Leistungselektronik - Skript zur Lehrveranstaltung -

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1 Fachhochschule Lausitz Fachbereich Informatik / Elektrotechnik / Maschinenbau Priv. Doz. Dr.Ing. habil. W. Michalik Leistungselektronik Skript zur Lehrveranstaltung V1 V3 V5 L1 L2 L3 U d L d R V2 V4 V6 I d U St Ansteuerautomat GR I d L d WR f WR U N U WR (nur zum Gebrauch in der Lehrveranstaltung) 3. Ausgabe Juli 2005

2 Gliederung 1. Einführung 2. Leistungselektronische Bauelemente Physikalische Grundlagen Dioden Konventionelle Thyristoren und Thyristormodifikationen (GTO, IGCT) Bipolare Leistungstransistoren (BLT) Power MOSFET Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Intelligente Leistungshalbleiter (SmartPowerElement) Gehäusebauformen0 Schutz von Leistungshalbleitern 3. Netzgeführte leistungselektronische Schaltungen Allgemeines und mathematische Voraussetzungen Ansteuerprinzipien und geräte Gleichrichterschaltungen (Ein, Zwei, Drei, Sechs und höherpulsige Gleichrichterschaltungen an unterschiedlichen Lasten) Kommutierungsvorgänge (netzgeführte Kommutierung) Umkehrstromrichter, Direktumrichter Blindleistungssparende Schaltungen Netzrückwirkungen (Kenngrößen, Auswirkungen, Beherrschung der Stromrichternetzrückwirkungen) 4. Wechselstromschalter und steller EinphasenWechselstromschalter, Drehstromschalter EinphasenWechselstromsteller, Drehstromsteller Phasenabschnitt, Sektor und Schwingpaketsteuerung 5. Selbstgeführte leistungselektronische Schaltungen Zwangslöschschaltungen mit Thyristoren Hoch und Tiefsetzsteller an unterschiedlichen Lasten, Vierquadrantenpulssteller Spannungs und Stromwechselrichter (Ein und dreiphasiger WR, Ein und dreilevelwr) Umrichter mit Spannungs und Stromzwischenkreis ZwischenkreisGleichstromumrichter (Sperrwandler, Durchflusswandler) 6. Lastgeführte Wechselrichter SchwingkreisWechselrichter Maschinengeführte Wechselrichter 7. Resonanzstromrichter Skript LE04_01.doc Ausgabe September 2004 Mi 1

3 Literatur: Anke, D.: Leistungselektronik, Oldenburg Verlag, MünchenWien, 1986 Bystron, K.: Leistungselektronik, Carl Hanser Verlag, MünchenWien, 1979 Brosch, P.: Moderne Stromrichterantriebe, Vogel Buchverlag, 1998 ISBN Felderhoff, R.: Leistungselektronik, Carl Hanser Verlag, MünchenWien, 1984 Hagmann, G.: Leistungselektronik: Grundlagen und Anwendungen, AulaVerlag, Wiesbaden, 1993 Hartel, W.: Stromrichterschaltungen, Springer Verlag, BerlinHeidelbergNew York, 1977 Heumann, K.: Grundlagen der Leistungselektronik, Teubner, Stuttgart, 1989 Hofer K.: Moderne Leistungselektronik und Antriebe, VDEVerlag GmbH, 1995 Jäger, R.: Leistungselektronik, Grundlagen und Anwendungen, VDE Verlag, Berlin, 1988 Jötten, R.: Kloss, A.: Kloss A.: Leistungselektronik Bd. 1: Stromrichter Schaltungstechnik, Vieweg Verlag, Wiesbaden, 1976 StromrichterNetzrückwirkungen in Theorie und Praxis, EMC der Leistungselektronik, AT Verlag Aarau, Stuttgart, 1981 Leistungselektronik ohne Ballast, FranzisVerlag GmbH, München Kümmel F.: Elektrische Antriebstechnik, Teil 2, Leistungsstellglieder, VDEVerlag GmbH 1986 Lappe, R.; Conrad, H.; Kronberg, M.: Leistungselektronik, Verlag Technik GmbH, Berlin, 2. Aufl., 1991 Lappe, R.; u. a.: Handbuch Leistungselektronik, Verlag Technik GmbH Berlin, München, 5. Aufl., 1994 Meyer, M.: Michel, M.: Möltgen, G.: Schröder, D.: Schröder, D.: Leistungselektronik: Einführung, Grundlagen, Überblick, Springer Verlag, Berlin HeidelbergNew York, 1990 LeistungselektronikEine Einführung, Springer Verlag, Berlin HeidelbergNew York, 1992 StromrichtertechnikEinführung in die Wirkungsweise und Theorie SiemensFachbuch, 1983 Elektrische Antriebe 3, Leistungselektronische Bauelemente, Springer Verlag, BerlinHeidelbergNew York, 1996 Elektrische Antriebe 4, Leistungselektronische Schaltungen, Springer Verlag, BerlinHeidelbergNew York, 1998 Stephan W.: Leistungselektronik iteraktiv, Fachbuchverlag Leipzig, 2001 Zach, F.: Leistungselektronik, Springer Verlag, Wien New York, 1980 Internetadressen: Skript LE04_01.doc Ausgabe September 2004 Mi 2

4 Wichtige Normen: DIN Begriffe für Stromrichter DIN IEC 971 HalbleiterStromrichter Kennzeichnungssystem für Stromrichterschaltungen DIN EN HalbleiterStromrichter Allgemeine Anforderungen und netzgeführte Stromrichter (Ersatz für VDE 0558 Teil 1) DIN EN HalbleiterStromrichter Selbstgeführte Stromrichter (Ersatz für VDE 0558 Teil 2) DIN EN HalbleiterStromrichter Gleichstromsteller (Ersatz für VDE 0558 Teil 3) DIN EN Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) DIN IEC 727 Teil 2 Gleichrichterdioden DIN IEC 727 Teil 6 Thyristoren DIN EN Ausrüstung von Starkstromanlagen mit elektronischen Betriebsmitteln (Ersatz für VDE 0160) IEC 50 (551) International Electrotechnical Vocabulary Chapter 551: Power Electronics EN Semiconductor Power Converters: Adjustable speed electric drive systems Rating specifications, particularly for d.c. motor drives Skript LE04_01.doc Ausgabe September 2004 Mi 3

5 Kapitel 1 Einführung 1.1. Anwendung der Leistungselektronik Schaltungen mit leistungselektronischen Bauelementen werden unter dem Sammelbegriff Stromrichter (SR) oder auch leistungselektronische Stellglieder geführt. Stellglieder dienen zum Umformen und zum Steuern von elektrischer Leistung im Rahmen des Leistungsflusses vom Netz zum Verbraucher. Hauptanwendungsgebiet ist die Steuerung des Leistungsflusses bei elektrischen Antrieben (Gleichrichter, Umrichter, Steller,...), in Energieversorgungsnetzen (Aktive Filter, Gleichstromkupplungen, Anschluss von Energieerzeugern...), Heizgeräten oder Beleuchtungsanlagen. Netz P N u st Stellsignal Leistungselektron. Stellglied P el M P m Antriebsstrecke P V st P V M Bewegung P V A Bild 1.1: Leistungselektronisches Stellglied in einer Antriebsstrecke Mechanische Struktur Elektroenergie Leistungselektronisches Stellglied Energetisches Teilsystem Aktor Motor (Generator) (Elektro) mechanisches Übertragungsglied Kräfte, Bewegungen Bild 1.2: Leistungselektronisches Stellglied in einem mechatronischen System Rückmeldungen Stellgröße Physikal. Größen Sensoren Meßwerte Meßwertverarbeitung Regelung, Steuerung Digitalrechner Informationsverarbeitendes Teilsystem Was kann beeinflusst werden? Spannungsart und Phasenzahl (Umformen zwischen Gleichstrom, Wechselstrom und Drehstrom) Frequenz bei Wechselgrößen Effektivwert der Spannung Skript LE04_01.doc Ausgabe September 2004 Mi 4

6 Arbeitsprinzip: Das praktisch leistungslose Stellsignal u st (heute digital in Mikrorechnern erzeugt) greift steuernd in den Leistungsfluss ein Zwischen Stellsignal und Ausgangsleistung findet eine erhebliche Leistungsverstärkung statt Diese Leistung wird als Hilfsleistung aus dem Netz entnommen (Netz: Industrienetz, Batterie, Brennstoffzelle, Photovoltaikanlage usw.) Auch im Stellglied entstehen Verluste, die allerdings sehr gering bleiben können. Vorzüge leistungselektronischer Stellglieder: sehr guter Wirkungsgrad (0.90 < η st < 0.99) anschlussfertige Geräte im Leistungsbereich von W bis 100 kw, Grenzleistung 600 MW sehr gute Dynamik (Einprägen von Drehmoment in Motoren in ms) hohe Zuverlässigkeit bei akzeptablen und sinkenden Preisen 1.2. Geschichte der Leistungselektronik 1902 Entdeckung der Ventilwirkung des elektrischen Lichtbogens im Quecksilberdampf durch P.C. Hewlitt Erster QuecksilberdampfGleichrichter bis ca. 100A 1903 Vakuum Diode (J.A.Flemming) für kleine Ströme 1909 QuecksilberdampfGleichrichter aus Stahl bis mehrere hundert Ampere 1914 Gesteuerter QuecksilberdampfGleichrichter 1930 Erste Halbleiter Leistungsgleichrichter auf der Basis des Metall Selenflächenkontaktes (Trockengleichrichter) 1948 Erster Transistor 1954 Erste GermaniumLeistungsdioden, erste Siliziumdiode 1957 Entwicklung des Thyristors, Beginn der eigentlichen Epoche der Leistungselektronik, Verdrängung der QuecksilberdampfVentile 1961 Erster GTO 1963 Erster Triac 1976 Erster Mosfet 1982 Erster IGBT 1988 Erste Elektrolokomotive mit GTOUmrichter 1990 Erster intelligenter Powermodul 1991 Erster IGBTUmrichter... Skript LE04_01.doc Ausgabe September 2004 Mi 5

7 Bild 1.3: Antrieb mit DrehstromAsynchronmotor, P b =1500 kw und zwölfpulsigem Umrichter mit Stromzwischenkreis 660 V, 50 Hz Bild 1.4: LEStellglieder für Antriebe links: Schrank mit drei Stellgliedern (v.l.n.r.: VierQuadrantenGleichrichter (Leistung 7.5 kw), EinspeiseGleichrichter für Umrichter, Umrichter für DASM (Leistung 7.5 kw) Quelle: Siemens AG rechts: Schrank eines Umrichters mit GleichstromZwischenkreis (Leistung 500 kw, geöffneter Schrank) Quelle: BMElektronik Skript LE04_01.doc Ausgabe September 2004 Mi 6

8 Bild 1.5: Phasenbaustein für das Stellglied einer VollbahnLokomotive mit GTO (gate turnoff thyristor) (Leistung der Lok 5 MW) Für jeden der vier Antriebsmotoren der Lok besteht der Umrichter aus fünf solchen Bausteinen 1.3. StromrichterStellglieder Übersicht ~ Gleichrichter (GR) = Bild 1.6: Stromrichter in der Leistungselektronik Umrichter, Steller Umrichter, Steller ~ Wechselrichter (WR) = Einteilung der SR nach der Energieumformung: Netzgeführte Gleich und Wechselrichter: Verbinden Wechselstrom (WS) oder Drehstromnetze (DSNetze) mit Gleichstromverbrauchern (GSVerbrauchern) oder GSNetzen. Netzgeführte Direktumrichter: Verbinden DSNetze und speisen großer DSM oder DASM im MWBereich Umrichter mit Strom oder SpannungsZwischenkreis: Verbinden WS oder DSNetze mit DSM oder DASM und ermöglichen Frequenzsteuerungen Gleichspannungs, Wechselspannung und Drehstromsteller: Verbinden Netze gleicher Spannungsart und ermöglichen eine Transformatorfunktion (Spannungssteuerung bei unveränderlicher Frequenz) Skript LE04_01.doc Ausgabe September 2004 Mi 7

9 Einteilung der SRStellglieder bezüglich der Art der Energieflussteuerung: Ungesteuerte Stromrichter (Diodengleichrichter) SR mit Phasenanschnittsteuerung SR mit Pulssteuerung 1.4. Grundstromkreis der LE (vereinfachtes Schaltermodell) Ein Ventil wird gerichtet in Stromzweige geschaltet und vermittelt dann mit einer Schaltfrequenz von khz zwischen a) einer Spannungsquelle und einem passiven Verbraucher bzw. b) einer zweiten Spannungsquelle (aktiver Verbraucher), Spannungsunterschiede müssen durch Impedanzen Z aufgefangen werden. Die Spannungen können dabei Gleich und/oder Wechselspannungen sein. Schaltfrequenz f Sch : 1. f Sch =0 (Diodenschaltungen) 2. f Sch =f N (Netzgeführt) 3. f Sch extern (Selbstgeführt) Z Netz 1 Netz 2 Ventil V1 u 1 u L, U L, i u 2 U 1 u v, U v,i V U 2 ~ Ventil V1: Es besitzt zwei Zustände V1 gesperrt: i= iv = 0, uv = u1 u 2 pv = 0! V1 leitfähig: uv = 0, pv = 0! U1 U2 I= Iv = Z Bild 1.7: Allgemeiner Grundstromkreis der LE mit nur einem idealen Ventil (die Netze 1 und 2 können sowohl Erzeuger als auch Verbraucher sein) Merke: Leistungselektronische Schaltungen arbeiten nur im Schaltbetrieb, kein linearer Verstärkerbetrieb wie z.b. mit Transistoren in der Nachrichtentechnik. Reale Ventile haben gegenüber idealen Ventilen: Verlustleistung und Strom im gesperrten Zustand Verlustleistung und Spannungsabfall im leitfähigen Zustand Erhöhte Verluste beim Umschalten Stellglieder besitzen meist mehrere Ventilzweige, die sich gegenseitig die Ströme übergeben können (Kommutierung)! Skript LE04_01.doc Ausgabe September 2004 Mi 8

10 Tafel 1.1: Prinzipschaltung Arten und Prinzipdarstellung von StromrichterStellgliedern Beschreibung Netzgeführte Gleichrichter und Wechselrichter (mit Dioden oder Thyristoren) U N Kommutierung über das DSNetz, Anschnittsteuerung der Ventile ermöglicht stetige Steuerung der Gleichspannung mit U dα = U di0 cos α über den Steuerwinkel α Einsatzgebiete: ungesteuert: Bahnstromversorgung, Netzteile, LadeGR,... vollgesteuert: Antriebe mit GM, Plasmaöfen,... Direktumrichter (mit Thyristoren) Direktumrichter bestehen aus drei Paaren antiparalleler netzgeführter GR, deren Ausgangsspannung ein niederfrequentes Drehstromsystem ergibt (f WR < 0.2 f N ) Einsatzgebiete: langsamlaufende Drehstromantriebe (Drehrohröfen, Mühlen,...) Umrichter mit GleichstromZwischenkreis (IUR, CSI (current source inverter)) U N f N U N GR DUR GR U dα f WR U WR WR GR mit Thyristoren, WR mit IGBT, GTO Leistungsfluss umkehrbar über die Steuerung des GR, Frequenzsteuerung f WR min < f WR < f Wrmax, direkte Momenteinprägung durch I d, auch Pulsbetrieb möglich Einsatzgebiete: Einmotorenantriebe großer Leistung, Bahnantriebe,... Umrichter mit GleichspannungsZwischenkreis (UUR, VSI (voltage source)) U N GR U d I d L d C d WR WR f WR U WR f WR 3 U WR GR mit Dioden oder auch mit IGBT als active front end, WR mit IGBT oder GTO, Leistungsfluss mit DiodenGR nicht umkehrbar, U d konstant, Frequenzsteuerung f WR min < f WR < f Wrmax, indirekte Momenteinprägung durch U WR, gepulster und ungepulster Betrieb möglich Einsatzgebiete: Ein und Mehrmotorenantriebe in jeder Leistung auch Bahnantriebe (ICE), Stellantriebe (hohe Dynamik möglich)! Skript LE04_01.doc Ausgabe September 2004 Mi 9

11 Gleichstromsteller (GSPulssteller, DCChopper) GR mit Dioden, Steller mit IGBT, GTO, Ein und VierQuadrantenPulssteller GR DC/DC U möglich Leistungsflussumkehr am Verbraucher nur, wenn die Energie im Zwischen d1 U d2 C U d kreis in Wärme umgewandelt werden kann N oder der GR ein Umkehrgleichrichter ist Einsatzgebiete: Batteriefahrzeuge, Straßenbahn, Stellantriebe Wechselstromsteller (Dimmer, ACChopper auch für Drehstrom!) f Mit antiparallelen Thyristoren oder mit N WSSt. f N Triacs, ermöglichen 50HzPhasenanschnitt 1 1 in beiden Halbschwingungen und damit Reduktion des Effektivwertes bei gleicher U N1 U N2 Frequenz Einsatzgebiete: einphasig: Haushaltbeleuchtung (Dimmer) dreiphasig: Bühnenbeleuchtung, Spannungssteuerung für DASM, Ofensteuerung, Schweißmaschinen Skript LE04_01.doc Ausgabe September 2004 Mi 10