VEM-Handbuch Leistungselektronik

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1 VEM-Handbuch Leistungselektronik Herausgeber: Zentrum für Forschung und Technologie des VEB Elektroprojekt und Anlagenbau Berlin Stammbetrieb des Kombinates Automatisierungsanlagenbau 4., durchgesehene Auflage - : ft VEB VERLAG TECHNIK BERLIN

2 Inhaltsverzeichnis Teill: Grundlagen 1. Einführung und Übersicht Die volkswirtschaftliche Bedeutung der Leistungselektronik Prinzipieller Aufbau von Stromrichtern Leistungselektronik und Mikroelektronik Halbleiterventile Übersicht Physikalische Grundlagen und Aufbau von Dioden, Thyristoren und Triacs Elektrische Eigenschaften der Dioden, Thyristoren und Triacs Sperr- und Blockierzustand Durchlaßzustand (Kennlinien DK in den Bildern 2.2.3, und 2.2.9) Zündung Schaltverhalten Schalttransistoren Bipolare Schalttransistoren Wirkungsweise Elektrische Eigenschaften Unipolare Schalt- oder Feldeffekttransistoren (MOSFETs) Thermische Eigenschaften der Halbleiterventile Temperaturen Stationäre Wärmewiderstände Nichtstationäre Wärmewiderstände Reihen- und Parallelschaltung Qualitätskontrolle und Zuverlässigkeit Schaltungen der Stromrichter Gleichrichter Einpulsgleichrichter Widerstandslast Glättung mit einer Drossel 58

3 8 Inhaltsverzeichnis Glättung mit einem Kondensator Arbeit auf Gegenspannung Schaltung mit Freilaufzweig Spannungsverdoppler- und -Vervielfacherschaltungen Zweipulsgleichrichter Mittelpunkt- und Brückenschaltung Widerstandslast Belastung mit Widerstand, Glättung mit Drossel oder Kondensator Betrieb mit Freilaufzweig, halbgesteuerte Schaltung Verdopplerschaltung Dreipulsgleichrichter Sechspulsgleichrichter Brückenschaltung Saugdrosselschaltung Gleichrichter mit/? = 12, 24 usw Lückender Gleichstrom Stromrichtertransformator, Oberschwingungen, Steuerung Stromrichtertransformator Auslegung Streureaktanz des Transformators und Netzreaktanz Oberschwingungen der Gleichspannung und der Netzströme Oberschwingungen der Gleichspannung Oberschwingungen der Netzströme Steuerung der Gleichspannung Phasenanschnittsteuerung Transformator mit Anzapfungen oder Stelltransformator Netzgelöschter Wechselrichter, Umkehrstromrichter Netzgelöschter Wechselrichter Umkehrstromrichter Wirkungsweise der Gegenparallelschaltung (kreisstromfreier Betrieb) Schaltungen Betrieb ohne und mit Kreisstrom Kurzschlußströme Grundlagen Berechnungsverfahren Übersicht Berechnungsgleichungen Berechnungsbeispiel Selbst- und lastgelöschte Wechselrichter, Umrichter Selbstgelöschte Wechselrichter Einführung Einphasige selbstgelöschte Spannungswechselrichter Wechselrichter mit Drehstromausgang Spannungsstellung 111

4 Inhaltsverzeichnis Stromwechselrichter Auslegung von Wechselrichtern Lastgelöschte Wechselrichter Wechselrichter mit parallelkompensierter Last Dimensionierungsbeispiel Schaltungsvarianten 11' Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis Direkte Umrichter Wechsel- und Drehstromsteller Wirkungsweise Wechselstromsteller Vollgesteuerter Drehstromsteller Halbgesteuerter Drehstromsteller Kennlinien und Kenngrößen Wechselstromsteller Drehstromsteller Wechsel- und Drehstromsteller mit nachgeschaltetem Gleichrichter Schaltungswahl Gleichstromsteller Wirkungsweise der Grundschaltungen, Steuerungsverfahren Stellerschaltungen Betriebseigenschaften und -kenngrößen, Steuerkennlinie, Berechnungsbeispiel Ansteuergeräte Aufgaben Ansteuergeräte für die Zündwinkelsteuerung bei netzgelöschten Stromrichtern Ansteuergeräte für einphasige, zweipulsige Stromrichter Ansteuergeräte für die gebräuchlichen netzgelöschten Stromrichter Gebräuchliche Ausführungsformen der Funktionseinheiten Ansteuergeräte für selbst- und lastgelöschte Wechselrichter Ansteuergeräte für Gleichstromsteller Treiberschaltungen Grundsätzliches über Geräte und Anlagen der Leistungselektronik Betriebsbedingungen, Betriebsarten, Betriebsverhalten, Netzrückwirkungen Betriebsbedingungen und Betriebsarten Speisung des Leistungsteils aus einem Wechselstromnetz Speisung des Leistungsteils aus einem Gleichspannungsnetz Speisung der Informationselektronik Umgebungsbedingungen Betriebsarten und Belastungsklassen Belastungskennlinien Gleichrichter kleiner Leistung Gleichrichter mittlerer und großer Leistung 171

5 10 Inhaltsverzeichnis Welligkeit der Gleichspannung und des Gleichstroms Wirkungsgrad Blindleistung, Verschiebungsfaktor Netzrückwirkungen und ihre Verringerung Kriterien für die Qualität der Netzspannung Verzerrung der Netzspannung im Speisepunkt Netzrückwirkungen ohne Leistungskondensatoren Kompensation mit einem Leistungskondensator Kompensation mit Saugkreisen Netzrückwirkungen bei Niederspannungsnetzen zur Versorgung von Hausanschlüssen Auslegung typischer Bauteile Stromrichtertransformator Ventile Zuverlässigkeit und Störverhalten Ausfallrate von Halbleiter-Leistungsbauelementen Zuverlässigkeit der Funktion des Leistungsteils Kurzschlußstromtragfähigkeit Ausblick Schalt-, Schutz-, Zusatz- und Hilfseinrichtungen Schutz gegen Überspannungen und Überstrom Schutz gegen Überspannungen Schutz gegen strommäßige Überlastungen Kondensatorbatterien und Blindleistungsstromrichter zur Kompensation der Blindleistung Funkentstörung Kühlverfahren und -einrichtungen Luftkühlung Flüssigkeitskühlung Verdampfungskühlung Informationseinrichtungen Grundsätzliche Betrachtungen Baugruppensysteme Elemente des Regelkreises Grundsätzliche Forderungen an die Funktionseinheiten Einsatzbedingungen Störbeeinflussung Prüfung und Service Analoge und digitale Informationsverarbeitung Einsatzgebiete Signale Häufig verwendete Funktionseinheiten Analoge Sollwertvorgabe Istwertgeber für den Strom Istwertgeber für die Drehzahl Sollwert-Istwert-Vergleich 222

6 Inhaltsverzeichnis Regelverstärker Rechenfunktionseinheiten Potentialtrenner Stromversorgung Baureihen von Geräten und Anlagen Baugruppenbildung Spezielle Anforderungen Ausführung von Stromrichtergeräten und Anlagen 235 Teil II: Anwendungen 5. Geräte und Anlagen zur Stromversorgung Speisung von Gleichstromnetzen Industrienetze Bahnstromversorgung Gestaltung von Unterwerken Bahnstromrichter Ladegeräte und Geräte zur Speisung von Fernmeldeanlagen Ladegeräte Ladegeräte mit W-Kennlinie Ladegeräte mit Wa- und IU-Kennlinie Pufferladegeräte Geräte zur Speisung von Fernmeldeanlagen Stromversorgungsgerät für mittlere Nebenstellenanlagen und kleine Wählvermittlungsstellen Stromversorgungsgerät für größere Wählvermittlungsstellen Netzgeräte Notstromversorgung, Stromversorgung für Schienenfahrzeuge und Hochspannungsanlagen Notstromversorgung für Wechselstromverbraucher Elektroenergieversorgung für Schienenfahrzeuge Energieverbraucher in Reisezugwagen Autonome Energieversorgung (AEV) von Reisezugwagen Zentrale Energieversorgung (ZEV) von Reisezugwagen Einrichtungen auf Triebfahrzeugen zur Energieversorgung aus der Zugsammeischiene Elektrische Triebwagenzüge Stromversorgung für Hochspannungsanlagen Elektrofilter Gleichspannungsprüfanlagen Elektronische Erregung von Synchronmaschinen Allgemeine Gesichtspunkte Ruhende Gleichrichter 303

7 12 Inhaltsverzeichnis Ruhende, ungesteuerte Gleichrichter Ruhende, gesteuerte Gleichrichter Bürstenlose Erregung Thyristorschalter Aufgaben und Entwicklungstendenzen für Schalter Wechselstromschalter Drehstromschalter Stufenschalter mit Thyristor-Lastumschalter Gleichstromschalter Ansteuern von Thyristoren in Schaltern Einsatz in Automatisierungsanlagen Stromrichter für Antriebsregelungen Übersicht Einrichtungsantriebe mit Gleichstrommotoren Stellglieder mit Netzlöschung Stellglieder kleiner Leistung bis etwa 30 kw Stellglieder mittlerer Leistung bis etwa 250 kw Stellglieder großer Leistung von 250 kw bis zu einigen Megawatt Übertragungsverhalten Zuverlässigkeit Anpassungsprobleme Stellglied - Gleichstrommaschine Gleichstromsteller als Stellglieder Mikrorechnereinsatz Netzrückwirkungen netzgelöschter Stromrichter Stromrichterauswahl mit Berechnungsbeispielen Umkehr des Drehmoments Schaltungen ohne und mit Kreisstrom Übersicht Umschaltungen im Ankerkreis Umschaltung im Feldkreis Umkehrschaltungen mit Selbstlöschung Betriebsverhalten Stromrichter zur Speisung von Drehfeldmotoren Übersicht Untersynchrone Stromrichterkaskade Spannungssteuerung von Asynchronmotoren Wirkungsweise Der Drehstromsteller Frequenzstellung von Asynchronmotoren -^g Stationäres und dynamisches Verhalten.... v Regelkreisstrukturen Anwendung von Antrieben mit frequenzgestellten Asynchronmotoren 373

8 Inhaltsverzeichnis Frequenzstellung von Synchronmotoren Fremdgetakteter Synchronmotor Eigengetakteter Synchronmotor (Stromrichtermotor) Anwendung von Antrieben mit frequenzgestellten Synchronmotoren Frequenzstellung von Linearmotoren Entwicklungs- und Anwendungsperspektiven von Antrieben mit frequenzgestellten Drehstrommotoren Antriebe für Traktionszwecke Allgemeine Darlegungen Wechselstromtriebfahrzeuge mit Kommutatorfahrmotoren Wechselstromsteller Steuerbare Gleichrichter Triebfahrzeuge mit Gleichstromstellern Triebfahrzeuge mit kommutatorlosen Fahrmotoren Vergleiche zwischen verschiedenen Stromrichter-Traktionsantrieben Stromversorgung für technologische Prozesse Gleichrichteranlagen für Elektrolysen Allgemeines Forderungen an die Gleichrichteranlage Anlagengestaltung Gleichrichtergruppen Wahl der Schaltung der Gleichrichtergruppen Anzahl der Gleichrichtergruppen Konstanthaltung des Stroms Gleichrichter Transformatorteil Gleichrichtereinheit Aufstellung Gleichrichter zur Speisung von Geräten zur Lichtbogenschweißung und von Lichtbogenöfen (Vakuum-Lichtbogenöfen und Plasmabrenner) Anwendungsgebiet und Forderungen an die Stromversorgungseinrichtung Anwendungsgebiet Forderungen an die Stromversorgungseinrichtung und Besonderheiten der Lichtbogenspeisung Grundschaltungen der Stromversorgungseinrichtung Lichtbogen- und Plasmaschweißgeräte Vakuum-Lichtbogen- und Plasmaschmelzöfen Gleichstromspeisung für einen Plasmaschmelzofen großer Leistung Wechselstromsteller für Beleuchtungsanlagen, Widerstandsöfen und Schweißgeräte Beleuchtungsanlagen Steller für Widerstandsöfen Steller für Widerstandsschweißgeräte 423

9 14 Inhaltsverzeichnis 7.4. Umrichter für Elektrowärmeanlagen Umrichter mit sehr niedrigen Frequenzen Umrichter für die elektromagnetische Durchmischung Umrichter für das Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren Umrichter mit Mittelfrequenz für die Induktionserwärmung Konsumgüter Schaltungen des Leistungs- und Steuerkreises Leistungskreis Steuerkreis Phasenanschnittsteuerung Schwingungspaketsteuerung Spezielle Bauelemente (Triggerelemente) Integrierte Schaltkreise (IC) Anwendungen Drehzahlsteuerung und -regelung Begrenzung der Anschlußleistung thermischer Geräte Kraftfahrzeugtechnik Formelzeichen und Schaltzeichen Literaturverzeichnis Sachwörterverzeichnis 482