Elektrische Antriebe 4

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1 Dierk Schröder Elektrische Antriebe 4 Leistungselektronische Schaltungen Mit 602 Abbildungen Springer

2 Inhaltsverzeichnis 1 Stromrichterschaltungen (Übersicht) Grundfunktionen von Stromrichtern Einteilung der Stromrichter nach der Art der Kommutierung Netzgeführte Stromrichter Zweipuls-Mittelpunktschaltung (M2) Ohmsche Last Ideale Glättung Allgemeine ohrnsch-induktive Last Gegenspannung im Lastkreis Netzgeführte Kommutierung Wechselrichterbetrieb Wechselrichterkippen Oberschwingungen und Netzrückwirkungen Oberschwingungen auf der Lastseite Ohmsche Last Ideale Glättung Oberschwingungen auf der Netzseite Ohmsche Last Ideale Glättung Netzrückwirkungen Blindleistung und Leistungsfaktor Ohmsche Last Ohmsch-induktive Last Transformator-Auslegung Gleichstrom-Vormagnetisierung M2-Schaltung M3-Schaltung Transformator-Bauleistung Dreipuls-Mittelpunktschaltung (M3) M3-Schaltung mit Netztrafo in Dy-Schaltung M3-Schaltung mit Netztrafo in Yz-Schaltung 78

3 VIII Inhaltsverzeichnis 2.6 Brückenschaltungen Zweipuls-Brückenschaltung (B2) Sechspuls-Brückenschaltung (B6) Gegenüberstellung von Mittelpunkt- und Brückenschaltungen Höherpulsige Schaltungen Sechspuls-Mittelpunktschaltung (M6) Zwölfpuls-Brückenschaltung Zwölfpuls-Saugdrosselschaltung Umkehrstromrichter Kreisstromfreie Gegenparallelschaltung Kreisstrombehaftete Kreuzschaltung H-Schaltung Blindleistungssparende Schaltungen Schaltungen mit Freilaufdiode Halbgesteuerte Sechspuls-Brückenschaltung (B6H) Zu- und Gegenschaltung von Teilstromrichtern B6-Schaltung mit Hilfsthyristoren Halbgesteuerte Zweipuls-Brückenschaltungen (B2H) Folgesteuerung von Teilstromrichtern Löschbare unsymmetrische Brückenschaltungen Sektorsteuerung Löschbare unsymmetrische Brückenschaltung (LUB) Direktumrichter Trapezumrichter Einphasiger Trapezumrichter Mehrphasiger Trapezumrichter Frequenzelastischer Trapezumrichter Steuerumrichter Schaltungsvarianten des Direktumrichters Wähl der Umkehrstromrichter Schaltung der Last Schaltungsvarianten des Umrichters Matrix-Umrichter Frequenzbeschränkung beim Direktumrichter Auslegungskriterien Regelung der direktumrichter-gespeisten Synchronmaschine Stationäres Flußmodell Dynamisches Flußmodell Stromregelkreise Trapezbetrieb Synchronmaschine 187

4 Inhaltsverzeichnis IX 4 Untersynchrone Stromrichterkaskade (USK) Aufbau und Funktion Quasistationäre Regelung der untersynchronen Kaskade Die USK und Netzrückwirkungen Auslegung der untersynchronen Kaskade Asynchronmaschine mit Schleifringläufer Anlaßwiderstand Gleichrichterbrücke Wechselrichterbrücke Zwischenkreisdrossel Blindleistungskompensation Schaltspannungsschutz Vorfluten der Dioden Sonderausführungen Umschaltbare Kaskade Zwölfpulsige Ausführung Schaltungen bei Netzunterbrechungen und Netzumschaltungen Zusammenfassung Stromrichtermotor Prinzipielle Funktion Drehmoment verlauf Einfluß der Zwischenkreisdrossel Erregung der Synchronmaschine Steuerung und Auslegung Lastgeführte Kommutierung Auslegung des Systems Schonzeitregelung der Thyristoren Regelung des Stfomrichtermotors Selbstgeführte Wechselrichter mit eingeprägtem Strom (I-Umrichter) Prinzipielles System verhalten Kommutierung des selbstgeführten Wechselrichters Auslegungsgang beim I-Umrichter mit Phasenfolgelöschung Kritische Betriebszustände Beanspruchung der Umrichterelemente Kommutierungs-Kondensator Thyristoren Dioden Kommutierungsdrosseln, Stufendrosseln Entlastungsschaltungen (TSE-Beschaltungen) Umrichter mit Zusatzschaltung 296

5 X Inhaltsverzeichnis Auslegung der Einspeisung Netzgeführter Stromrichter Zwischenkreisdrossel Auslegung der Asynchronmaschine Betrieb mit Normmotoren Stern- bzw. Dreieckschaltung der Maschine Kleiner Stromhub Beanspruchung der Motorisolation Anwendungsbeispiele Steuer- und Regelverfahren Weiterentwicklungen der selbstgeführten I-Umrichter I-Umrichter mit abschaltbaren Bauelementen Schaltzustände im I-Wechselrichter mit abschaltbaren Bauelementen Schaltentlastung für die GTOs Kommutierungsvorgang Abschließende Bemerkungen Gleichspannungswandler (Gleichstromsteller) Prinzip des Gleichstromstellers (Tiefsetzsteller) Gleichstromsteller mit nicht abschaltbaren Bauelementen Gleichstromsteller-Grundschaltung (Tröger-Schaltung) Sperrspannungsfreie Gleichstromsteller-Schaltung Weitere Schaltungs-Abwandlungen mit Löschkreis Gleichstromsteller mit abschaltbaren Bauelementen Gleichstromsteller-Grundschaltung mit GTO Gleichstromsteller mit GTO und RCD-Beschaltung Schaltung mit zusätzlichem Spannungsbegrenzer Verlustfreie Entlastungsschaltungen nach Boehringer Verlustfreie Entlastungsschaltung (1) nach Boehringer Verlustfreie Auschalt-Entlastung (2) nach Boehringer Verlustfreie Entlastungsschaltung (3) nach Boehringer Verlustfreie Entlastungsschaltung nach Marquardt Zusammenfassung Entlastungsschaltungen Grundlegende Steuerung und Regelung von Gleichstromstellern Puls weitensteuerung Pulsfolgesteuerung Zweipunktregelung des Gleichstromstellers Gleichstromsteller für Ein- und Mehr-Quadrant-Betrieb Motorischer Ein-Quadrant-Betrieb Generatorischer Ein-Quadrant-Betrieb Zwei-Quadrant-Betrieb mit Ankerstromumkehr Zwei-Quadrant-Betrieb mit Ankerspannungsumkehr Vier-Quadrant-Betrieb 402

6 Inhaltsverzeichnis XI 7.6 Leistungsfaktor-Korrektur Weitere Abwandlungen der Gleichstromsteller-Schaltungen Selbstgeführte Wechselrichter mit eingeprägter Spannung (U Umrichter) Einführung Mehrphasige Wechselrichter mit eingeprägter Spannung Grundfrequenztaktung und Drehspannungssystem Spannungssteuerung Kommutierungsschaltungen Pulsverfahren, Pulsweitenmodulation Randbedingungen Zweipunktregelung Pulsweitenmodulation Unterschwingungsverfahren Optimierte Pulsverfahren Pulsweitenmodulation und Übersteuerung U-Umrichter mit variabler Zwischenkreisspannung U-Umrichter mit Gleichstromsteller Ungesteuerte netzseitige Diodenbrücke Gleichstromsteller Wechselrichter Kommutierung des Wechselrichters mit Summenlöschung Netzgeführter Stromrichter als Einspeise-Stellglied Dreipunkt-Wechselrichter Prinzipielle Funktion Pulsweitenmodulation Nullpunkt-Stabilisierung Spannungsbeanspruchung und Leistung Auslegung eines Drehstromantriebs mit Pulswechselrichter Bemessung der frequenzgesteuerten Asynchronmaschine Dimensionierung der Pulswechselrichter Pulsationsmomente Gleichspannungs-Zwischenkreis Eingangsschaltungen und Bremsbetrieb Anwendungsbereiche der Pulswechselrichter Selbstgeführte Thyristor-Wechselrichter mit Phasenlöschung Schaltung und Arbeitsweise Dimensionierung der Schaltung (Übersicht) Grundgleichungen der Kommutierung Kommutierungsbedingung Thermische Belastung der Lastthyristoren Schalt- und Kommutierungsstromverluste Laststromverluste (Durchlaßverluste) 503

7 XII Inhaltsverzeichnis Gesamte Verlustleistung in den Lastthyristoren Bestimmung der Kommutierungselemente Kriterien zur Auswahl der Kommutierungselemente Beschattung von Leistungshalbleitern RCD-Schutzbeschaltung mit Überlaufkondensator Einschaltvorgang Ausschalten großer Lastströme Ausschalten kleiner Lastströme Unsymmetrische Beschaltung Einschaltvorgänge Ausschalten großer positiver Lastströme Ausschalten großer negativer Lastströme Ausschalten kleiner Lastströme Symmetrische Schutzbeschaltung Einschaltvorgang Ausschalten großer Lastströme Ausschalten kleiner Lastströme Vergleich der Schutzbeschaltungen Abschließende Hinweise Auslegungsbeispiel für einen GTO-U-Wechselrichter Einführung Orientierende Festlegung der Zwischenkreisspannung Weiterführende Überlegungen zur Bestimmung der Sperrspannung der Halbleiter Schutzkonzept eines U-Umrichters Orientierende Festlegung des abzuschaltenden Stroms Weiterführende Überlegungen zum abschaltbaren Strom der GTOs und zur Beschaltung Quervergleich der bisherigen Ergebnisse Auslegung des Zwischenkreiskondensators Sicherheitsfaktoren Verluste, Schaltfrequenzen, Kühlung Zusammenfassung Resonant schaltentlastete Wandler Die Zellenstruktur der Gleichspannungswandler Resonante Schaltentlastung: Grundüberlegungen Einführung Nullspannungsschalter (ZVS) Nullstromschalter (ZCS) Quasi-resonante und multi-resonante Wandler Eine Gegenüberstellung Quasi-resonante Zellwandler Die quasi-resonanten Wandlerzellen in der Phasenebene

8 Inhaltsverzeichnis XIII Quasi-Resonant Zero-Voltage-Switching (QR ZVS) Quasi-Resonant Zero-Current-Switching (QR ZCS) Die Gleichungen aller quasi-resonanten Zellen Bewertung der quasi-resonanten Zellen Multi-resonante Zellwandler Die multi-resonante ZVS-Wandlerzelle im Phasenraum Die vier Betriebsmodi Resonante Brückenschaltungen Serien-Parallel-Resonanz-Brückenschaltung Serien-Parallel-Resonanz-Brückenschaltung mit konstanter Schaltfrequenz Analyse resonanter Schaltungen Serien-Resonanz-Wandler Serien-Parallel-Resonanz-Wandler Zusammenfassung resonante Gleichspannungswandler Transient-resonante Gleichspannungswandler Einführung Die transient-resonanten Schalter Transient-resonante Zellwandler Transient-resonante Brückenwandler Dreiphasige resonante Wechselrichter Einführung Der ARCPI (Auxiliary Resonant Commutated Pole Inverter) Der NLRPI (Non Linear Resonant Pole Inverter) Der MACRDCLI (Modified Active Clamped Resonant DC Link Inverter) Der PRDCLI (Parallel Resonant DC Link Inverter) Zusammenfassung resonanter Dreiphasen-Wechselrichter Leistungselektronische Blindleistungs Kompensation Einführung: Verbraucher-Kompensation in Industrienetzen Spannungsstabilisierung in Ubertragungsnetzen Blindleistungsquellen Synchronmaschinen Parallelkondensatoren Serienkondensatoren Dynamische Blindleistungsquellen Sättigbare Drosselspulen Netzgeführte Stromrichter-Stellglieder Thyristor-geschaltete Kondensatoren Thyristor-gesteuerte Drosselspule (TCR) Herkömmliche Steuer- und Regelverfahren Weiterführende Überlegungen Stellglieder Aktive Filter 782

9 XIV Inhaltsverzeichnis 10.8 Flexible AC Transmission Systems (FACTS) Weitere Überlegungen Prädiktive Signalverarbeitung Sondergebiete der Leistungselektronik Nahverkehrs-Antriebe Fernverkehrs-Antriebe Steuerungs- und Regelungs-Anforderungen bei Fahrantrieben Elektronische Betriebsgeräte für Lichtquellen Einführung Lichterzeugung und Gliederung wichtiger Lichtquellen Grundlagen zum Betrieb von Entladungslampen Konventionelle Betriebsgeräte (Vorschaltgeräte) für Entladungslampen Elektronische Betriebsgeräte für Entladungslampen Elektronische Transformatoren für Niedervolt-Halogenglühlampen Simulation von leistungselektronischen Schaltungen 871 Variablenübersicht 878 Literaturverzeichnis 889 Allgemeine Literatur (Bücher) 889 Netzgeführte Stromrichter 893 Direktumrichter 898 Untersynchrone Kaskade 901 Stromrichtermotor 903 I-Umrichter Gleichspannungswandler 910 Leistungsfaktor-Korrektur 912 Entlastungsschaltungen 912 U-Umrichter. 916 Dreipunkt-Wechselrichter ; 925 Resonant schaltentlastete Wandler 927 Spannungsstabilisierung 932 Aktive Filter 936 FACTS 937 Traktions-Antriebe 939 Elektronische Betriebsgeräte für Lichtquellen 946 Simulation von leistungselektronischen Schaltungen 948 Sachverzeichnis 951