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2022 | Buch

Leistungselektronik

Ein Handbuch Band 1 / Band 2

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Über dieses Buch

Die Methoden der Leistungselektronik gewinnen ständig an Bedeutung, insbesondere für die Entwicklung von neuen Antriebskonzepten (z. B. für Kraftfahrzeuge), Stromversorgungen (Schaltnetzteilen) elektronischer Geräte (von Computern, Mobiltelefonen etc.), Beleuchtungstechnik, Solarkonvertern etc. In dieser überarbeiteten und erweiterten Ausgabe des Standardwerks von Professor Zach werden Aufbau, Wirkungsweise und Analyse der entsprechenden Schaltungsprinzipien und der elektrischen Vorgänge anhand von Funktionsabläufen, Zeitdiagrammen und Schnittzeichnungen grundlegend dargestellt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Einleitung
Zusammenfassung
Die Definition der Leistungselektronik als „Schalten, Steuern und Umformen elektrischer Energie mit elektronischenMitteln“ [2.50]∗ deutet schon auf ihre Stellung als Bindeglied zwischen elektrischer Energietechnik (Starkstromtechnik) und elektrischer Nachrichten- bzw. Informationstechnik hin. So ist auch jede leistungselektronische Schaltung einteilbar in einen Leistungsteil und einen Informationsbzw. Steuerungsteil.
Franz Zach
Kapitel 2. Mathematische und elektrotechnische Grundlagen
Zusammenfassung
Im folgenden sollen einige speziell für die Leistungselektronik wichtige Grundlagen der Mathematik und Elektrotechnik zusammengefaßt werden, die erfahrungsgemäß sehr oft in rein mathematischen bzw. elektrotechnischen Fächern höchstens gestreift werden.
Franz Zach
Kapitel 3. Bauelemente der Leistungselektronik
Zusammenfassung
Von ca. 1902 bis 1958 waren in der Leistungselektronik fast ausschließlich Quecksilberdampfgefäße [3.35] in Verwendung, wobei Halbleiter auf Gleichrichtung bei relativ kleinen Leistungen beschränkt waren. Ab ca. 1955 stand zum ersten Mal mit dem Thyristor (damals noch unter verschiedenen anderen Bezeichnungen [3.48], [3.52]) eine Alternative zum steuerbaren Quecksilberdampfgleichrichter zur Verfügung. Der Übergang zu den neuen Elementen hat sich in den 1960-er-Jahren auf breiter Front vollzogen. Viele schon Jahrzehnte früher vorgeschlagene Schaltungen wurden wirtschaftlich realisierbar, wodurch starke Impulse zu Weiterentwicklungen gegeben wurden [3.63].
Franz Zach
Kapitel 4. Leistungsteil leistungselektronischer Schaltungen
Zusammenfassung
Bei allen Schaltungen der Leistungselektronik sind Zündung und Löschung∗ der elektrischen Ventile die Basis jeder Arbeitsweise. Man kann nun insbesondere nach der Führung (d. h. nach der Quelle der Löschspannung, die bei Thyristoren den Strom IF in Vorwärtsrichtung unter den Haltestrom drücken muß) unterscheiden, oder aber nach der Art der zeitlichen Vorgabe der Zünd- und Löschimpulse. Man sieht vielleicht schon aus diesen Bemerkungen, daß diese Einteilungen für die technischen Ausführungen von großer Bedeutung sind, für das erste Einarbeiten in die Leistungselektronik aber nicht überbewertet werden sollten.
Franz Zach
Kapitel 5. Steuerung und Betrieb leistungselektronischer Schaltungen (Steuerungskreise, Schaltungen für Antriebe und Regelungen)
Zusammenfassung
Im vorigen Kapitel wurden Leistungskreise von Schaltungen der Leistungselektronik vorgestellt. Ihr Betrieb und ihre Anwendung erfordern vor allem die Vorgabe der Zündimpulse für Haupt- und Löschthyristoren. Dazu dienen die Steuerungskreise der Leistungselektronik, wo naturgemäß mehr auf Signalverarbeitung∗ Wert gelegt wird als auf Leistungsumwandlung mit großem Wirkungsgrad.
Franz Zach
Kapitel 6. Netz- und Lastverhalten leistungselektronischer Schaltungen
Zusammenfassung
Schon in den Kap. 2, 4 und 5∗ wurde an Stellen, wo es sich logisch ergab, auf Oberschwingungen und Phasenverschiebungen (Leistungsfaktorverminderung), die im speisenden Netz bzw. an der Last (dort nur Oberschwingungen) durch die leistungselektronischen Schaltungen hervorgerufen werden, hingewiesen. Dieses Thema wird nun in vorliegendem Kapitel zusammenfassend behandelt. Zu dem Problemkreis des Zusammenwirkens von Leistungselektronik und speisendem Netz gehört aber auch das Gebiet der Transformatoren, der Beschaltungen und der Filter, wobei sich zu den Transformatoren die Drosseln (Glättungsinduktivitäten)∗∗ und zu den Beschaltungen nicht nur die RC-Beschaltung des Transformators, sondern auch der Thyristoren und der Last sowie Sicherungen (inklusive Eingangsspannungsbegrenzer, wie spannungsabhängige Widerstände) sinnvoll hinzufügen lassen.
Franz Zach
Kapitel 7. Funkstörungen (elektromagnetische Beeinflussungen, EMB) und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)
Zusammenfassung
In Kapitel 6 wurde behandelt, wie die Oberschwingungen des Netzstromes z. B. Spannungsverzerrungen an anderen Verbrauchern, welche an dasselbe Netz angeschlossen sind, erzeugen. Es ging hier in erster Linie um starkstromtechnische (energietechnische) Beinflussungen, die dann eben als Netzrückwirkungen schlechthin bezeichnet werden.
Franz Zach
Kapitel 8. Anwendungen und spezielle Probleme der Leistungselektronik (Ergänzungen und Überblick)
Zusammenfassung
Schon imVorangegangenen, speziell in den Kapiteln 4 und 5, wurden dieGrundlagen für die meisten Anwendungsgebiete der Leistungselektronik besprochen. Dies geschah vor allem für Gleich- und Wechselstromantriebe, Schwingkreiswechselrichter für induktives Erwärmen und Schmelzen und anderes mehr. Weitere Probleme der Leistungselektronik wurden speziell in den Kapiteln 6 und 7 erörtert.
Franz Zach
Kapitel 9. Zeitschriften, Normen und Vorschriften, Konferenzen und Sammelwerke
Zusammenfassung
Hier werden entsprechende Publikationen angeführt, die sich auf den Stoff der vorliegenden Bände beziehen. Anzumerken ist, daß seit einigen Jahren viele Quellen nur mehr in elektronischer Form vorliegen und z. B. aus dem Internet abgerufen werden können. Während der Arbeit (an vorliegenden Bänden) hat sich aber herausgestellt, daß es sich hier teilweise um ein sehr kurzlebiges Medium handelt, weil viele Quellen schon nach relativ kurzer Zeit nicht mehr verfügbar sind.
Franz Zach
Kapitel 10. Neuere aktive Bauelemente, Ansteuerungen und Beschaltungen
Zusammenfassung
Bereits in Kapitel 3 wurden die Bauelemente der „klassischen“ Leistungselektronik behandelt. Unter dieser soll die Schaltungstechnik, die schon bis ca. 1985 entwickelt wurde, verstanden warden*. Im vorliegenden Kapitel sollen nun neue Bauelemente, die auch bei größeren Leistungen (als seinerzeit bei Transistoren üblich) über das Gate abschaltbar sind, im Detail vorgestellt werden. Dazu kommen weiters neue Technologien (wie Siliziumkarbid bei Dioden) und ergänzende Überlegungen zum Schaltverhalten (z. B. auch für Dioden und Transistoren), sowie neue Schaltungskonzepte.
Franz Zach
Kapitel 11. Strukturen der Schaltnetzteile
Zusammenfassung
Stromversorgungen * sind ein immer wichtiger werdendes Gebiet der Leistungselektronik. Das Bedarfsspektrum reicht von kleinen DC–DC-Wandlern mit einer Leistung von einigen Watt für die dezentrale Versorgung von Peripheriekarten in Computern über die Unterhaltungselektronik mit TV- und Videogeräten bis zu den unterbrechungsfreien Stromversorgungen für Rechenzentren, medizinische Einrichtungen und Industrieanlagen mit einem Leistungsbedarf von einigen Kilowatt. Die meisten Stromversorgungen werden heute aufgrund ihres höheren Wirkungsgrades und des gegenüber konventionellen Netzteilen besseren Verhältnisses von Leistungsdichte, Baugröße und Gewicht in Form von Schaltnetzteilen ausgeführt.
Franz Zach
Kapitel 12. Analyse und Regelungen von Schaltnetzteilen
Zusammenfassung
Hier soll nur ein kurzer Überblick über regelungstechnische Definitionen und Grundbegriffe gegeben werden, um danach sofort auf spezielle Probleme der Leistungselektronik eingehen zu können, speziell zunächst auf die Regelung von Schaltnetzteilen. Bei Bedarf kann aber Abschnitt 12.6 zu Rate gezogen werden, in dem im Anschluß an die speziellen Regelungsmethoden für Schaltnetzteile grundlegende Übertragungsfunktionen und Regelungsprobleme im Detail erläutert sind.
Franz Zach
Kapitel 13. Schaltungen mit über das Gate abschaltbaren Bauelementen
Zusammenfassung
Abbildung 13.1 zeigt das Prinzip eines Gleichstromstellers mit Bauelementen, die über das Gate abschaltbar sind. Darunter werden alle Bauteile (Ventile) verstanden, auf die diese Eigenschaft zutrifft, d. h. bei denen nicht wie bei Thyristoren eine Abschaltung durch Aufbringen einer Anoden-Kathodenspannung ≤ 0 erfolgen muß. MGDs steht für MOS-Gated-Device (siehe Kapitel 10), GTO ∗ für Gate-Turn-Off-Thyristoren (Abschnitte 10.4 und 10.7); an ihrer Stelle wären aber auch Bipolartransistoren einsetzbar.
Franz Zach
Kapitel 14. Optimierung von Netzrückwirkungen und Lastharmonischen
Zusammenfassung
Bei Gleichrichterschaltungen insbesondere höherer Leistung, aber auch bei Auftreten einer Vielzahl solcher geringerer Leistung, können die durch leistungselektronische Systeme verursachten Netzrückwirkungen, vor allem die erzeugten Oberschwingungen und die Blindleistungen, nicht mehr vernachlässigt werden. Um die Qualität der Netzspannung sicherzustellen, definieren die EVUs Vorschriften über maximal zulässige Energie oder andere Kennwerte der vom Verbraucher erzeugten Stromoberschwingungen. Auch im Hinblick auf die immer genauer und strenger werdenden Richtlinienwird es daher notwendig, Stromrichterkonzepte zu entwickeln, die möglichst geringe Netzrückwirkungen verursachen.
Franz Zach
Kapitel 15. Passive Bauelemente und Dimensionierungsbeispiele
Zusammenfassung
Magnetische Bauteile (oft auch Wickelgüter genannt, wenn man Permanentmagneten außer acht läßt) sind für leistungselektronische Schaltungen besonders wichtig. Dies zeigt sich z. B. bei SNTs (= Schaltnetzteile), wenn man bedenkt, daß die induktiven Bauteile in typischen Fällen zwischen 20 und 30% der Gesamtkosten verursachen [15.1].
Franz Zach
Kapitel 16. Spezielle Methoden und Anwendungen
Zusammenfassung
In den bisherigen Abschnitten dieses Buches wurden die wichtigen Methoden und Schaltungen der Leistungselektronik beschrieben. Im vorliegenden Kapitel 16 werden nun in Ergänzung zu Kapitel 4, , 5, , 6 und 8 neuere Anwendungsbereiche der Leistungselektronik mit typischen Lösungen besprochen. Hiezu soll nun in Abschnitt 16.1 ein grober Überblick über die Bereiche, die nicht ohnehin in den weiteren Abschnitten im Detail behandelt sind, präsentiert werden.
Franz Zach
Kapitel 17. Neuere Methoden der elektromagnetischen Verträglichkeit, CE-Kennzeichnung
Zusammenfassung
Bereits in Kapitel 7 wurden grundlegende Details zu den Bereichen EMV (ElektroMagnetische Verträglichkeit; entspricht in der angloamerikanischen Literatur der EMC: ElectroMagnetic Compatibility) bzw. EMB [ElektroMagnetische Beeinflussung; EMI: ElectroMagnetic Influence (auch: Interference)] dargelegt. Die dort getätigten Aussagen sind im wesentlichen weiterhin gültig, sollen aber im folgenden – entsprechend der immer größer werdenden Wichtigkeit dieses Gebietes – erweitert und vertieft werden. Ergänzend sollen in Abschnitt 17.11 noch jene in Kapitel 7 erwähnten, bisher gültigenWerte sowie Normen durch die derzeit anzuwendenden ersetzt und mit den früheren verglichen werden.
Franz Zach
Backmatter
Metadaten
Titel
Leistungselektronik
verfasst von
Prof. Franz Zach
Copyright-Jahr
2022
Electronic ISBN
978-3-658-31436-1
Print ISBN
978-3-658-31435-4
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-31436-1