2 Übersicht zu Stromrichtern

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1 2 Übersich zu Sromrichern 2.1 Ideale Venile In der Leisungselekronik eingeseze Venile haben grundsäzlich zwei Aufgaben. Ersens schalen sie den Srom ein und aus und zweiens wirken sie wie ein Venil, d.h., sie lassen den Srom nur in einer Richung durch. Ergänzend komm noch die Seuermöglichkei hinzu. Hier gib es wiederum zwei unerschiedliche Wirkungs weisen. Ersens kann der Einschalpunk durch einen Seuerimpuls zeilich geseuer werden. Lieg ein Seuersignal an der Seuerelekrode (z.b. Gae) und posiive Spannung zwischen Anode und Kahode, schale das Venil ein. Der Übergangswidersand wird fas Null. Das Ausschalen erfolg auomaisch bei einer Spannungsdifferenz zwischen Anode und Kahode kleiner Null. Der Übergangswidersand wird sehr groß. Zweiens wird sowohl das Einschalen als auch das Ausschalen durch einen Impuls am Gae eingeleie. Da in den Simulaionsbeispielen die Eigenschafen von Nezwerken unersuch werden, können bei dieser Simulaionsiefe Venile mi idealem Schalverhalen angenommen werden. Sie haben dann keine Innenwidersände und sind somi in ihrem Schalverhalen verlusfrei. Bei Verlusberachungen müssen die Innenwidersände der Schalelemene berücksichig werden. Je nach Fragesellung führen enweder einfachere oder aufwendigere Simulaionen zum Ziel. Der Ingenieur muss den echnisch und wirschaflich sinnvollsen Ansaz finden. 2.2 Mechanische Schaler Diese Schaler sind hier nur zum Vergleich mi den Halbleiervenilen aufgeführ. Sie können als veränderliche ohmsche Widersände mi zwei Zusänden aufgefass werden. Enweder sind ihre Widersände bei offenem Schaler sehr groß oder sie sind bei geschlossenem Schaler fas Null. Geöffne isolieren sie sowohl posi ive als auch negaive Sperrspannungen. Geschlossen leien sie den Srom unabhängig von seiner Richung. Sie sperren oder leien im Gegensaz zu den Halbleiervenilen je nach Schalzusand in beiden Spannungsrichungen. Sie haben also keine Venilwirkung. Die Fläche der Srom-Spannungs-Kennlinie in Bild 2.1 is ein Maß für die Schalleisung. Sie wird aus dem Produk des maximalen Durchlasssromes und der maximalen Sperrspannung besimm. Of müssen maximale Leisungsgrenzen vorgesehen werden, so dass sich an den Ecken der Grenzkennlinien hyperbolische Einschnie ergeben. Mechanische Schaler rennen im geöffneen Zu-

2 2.3 Halbleierschaler 37 sand die meallische Verbindung. Das ermöglich eine sichere Arbei im abgeschaleen Zusand. Die Schaler haben je nach Größe der bewegen Massen eine gewisse Träghei. Sie können deswegen nich mi hohen Schalfrequenzen arbeien. Außerdem sind die mechanischen Teile verschleißanfällig. I U Bild 2.1: Mechanischer Schaler 2.3 Halbleierschaler Es gib ungeseuere und geseuere Halbleierschaler. Lezere können durch Zündimpulse über ihr Gae eingeschale werden, wenn gleichzeiig die Spannung über der Anode zur Kahode posiiv is. Sie arbeien in der Regel richungs abhängig. Man nenn sie deswegen auch Venile. Nichabschalbare Venile werden durch einen Sromnulldurchgang ausgeschale, der durch den äußeren Schalkreis erzwungen wird. Ferner muss sichergesell werden, dass der Spannungsabfall am Venil für einige Zei negaiv wird, bis Resladungsräger abgeflossen sind. Die dazu benöige Zeispanne, die Freiwerdezei q, muss überschrien werden. Aus Sicherheisgründen wird eine Schonzei c größer als q vorgesehen, bevor die Spannung am Venil ü- ber Anode und Kahode wieder pos iiv werden darf. Die Schonzei c wird durch den Schalungsaufbau vorgegeben, während die Freiwerdezei baueilabhängig is. Sie folg aus den Unerlagen des Hersellers. Abschalbare Venile dagegen benöigen zusäzlich einen zweien Seuerimpuls und dami eine zweie Seuerelekrode zum Ausschalen Nich abschalbare Venile Dioden sind nich seuerbare, nich abschalbare Halbleierschaler. Während die Ein- und Ausschalzeipunke mechanischer Schaler willkürlich von außen vor gegeben werden, schalen Dioden spannungsabhängig. Sie schalen ein, wenn die

3 38 2 Übersich zu Sromrichern Spannung in Richung von Anode A nach Kahode K posiiv wird und schalen bei engegengesezer Spannung aus. Sie lassen Srom nur in einer Richung durch; sie arbeien richungsabhängig. Sie rennen die Leiungen beim Abschalen nich galvanisch. A K Bild 2.2: Ideale Diodenkennlinie Thyrisoren sind seuerbare Halbleierschaler. Sie werden durch Seuerimpulse über ihr Gae G eingeschale. Das funkionier nur, wenn die Spannung in Richung von der Anode zur Kahode posiiv is. Das Ausschalen erfolg beim Nulldurchgang des Lassroms. Das schränk ihre Anwendungen ein. Im abgeschaleen Zusand können sie sowohl posiive Sperrspannungen U T als auch negaive Sperrspanungen U R aufnehmen, wenn der Halbleier ladungsfrei is. Um das zu erreichen, muss für eine ge wisse Schonzei q > c über dem Venil eine ne gaive Sperrspannung anliegen, dami die Resladungen als Rücksrom abgeleie werden können. Die Einhalung der Freiwerdezei c muss durch den Schalungs aufbau gewährleise sein. A K G Bild 2.3: Ideale Thyrisorkennlinie

4 2.3 Halbleierschaler Abschalbare Venile Zu den abschalbaren Venilen gehören Halbleiervenile mi unerschiedlichen Eigenschafen hinsichlich Schalleisung, Durchlasssrom, Sperrspannung und Schalfrequenz. A K E i n A u s Zu ihnen zählen: GTO (Gae Turn Off Thyrisor) Bild 2.4: Ideale abschalbare Venile IGBT (Insulaed Gae Bipolar Transisor) BJT (Bipolar Juncion Transisor) MOSFET (Meall Oxide Semiconducor Field Effec Transisor) Da wegen der Idealisierung des Schalverhalens die Innenwidersände vernachlässig werden, schalen die Venile ohne Schal- und Durchlassverluse. Da sie keine bewegen Massen besizen, is die Schalzei minimal. Sie werden haupsächlich beim Schalen von Gleichsromkreisen verwende, da hier der für den Abschalvorgang der Thyrisoren nowendige Sromnulldurchgang meis nich einri. Bei sehr großen Leisungen werden in diesem Bereich noch Thyrisoren mi be sonderen Lösch-Schalungen zum Erzwingen des Sromnulldurchgangs eingesez. Schalbedingungen geseuerer Venile: Einschalbedingung 1. Es muss eine posiive Sperrspannung vorhanden sein. 2. Es muss ein posiiver Zündimpuls am Gae liegen. Ausschalbedingung 1. Sromnulldurchgang bei nich abschalbaren Venilen 2. Zündimpuls bei abschalbaren Venilen

5 40 2 Übersich zu Sromrichern 2.4 Reale Venile Die Srom-Spannungs-Kennlinie des Thyrisors in Bild 2.5 zeig das reale Schalverhalen eines Venils. Im leienden Zusand is die Durchlasskennlinie geneig. Der Innenwidersand des Halbleiers besimm diese Neigung und dami die Durchlassverluse. Am Venil fäll die Durchlassspannung U T ab. Im Sperrzusand fließen in beiden Richungen negaive Sperrsröme. Dies sind I R bei negaiver Sperrspannung U R und I T bei posiiver Sperrspannung U T. Bild 2.5: Realer Thyrisor Leisungsvergleich Ideale Schaler sind definiionsgemäß verluslos, während im realen Berieb die Schalelemene ihre Schal- und Durchlassverluse (Bild 2.6) durch ensprechende Kühlung an die Umgebung abführen müssen. Schalverluse sind proporional zur Schalfrequenz und besizen hohe Scheielwere. Deswegen müssen zwischen den Schalhandlungen Erholungszeien für ausreichende Kühlung liegen. Dadurch wird die maximale Schalfrequenz begrenz. Zunehmend gib es wegen der hohen Schalfrequenzen Probleme bezüglich der elekromagneischen Verräglichkei (EMV).

6 2.5 Sromricherfunkionen 41 Schalsignale Schalsignale u i i uv u i i uv p pv = 0 pv Schalverluse Durchlassverluse Bild 2.6: Verluslose und verlusbehafee Venile Tabelle 2.1: Abschalbare Venile Venile Grenzen Schalverzögerung MOSFET IGBT GTO U DS = 1000 V bei i D = 15 A U DS = 50 V bei i D = 250 A U CE = 1600 V i C = 1200 A U AK = 4500 V i A = 3000 A Minimale Pulsweie Einsazbereich 0,05..0,5 µs 0,5...2 µs hohe Schalfrequenzen bis 1 MHz, Schalleisung bis 10 kva 0,4...1,2 µs 2..5 µs milere Schalleisung, milere Fre quenzen µs µs hohe Schalleisung, niedrige Fre quenzen, hoher Beschalungsaufwand 2.5 Sromricherfunkionen Leisungselekronische Syseme besehen aus einer elekrischen Quelle und einer Las. Ein leisungselekronischer Kreis enhäl Schaler, Speicher und Seuerkreise. Elekrische Energie wird zwischen Erzeuger und Verbraucher ausgeausch (Bild 2.7). Sie können zeiabhängig ihre Rollen verauschen. Ein Moor kann z.b. Bremsenergie ins Nez zurückspeisen und wird dann zum Erzeuger, also zum Generaor. Trägermedium der Energie sind Wechselspannung und Wechselsrom. Es gehör zur Aufgabe der Sromricher, den Energieräger sowohl in der Ampliude als auch in der Frequenz variabel passend für die jeweilige Anforderung berei zusellen. Die Frequenz der Gleichspannung mi f = 0 Hz is in diesem Zusammenhang nur ein Sonderfall. Der Gleichricher is also ein spezieller Sromricher mi der Ausgangsfrequenz f = 0 Hz.

7 42 2 Übersich zu Sromrichern Zu den wichigsen Anwendungsbereichen der Sromricher gehören: Speisung drehzahlvariabler Gleichsromanriebe Speisung drehzahlvariabler Drehsromanriebe mi Synchron- oder Asynchronmaschinen Versorgung von Inselnezen (Bordneze) Bereisellung einer unerbrechungsfreien Sromversorgung durch USV-Anlagen Energieüberragung Hochspannungs-Gleichsromüberragung (HGÜ); Vermeidung von Wechselspannungs-Überragungsverlusen bei großen Enfernungen Nezkurzkupplung (zwischen Nezen unerschiedlicher Sabiliä und Frequenz) Versorgung von allgemeinen Wechselsromlasen (Lausprecher durch geschalee Leisungsversärker oder Lichbogensrecken von Schweißanlagen) Einspeisung regeneraiver Energie (Foovolaik; Windgeneraoren) kurzzeiige Energiespeicherung (Akkumukaoren) Blindleisungskompensaion (dynamische Kompensaionsanlagen) Bild 2.7: Sromricherfunkionen Gleichricher Sie arbeien am Wechselspannungsnez (einphasig) oder am Drehsromnez (dreiphasig). Ungeseuere Venile, wie Dioden, formen den Effekivwer der Wechselspannung U S in einen konsanen Gleichspannungsmielwer U d um. Die Eingangsfrequenz f 1 = f Nez wird in die Ausgangsfrequenz f 2 = 0 umgeform. Geseuere Venile, wie Thyrisoren, erzeugen zusäzlich am Ausgang eine geseuere Gleichspannung U dα, deren Berag ses kleiner als die ungeseuere Gleichspannung U d is. Bei ungeseueren Gleichrichern is U d = U dα (α = 0 ). Man sprich dann von Vollseuerung.

8 2.5 Sromricherfunkionen Wechselricher Sie formen die Energie eines Gleichsromnezes der Frequenz f 1 = 0 und der Spannung U d in die Spannung U S mi der Frequenz f 2 = f Nez um, wenn es sich um einen nezgeführen Wechselricher handel. Ein selbsgeführer Wechselricher kann im Unerschied zum nezgeführen Wechselricher jede beliebige Ausgangsfrequenz f 2 abgeben. Bei der Nezführung synchronisieren sich die Zündimpulse mi dem Tak der Nezfrequenz. Bei der Selbsführung gib eine einsellbaren Takfrequenzquelle (Quarz) die Zündimpulse vor Gleichsromumricher (Gleichsromseller) Sie formen eine konsane Gleichspannung U d1 in eine veränderbare Gleic hspannung U d2 U d1 um Wechselsromseller Sie formen eine Wechselspannung U 1 der Frequenz f 1 in eine Wechselspannung U 2 < U 1 mi f 2 = f 1 um. Sie werden in einphasiger Ausführung als Wechselsromseller und in dreiphasiger Ausführung als Drehsromseller bezeichne Frequenzumricher Sie formen als Direkumricher eine Wechselspannung U 1 der Frequenz f 1 in eine Wechselspannung U 2 der Frequenz f 2 um, mi der Bedingung, dass f 2 << f 1 is. Als Zwischenkreisumricher enkoppeln sie Wechselspannungsneze über Gleichspannungs- oder Gleichsromzwischenkreise. Sie formen die Spannung U 1 der Frequenz f 1 in eine beliebige Spannung U 2 der Frequenz f 2 um. Zur Drehzahlregelung elekrischer Anriebe werden häufig Spannungszwischenkreisumricher mi gepulser Ausgangsspannung, sogenanne Pulsumricher eingesez. Bei Maschinen großer Leisung werden Sromzwischenkreisumricher verwende (Sromrichermoor).