elektrische Verhalten einer idealen Diode wird zusammen mit dem Verhalten einer realen Diode für eine konstante Sperrschichttemperatur beschrieben.
Joachim Specovius

Kapitel 4. Transistoren

Zusammenfassung
Zu Beginn der Entwicklung abschaltbarer Halbleiter-Bauelemente wurde der Bipolar-Transistor für den unteren und mittleren Leistungsbereich eingesetzt. Heute sind diese Bauelemente aus vielen Anwendungen verschwunden, ihre Funktion wurde vielfach durch MOSFETs und IGBTs ersetzt. Trotzdem bildet die bipolare Transistorstruktur weiterhin den Kern vieler modernen Bauelemente, so dass ihre Kenntnis für das Verständnis der Wirkungsweise moderner Leistungsbauelemente wie z. B. GTO-Thyristoren oder IGBTs nach wie vor von großer Wichtigkeit ist. Im Folgenden Kapitel wird daher zunächst der Bipolartransistor für kleine Leistungen (Signaltransistor) vorgestellt. Dabei geht es um den Aufbau, die Wirkungsweise und Transistor-Kennwerte speziell für den Schalterbetrieb. Aufbauend auf der bipolaren Transistorstruktur wird der Leistungs-Bipolartransistor und der Thyristor vorgestellt. Nach Einführung des unipolaren MOSFET-Leistungstransistors folgt schließlich der IGBT, das heutige „Arbeitspferd“ der Leistungselektronik. Im IGBT sind die Vorzüge bipolarer Transistoren (Leistung) mit denen des MOSFET (Ansteuerung) vereint. Mit dem IGBT lassen sich derzeit Spannungen bis über 6 kV bzw. Ströme über 3 kA mit einem vergleichsweise geringen Steueraufwand beherrschen.
Joachim Specovius

Kapitel 5. Thyristoren

Zusammenfassung
Thyristoren sind einschaltbare Bauelemente mit dem Haupteinsatzgebiet für Netzanwendungen. Für Neuanwendungen geht die Bedeutung dieser Bauteile zurück. Auch in seinem klassischen Einsatzgebiet der Gleichstromantriebstechnik verzeichnet der Thyristor einen stetigen Bedarfsrückgang. Für die klassischen Einsatzgebiete mit Anschlussspannungen bis 660 V und den Sperrspannungsbereichen bis 1800 V werden deshalb keine Entwicklungen mehr betrieben. Im Gegensatz dazu wird die Entwicklung im Höchstleistungsbereich weiter vorangetrieben. Neben lichtzündbaren Thyristoren mit integrierter BOD-Notzündung sind Höchstleistungsthyristoren mit Sperrspannungen bis 10 kV verfügbar. Typische Anwendungen hierfür sind derzeit (noch) HGÜ-Anlagen, Netzkupplungen, Ersatz für mechanische Mittelspannungsschalter und Sanftanlaufschaltungen für Drehstrommotoren sowie Stromrichtermotoren für höchste Leistungen.
Joachim Specovius

Kapitel 6. Wärme Management

Zusammenfassung
Im stationären Betrieb haben alle am Wärmetransport beteiligten Komponenten eine unterschiedliche Temperatur. Die höchste Temperatur stellt sich im Siliziumkristall (Sperrschicht) ein, dem Ort der Verlustleistungsentstehung. Die Wärme wird mit Hilfe des Kühlkörpers schließlich an das Kühlmedium abgegeben. Zur Bemessung des Kühlkörpers ist es erforderlich, den Wärmetransport vom der Sperrschicht bis zum Kühlmedium zu beschreiben. Ein anschauliches Hilfsmittel zur Beschreibung dieses Wärmetransportes ist ein Ersatzschaltbild bei dem der Wärmetransport mit Hilfe analoger elektrischer Größen beschrieben wird. Die Umgebungstemperatur wird als Bezugsgröße gewählt und im Ersatzschaltbild durch ein Masse-Zeichen symbolisiert.
Joachim Specovius

Kapitel 7. Stromrichterschaltungen

Zusammenfassung
Stromrichter sind Einrichtungen zum Umformen elektrischer Energie unter Verwendung von Leistungshalbleitern. Bei der Kupplung von Wechsel- und Gleichstromsystemen ergeben sich hierbei vier Grundfunktionen wie die Umformung von Wechselstromenergie in Gleichstromenergie, von Gleichstromenergie in Wechselstromenergie bzw. die Umformung von Gleichstromenergie mit gegebener Spannung und Polarität in Gleichstromenergie mit anderer Spannung und Polarität oder die Umformung von Wechselstromenergie mit gegebener Spannung, Frequenz und Phasenzahl in Wechselstromenergie mit anderer Spannung, Frequenz und Phasenzahl.
Joachim Specovius

Kapitel 8. Wechselstromschaltungen

Zusammenfassung
Eine einfache Ausführung eines netzgeführten Stromrichters stellt die ungesteuerte Zweipuls-Mittelpunktschaltung dar. Durch die aufgeteilten Wicklungen des Transformators stehen zwei um 180° phasenverschobene Spannungen zur Verfügung. Die Ventile, zunächst als Dioden angenommen, wechseln sich daher in der Stromführung im Spannungsnulldurchgang der Sekundärspannungen ab. Bei idealen Ventilen liegt am Lastwiderstand R der Betrag der sinusförmigen Netzspannung an. Außerdem ist der Effektivwert des Netzstromes gleich dem des Gleichstromes. Die Gleichspannung ist eine Mischgröße. Der störende Wechselanteil kann durch eine Filterung vermindert werden.
Joachim Specovius

Kapitel 9. Drehstromschaltungen

Zusammenfassung
Für den Betrieb einer Mittelpunktschaltung ist ein Transformator zur Bereitstellung des Mittelpunktanschlusses erforderlich. Die M3-Schaltung wird über einen Transformator in Dreieck-Stern-Schaltung (Dy) betrieben. Wegen der schlechten Transformator-Ausnutzung und der ungünstigen Netzbelastung wird diese Schaltung nur für kleine Leistungen eingesetzt. Die Sechspuls-Brückenschaltung wird für hohe Leistungen eingesetzt, auch in Reihen- oder Parallelschaltung als 12-puls Schaltung mit dem Anwendungsbeispiel einer HGÜ-Anlage.
Joachim Specovius

Kapitel 10. Netzrückwirkungen

Zusammenfassung
Die Beschreibung der Netzrückwirkungen erfolgt ausgehend von einer gesteuerten M2-Schaltung. Der Netzstrom eilt zur Netzspannung um den Phasenverschiebungswinkel φ1 nach. Das bedeutet, dass der Stromrichter über die Stromgrundschwingung eine induktive Blindleistung Q1 bezieht. Neben der Stromgrundschwingung enthält der Netzstrom abhängig von der Kurvenform zusätzliche Oberschwingungen. Zusammen mit der Netzspannung UN entsteht eine Oberschwingungsblindleistung, die als Verzerrungsleistung D bezeichnet wird. Der Phasenwinkel der Grundschwingung, und der Steuerwinkel sind hierbei identisch, weshalb die Grundschwingungsblindleistung Q1 auch als Steuerblindleistung bezeichnet wird. Dieser Zusammenhang gilt auch bei höherpulsigen Schaltungen. Die Netzspannung wird als rein sinusförmig angenommen.
Joachim Specovius

Kapitel 11. Lastgeführte Stromrichter

Zusammenfassung
Lastgeführte Stromrichter sind mit Thyristoren aufgebaut. Die Ablösung (Kommutierung) der Thyristoren erfolgt durch die Lastspannung bzw. den Laststrom. Die Steuerung erfolgt somit in Bezug auf die Spannung- bzw. Stromnulldurchgänge der Last. Wir unterscheiden ein- und mehrphasige Schaltungen. Die Last kann passiv als Schwingkreis (Schwingkreiswechselrichter) oder aktiv z. B. als Synchronmaschine (Stromrichtermotor) ausgeführt sein. Schwingkreiswechselrichter werden z. B. für ohmsch-induktive Verbraucher eingesetzt, die mit einer höherfrequenten Wechselspannung arbeiten. Der ohmsch-induktive Verbraucher wird mit einem Kompensationskondensator zu einem Reihen- oder Parallelschwingkreis zusammengeschaltet.
Joachim Specovius

Kapitel 12. Selbstgeführte Stromrichter

Zusammenfassung
Unter selbstgeführten Stromrichtern versteht man Stromrichter zur Umformung von Gleich- und Wechselströmen unter Verwendung abschaltbarer Bauelemente. Die Ventile können daher ohne führendes Netz kommutieren. Selbstgeführte Stromrichter arbeiten als Wechselrichter mit konstanter (d. h. eingeprägter) Spannung oder mit konstantem (d. h. eingeprägtem) Strom. Es wird zunächst 1-phasige Wechselrichterschaltung betrachtet. 1-phasige Wechselspannungen werden durch Mittelpunktschaltungen oder durch eine Brückenschaltung erzeugt. Der Vorteil von Mittelpunktschaltungen liegt im Vergleich zur Brückenschaltung in der geringeren Anzahl an Halbleiterventilen, wodurch speziell bei kleinen Leistungen ein günstiger Wirkungsgrad erreicht werden kann. Als Beispiel für eine Brückenschaltung wird eine 3-phasige Wechselrichterschaltung vorgestellt.
Joachim Specovius

Kapitel 13. Die Wirkungsweise selbstgeführter UWR

Zusammenfassung
Wegen der Bedeutung 1- und 3-phasiger Wechselrichter mit eingeprägter Spannung (UWR) wird im in diesem Kapitel die Wirkungsweise des UWR vertiefend behandelt. Dabei werden Wechselrichter in Zwei- und Dreipunkttechnik sowie Multi-level-Wechselrichter betrachtet. Während die Ausgangsspannung uU0 des Brückenzweiges eines Zweipunkt-Wechselrichters nur 2 Werte annehmen kann, bietet ein Dreipunkt-Wechselrichter zusätzlich das Nullpotenzial am Ausgang. Der Multi-level-Wechselrichter kann prinzipiell beliebig viele Spannungsstufen einstellen. Einen vorgegebenen zeitveränderlichen Sollwert kann beim Multi-level-Wechselrichter beliebig genau abgebildet werden, beim Zwei- und Dreipunkt Wechselrichter nur über den Mittelwert der Ausgangsspannung als gleitender Mittelwert. Wegen der geschalteten Charakteristik erfolgt die Mittelwertbildung jeweils über eine Taktperiode TS (Kurzzeit-Mittelwert).
Joachim Specovius

Kapitel 14. Drehstromgrößen in Raumzeigerdarstellung

Zusammenfassung
Als „Raumzeiger“ wird eine Darstellungsform bezeichnet, die speziell für Berechnungen in 3- und 4-Leitersystemen geeignet ist. Diese Darstellungsform wird wegen der erheblichen Vereinfachung und Anschaulichkeit auch für die Beschreibung von Strömen und Spannungen in Mehrphasensystemen eingesetzt. Bei Stromrichterspeisung ist die Leiterspannung durch Schaltvorgänge bestimmt, d. h. sie kann nur bestimmte (diskrete) Werte annehmen. Die Raumzeigerdarstellung der Spannungen wird daher für jeden Schaltzustand des Wechselrichters jeweils einen Punkt in der αβ-Ebene abbilden. So hat ein Zweipunkt-Wechselrichter 8 Schaltzustände, so dass max. 8 Punkte dargestellt werden können. Im Falle des Zweipunkt-Wechselrichters liegen im Nullpunkt die Punkte 7 und 8 übereinander, d. h. sie sind redundant. Es sind also nur 7 Punkte sichtbar. Der Dreipunkt-Wechselrichter zeigt bei 27 Schaltzuständen 19 verschiedene Punkte (Spannungsraumzeiger). Auch hier treten „redundante“ Spannungsraumzeiger auf, so dass nur 19 Punkte sichtbar sind.
Joachim Specovius

Kapitel 15. Steuerverfahren für UWR

Zusammenfassung
Die Aufgabe eines Wechselrichters mit eingeprägter Spannung besteht im Allgemeinen darin, ein im gleitenden Mittelwert sinusförmiges Drehspannungssystem variabler Grundschwingungsfrequenz zu erzeugen. Dabei wird eine Gleichspannung durch Halbleiterschalter in gepulster Form an die Last weitergegeben. Die Qualität dieser gepulsten Spannung, z. B. durch den Klirrfaktor beschrieben, ist zunächst unabhängig von der Schaltfrequenz oder der Pulsweitenmodulation konstant. Erst durch Filterung dieser gepulsten Spannung z. B. durch ein Filter oder die Impedanz einer angeschlossenen Asynchronmaschine und den daraus resultierenden Stromverlauf ist der Vorteil einer Pulsung ersichtlich. Je höher die Pulsfrequenz wird, desto geringer werden die Oberschwingungen im Strom – und somit auch die Zusatzverluste und Drehmoment-Oberschwingungen (Pendelmomente) einer ASM. Mit einer erhöhten Schaltfrequenz bzw. angepassten Pulsweitenmodulation können erforderliche Filterwerte reduziert werden. Dies hat ein geringeres Volumen und eine kostengünstigere Anschaffung der Anlage zur Folge.
Joachim Specovius

Kapitel 16. Stromrichter und Maschinen

Zusammenfassung
Halbleiterventile werden zur Steuerung elektrischer Maschinen eingesetzt. Zu jedem Maschinentyp gehört eine Gruppe von passenden Stromrichterschaltungen. Hierbei werden mechanisch bzw. elektronisch kommutierende Gleichstrommaschinen, geschaltete Reluktanzmaschinen sowie strom- und spannungsgespeiste Drehfeldmaschinen betrachtet. Bei den Drehfeldmaschinen unterscheidet man je nach Rotorausführung zwischen dem Typ der Asynchronmaschine und dem der Synchronmaschine. Schwerpunkt der folgenden Betrachtungen sei die Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer. Es sollen an dieser Stelle auch nur die Eigenschaften der Maschinen betrachtet werden, die im Hinblick auf das Zusammenwirken von Stromrichter und Maschine sinnvoll sind. Deshalb wird im Folgenden nur eine Modellierung der Drehfeldmaschine als Standardlast für einen Stromrichter gewählt.
Joachim Specovius

Kapitel 17. Leistungselektronik und EMV

Zusammenfassung
Wie alle Betriebsmittel, so haben sich auch leistungselektronische Einrichtungen wie z. B. Frequenzumrichter in einer elektromagnetischen Umwelt zu bewähren. Die Einrichtung muss äußeren elektromagnetischen Einflüssen widerstehen können und produziert selbst wiederum elektromagnetische Störungen. Das Verhalten von Betriebsmitteln hinsichtlich dieser Kriterien bezeichnet man als elektromagnetische Verträglichkeit. Mögliche Beeinflussungswege, auf denen Störgrößen zu den Störsenken gelangen können werden am Beispiel eines IGBT-Transistorschalters untersucht. Der Beeinflussungsweg läuft über eine oder mehrere Kopplungen zwischen Störquelle und Störsenke, wobei unter Kopplung die Wechselbeziehung zwischen Stromkreisen zu verstehen ist, bei der Energie von einem Stromkreis auf einen anderen Stromkreis übertragen werden kann. Das Störvermögen charakterisiert die vom Frequenzumrichter ausgehenden elektromagnetischen Störungen. Die Störungen werden im Wesentlichen durch schnelle Schalt- bzw. Kommutierungsvorgänge im Leistungsteil des Umrichters verursacht. Zusätzlich können Resonanzkreise aus parasitären Kapazitäten und Induktivitäten zu hochfrequenten Schwingungen angeregt werden.
Joachim Specovius

Kapitel 18. Gleichspannungswandler

Zusammenfassung
Zur Anpassung einer Spannungsquelle an einen Verbraucher mit geringerer Spannung kann man einen einfachen Spannungsteiler verwenden. Wegen des ungünstigen Wirkungsgrades ist diese Maßnahme jedoch auf kleine Leistungen beschränkt. Legt man Wert auf einen hohen Wirkungsgrad, was besonders bei batteriebetriebenen Geräten der Fall ist, oder benötigt man höhere Leistungen oder höhere Spannungen als die Eingangsspannung, so erfolgt die Spannungswandlung durch periodisch schaltende Wandler in Verbindung mit kapazitiven oder induktiven Speicherelementen. Als Schalter kommen für Leistungen bis ca. 1 kW im Allgemeinen MOSFET-Leistungstransistoren zum Einsatz. MOSFETs ermöglichen Schaltfrequenzen ≫100 kHz. Die komplette Baueinheit eines schaltenden Spannungswandlers wird als Gleichspannungswandler bezeichnet. Zur Reduzierung von Schaltverlusten durch Strom- oder spannungsloses Schalten können Wandler mit Resonanzkreisen aufgebaut werden. Nachfolgend werden die verschiedenen Prinzipien der Wandlerschaltungen vorgestellt.
Joachim Specovius

Kapitel 19. Stromversorgungen

Zusammenfassung
Zur Energieversorgung wird ein Drehstromnetz (3 ~ AC-Netz) mit Neutralleiter (N) eingesetzt. Dadurch steht neben den Leiterspannungen (Spannungen zwischen den Außenleitern L1, L2 und L3) von 400 V auch eine Spannung von 230 V (Spannung zwischen Außenleiter L1, L2, L3 und Neutralleiter N) zur Verfügung. Die Frequenz beträgt 50 Hz. Darüberhinaus kann die Versorgung mit Gleichspannung (DC-Netz) erfolgen. Die unterschiedlichen Netzformen für eine AC- und DC-Versorgung werden mit ihren Vor- und Nachteilen vorgestellt. Das HGÜ-Prinzip sowie die Netz-Einspeisung über Solarwechselrichter und der Einsatz von Energiespeichern werden besprochen.
Joachim Specovius

Kapitel 20. Konzepte für elektrische Fahrzeugantriebe

Zusammenfassung
Energiespeicher in Fahrzeugen war bisher der Treibstofftank. Der bei Normaltemperatur und -druck flüssige Treibstoff ist leicht zu lagern, kann schnell ersetzt werden (tanken) und ist beliebig haltbar. Aufgrund der hohen Energiedichte flüssiger Treibstoffe von ca. 10 kWh/l können mit relativ geringem Speichervolumen und -Gewicht ausreichend große Reichweiten realisiert werden. Bei einer Dichte von 0,83 kg/l (Diesel) lassen sich in einem 60 l Tank 600 kWh unterbringen bei einer reinen Treibstoffmasse von ca. 50 kg. Bei einer angenommenen Tankdauer von 3 Min. beträgt die Ladeleistung ca. 12 MW. Die gespeicherte Energie kann vollständig entnommen werden (d. h. der Tank kann völlig leergefahren werden). In diesem Kapitel werde verschiedene Lösungen für elektrische Fahrzeugantriebe, der Speicherproblematik und Ladekonzepte vorgestellt.
Joachim Specovius

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