Leistungselektronik. dulh. Systematische Darstellung und Anwendungen in der elektrischen Antriebstechnik. Gert Hagmann

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1 Gert Hagmann Leistungselektronik Systematische Darstellung und Anwendungen in der elektrischen Antriebstechnik Mit 216 Abbildungen, Aufgaben mit Lösungen und Lösungswegen 2., überarbeitete Auflage dulh v< >,< AU LA-Verlag Wiesbaden

2 1 Einfuhrung 1 2 Leistungs-Halbleiterbauelemente Einfuhrung in die Physik der Halbleiter Eigenleitung Störstellenleitung Der PN-Übergang Sperrichtung Durchlaßrichtung Dioden Aufbau und Wirkungsweise Strom-Spannungs-Kennluiie Schaltverhalten von Dioden Einschaltvorgang Ausschaltvorgang Bipolare Leistungstransistoren Aufbau und Wirkungsweise Der Transistor als Schalter Schaltverhalten eines Transistors Einschaltvorgang Ausschaltvorgang Transistoren in Darlington-Schaltung Feldeffekt-Leistungstransistoren Aufbau und Wirkungsweise Schaltverhalten von Leistungs-Feldeffekttransistoren Bipolare Transistoren mit isoliertem Steueranschluß (IGBTs) Aufbau und Wirkungsweise Schaltverhalten Thyristoren 28

3 2.6.1 Aulbau und Wirkungsweise Schaltverhalten von Thyristoren Kritische Stromsteilheit Kritische Spannungssteilheit Einschaltvorgang Ausschaltvorgang Zündung von Thyristoren - Phasenanschnittsteuerung Thyristorarten Zweirichtungs-Thyristören (Triac, Diac) Asymmetrisch sperrender Thyristor (ASCR) Rückwärtsleitender Thyristor Abschaltbarer Thyristor (GTO-Thyristor) Aufbau und Arbeitsweise Schaltverhalten MOS-gesteuerter Thyristor (MCT) Intelligente Leistungshalbleiter (Smart-Power-Elemente) Gehäuseformen von Leistungshalbleitem Thermisches Verhalten von Leistungshalbleitern Entstehung der Verlustleistungen Abführung der Verlustleistungen - thermische Ersatzschaltung Kühlung Schutz von Leistungshalbleitem Überstromschutz Überspannungsschutz Reihen- und Parallelschaltung von Leistungshalbleitem Reihenschaltung Parallelschaltung 63 3 Netzgeführte Stromrichter Zweipuls-Mittelpunktschaltung Ohmsche Belastung Glättung der Gleichspannung durch einen Kondensator Glättung de s Gleichstrome s durch eine Drosselspule Bauleistung des Transformators Die gesteuerte Schaltung 75

4 EX Wechselrichterbetrieb Kommutierung Gleichspannungsänderung bei Belastung Steuerwinkelgrenzwert beim Wechselrichterbetrieb Steuerblindleistung und Verzerrungsleistung Kommutierungsblindleistung Bemessung der Induktivität der Glättungsdrossei Lückbetrieb Zweipuls-Brückenschalfung Vollgesteuerte Schaltung Halbgesteuerte Schaltung Dreipuls-Mittelpunktschaltung Aufbau und Betrieb bei Vollaussteuerung Betrieb bei Teilaussteuerung Berücksichtigung der Kommutierungsinduktivitäten Sechspuls-Brückenschaltung Aufbau und Funktion Die halbgesteuerte Sechspuls-Brückenschaltung Zwölfpuls-Schaltungen Schaltungen mit verminderter Blindleistungsaufhahme Schaltungen mit Freilaufdiode Folgesteuerung Umkehrstromrichter Kreis strombehaftete Gegenparalklschaltung Kreuzschaltung Kreis sttomfreierumkehrstromrichter Netzgefuhrte Direktumrichter Netzrückwirkungen Grundschwingungs-BIindleistung Stromoberschwingungen Spannungsoberschwingungen Elektromagnetische Beeinflussung Wechsel- und Drehstromschalter und -steller Wechsel-und Drehstromschalter 177

5 X Inhalt Wechselstromschalter Drehstromschalter 4.2 Wechsel- und Drehstromsteller I Wechselstromsteller mit Phasenanschnittsteuerung Blindleistungsverhalten des phasenanschnittgesteuerten Wechselstromstellers PhasenabSchnittsteuerung, Sektorsteuerung Wechselstromsteller mit Schwingungspaketsteuerung Drehstromsteller Selbstgeführte Stromrichter Thyristor-Löschung durch Anwendung von Löschschaltungen Gleichstromsteller 1" Tiefsetz-Gleichstromsteller Hochsetz-Gleichstromsteller Hochsetz-Tiefsetz-Gleichstromsteller Umkehrung der Energierichtung Vierquadranten-Gleichstromsteller Selbstgefuhrte Wechselrichter Spannungs-Wechselrichter Einphasiger Spannungs-Wechselrichter Dreiphasiger Spannungs-Wechselrichter Einphasiger Spannungs-Wechselrichter mit sinusbewerteter Pulsbreitensteuerung Dreiphasiger Spannungs-Wechselrichter mit sinusbewerteter Pulsbreitensteuerung Dreiphasiger Spannungs-Wechselrichter mit Dreipunktverhalten Strom-Wechselrichter Dreiphasiger Strom-Wechselrichter mit abschaltbaren Leistungshalbleitern Dreiphasiger Strom-Wechselrichter mit konventionellen Thyristoren Strom-Pulswechselrichter Zwischenkreis-Wechselstromumrichter Wechselstromumrichter mit Gleichspannungs- Zwischenkreis l79 235

6 XI Wechselstromumrichter mit Gleichstrom-Zwischenkreis Zwischenkreis-Gleichstromumrichter Durchflußwandler Sperrwandler Netzparallel betriebene selbstgefuhrte Stromrichter Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler mit smusfbrmigem Eingangsstrom Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler mit sinusförmigem Ausgangsstrom Wechselstrom-Gleichstrom- und Gleichstrom- Wechselstrom-Wandler mit sinusförmigem Netzstrom Blindleistungsstromrichter Netzspannungsstabilisierung Schaltungen mit eingeprägtem Gleichstrom Lastgeführte Wechselrichter Parallelschwingkreis-Wechselrichter Reihenschwingkreis-Wechselrichter Masclimengeführter Wechselrichter (Stromrichtermotor) Resonanzstromrichter Schwingkreiswechselrichter Allgemeines Schwingkreiswechselrichter mit abschaltbaren Leistungshalbleitern Leistungsverstelhing bei Schwingkreiswechselrichtern Quasiresonanzstromrichter Allgemeines Schaltverluste in selbstgefuhrten Stromrichtern Quasiresonanz-Grundschaltungen Quasiresonanz-Stromrichterschaltungen Stromrichteranwendungen in der elektrischen Antriebstechnik Gleichstromantriebe Schaltungsaufbau und Betriebsverhalten der fremderregten, stromrichtergespeisten Gleichstrommaschine 304

7 8.1.2 Drehzahlgeregelter Gleichstromantrieb mit fremderregter Gleichstrommaschine Gleichstromantrieb mit Reihenschlußmaschine Reihenschlußmotor mit Wechselstromsteller Drehstromantriebe Synchron- und Asynchronmaschiue Synchronmaschine Asynchronmaschine Drehzahl Verstellung durch Wechselstromumrichter (Frequenzumrichter) Raumzeiger-Modulation (Vektor-Modulation) Kennlinien-Steuerung Flußsteuerung Feldorientierte Regelung Schlupfkompensation Überstromschutz Drehzahlverstellung durch Steuerung der Ständerspannung Die untersynchrone Stromrichterkaskade Doppeltgespeiste ScMeifringläuferrnaschine Elektronisch kommutierte Maschine (Elektronikmotor) Aufbau und Arbeitsweise Unipolare und bipolare Ansteuerung Läuferlage-Gebersysteme Steuerverfahren und Betriebsverhalten Schrittmotoren Aufbau und Arbeitsweise Vollschrittbetrieb, Halbschrittbetrieb, Mütroschrittbetrieb Unipolare und bipolare Ansteuerung Strangzahlen und Polpaarzahlen von Schrittmotoren Ausfuhrungsformen (Bauformen) Steuerung von Schrittmotoren 344 Verzeichnis der wichtigsten Symbole 347 Literatur 351 Sachverzeichnis 360