Leistungselektronische Schaltungen

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1 Leistungselektronische Schaltungen

2 Dierk Schröder Rainer Marquardt Hrsg. Leistungselektronische Schaltungen Funktion, Auslegung und Anwendung 4., aktualisierte und erweiterte Auflage

3 Hrsg. Dierk Schröder Technische Universität München München, Deutschland Rainer Marquardt Universität der Bundeswehr München Institut für Elektrische Antriebstechnik Neubiberg, Deutschland ISBN ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 1998, 2008, 2012, 2019 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Springer Vieweg ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer-Verlag GmbH, DE und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, Berlin, Germany

4 Vorwort 4. Auflage Die Bedeutung der Leistungselektronik für fast alle Bereiche der Industrie, der Energieversorgung, der Mobilität und der Kommunikationstechnik hat weiter zugenommen. Viele neue Anwendungsfelder sind in den letzten Jahren erschlossen worden, welche auf Grund extrem hoher Anforderungen - wie Funktionale Sicherheit oder widrige Umweltbedingungen - noch vor wenigen Jahren als ungeeignet oder unerreichbar galten. Die Grundlagen der Leistungselektronik, ihre Funktionsweise und ihre technischen Möglichkeiten zu verstehen, ist inzwischen auch für Ingenieure anderer Fachgebiete erforderlich geworden. Ziel dieser 4. Auflage des vorliegenden Buches ist es, weiterhin diese Grundlagen zu vermitteln - jedoch auch die aktuellen Entwicklungstendenzen und Anwendungen aufzunehmen. Es soll hier nicht verschwiegen werden, dass der bereits große Umfang des Buches und der zweifellos hohe Wert der Vollständigkeit und Genauigkeit des Inhaltes einige schwierige Entscheidungen verlangten: Die notwendigen Kürzungen und Straffungen wurden daher auf die Schaltungen und technischen Verfahren beschränkt, welche in absehbarer Zukunft keine Anwendung mehr finden werden. Das Kapitel Elektronische Betriebsgeräte für Lichtquellen ist durch den Siegeszug der LED-Technik entbehrlich geworden, weil die Grundlagen der zugehörigen Schaltungstechnik durch (PFC-Schaltungen und Gleichstromsteller) in anderen Kapiteln erläutert werden. Die Thematik der netzgeführten Stromrichter war hingegen schwieriger zu entscheiden: Einerseits hat diese Technik noch Bedeutung, neue Anwendungen werden jedoch nicht mehr erschlossen. Für die verbliebenen Anwendungsfelder (Großantriebe und HGÜ) sind inzwischen selbstgeführte Umrichter in IGBT-Technik (Mehrpunkt-Umrichter, MMC) industriell gut realisierbar. Die entsprechenden Umrichter, sowie die zugehörigen Steuer- und Regelungsverfahren werden deshalb ausführlicher dargestellt. Die technisch überlegenen Eigenschaften dieser Umrichter (siehe Kapitel 8.5.9) haben dazu geführt, dass auch der Leistungsbereich bis zu mehreren Gigawatt nicht mehr für Thyristoren reserviert ist. Aus diesen Gründen wurden die historisch gewachsenen, mannigfaltigen Schaltungen der netzgeführten Stromrichter und Direktumrichter gekürzt, jedoch die grundlegenden Schaltungen weiterhin erläutert. Ein weiteres Themenfeld mit abnehmender Bedeutung sind die Beschaltungs- Netzwerke der Halbleiter, inklusive der resonanten Wechselrichter für Antriebe. Hier wurde ebenfalls so verfahren, dass die Funktionsweise an Hand grundlegender Schaltungen dargestellt wird, jedoch einige historisch bedingte Schaltungsvarianten entfallen sind. Im Gegensatz zu den Antriebsanwendungen

5 VI Vorwort 4. Auflage haben resonant schaltentlastete Wandler eine große Bedeutung für Schaltnetzteile, weshalb die ausführlichen Grundlagenkapitel beibehalten wurden. Bauelemente auf Basis neuartiger Halbleitermaterialien (SiC und GaN) beginnen die hochentwickelten Silizium-Leistungshalbleiter zu ergänzen. Gallium-Nitrid bietet insbesondere höchste Schaltfrequenzen und gute Optionen zur Integration der Steuerungselektronik. Auf Grund der lateralen Strukturen ist der technisch gut erreichbare Spannungsbereich jedoch auf ca V begrenzt. Zukünftige Stromversorgungs-Anwendungen (PFC-Schaltungen, DC/DC-Wandler und wireless power) werden von diesen Eigenschaften profitieren. Es wird ebenso erwartet, dass der Ersatz konventioneller Netztransformatoren durch elektronisch steuerbare Solid State Transformer von den möglich gewordenen, hohen Schaltfrequenzen befördert wird. Schaltungstechnik gewinnen resonante Topologien hier wieder an Bedeutung (siehe Kapitel 9). Für Bauelemente auf Silizium-Carbid-Basis werden höhere Sperrspannungen bis ca. 6,5kV technisch/wirtschaftlich möglich werden. Hier ist es bisher nicht absehbar in welchen Anwendungen sie sich gegen die weiter optimierten Hochvolt-IGBT (Feldstop, Trench-Gate, RC) werden durchsetzen können. Erste Anwendungen im Bereich der Antriebs-Stromrichter (U-Umrichter) zeichnen sich ab. Die möglichen, höheren Schaltfrequenzen sind jedoch hier nicht so entscheidend oder vorteilhaft - die hohen Spannungssteilheiten zudem kritisch (siehe Kap. 8.12). Ich danke allen Autoren für ihre Bereitschaft neueste Erkenntnisse in das Buch einzubringen. Herrn Professor Silber, Bremen, Herrn Professor Steimel, Bochum, sowie vielen in diesem Fachgebiet Tätigen, danke ich für die konstruktiven Gespräche und wertvollen Hinweise. Herrn Professor Marquardt, München danke ich für die Aktualisierung der vorliegenden Neuauflage und seine Bereitschaft diese Aufgabe auch zukünftig zu übernehmen. München, im Herbst 2018 Prof. Dierk Schröder und Prof. Rainer Marquardt

6 Vorwort 1. Auflage Mit dem Lehrbuch Elektrische Antriebe 4, Leistungselektronische Schaltungen liegt das vierte Buch der Reihe Elektrische Antriebe vor. Dieser Band baut auf dem Buch Elektrische Antriebe 1, Grundlagen auf. In Band 1 wurden unter anderem phänomenologische Vorstellungen der verschiedenen Stromrichter-Stellglieder und damit ihrer grundsätzlichen Funktion gegeben. Außerdem wurden auch die Abwandlungen der Stromrichterschaltungen aufgrund der historisch bedingten Verfügbarkeit der Leistungshalbleiter dargestellt. Um in dem vorliegenden Band eine geschlossene Vorstellung des Gebiets der Stromrichterschaltungen zu erhalten, wird jeweils zu Beginn für jede Schaltungsart die phänomenologische Vorstellung des ersten Buchs mit aufgenommen und um die mathematischen Zusammenhänge erweitert. Damit ist eine solide Basis gegeben, um die in den Lehrbüchern und in der Literatur im allgemeinen nur angedeutete Auslegung von Stromrichterschaltungen ausführlich zu erläutern; dies ist der erste Schwerpunkt dieses Bandes. Bei der Auslegung von Stromrichter Stellgliedern wird ein zutiefst ingenieurtypisches Vorgehen verlangt, das hohe Anforderungen an den verantwortlichen Ingenieur stellt. Die hohen Anforderungen sind bedingt durch die Forderungen, erstens eine jahrelange einwandfreie Funktion sicherzustellen, zweitens eine wirtschaftlich konkurrenzfähige Lösung zu finden und drittens zu beachten, daß nicht alle Anforderungen und Randbedingungen sowie die kombinatorischen Streuungen genau bekannt sind. Ich bin deshalb überzeugt, daß eine Einführung in die Auslegung von Stromrichterschaltungen in einem Lehrbuch und Nachschlage Handbuch zwingend notwendig ist. In diesem Zusammenhang möchte ich mich bei ehemaligen Mitarbeitern in der Industrie bedanken, die mir sehr bei der Realisierung dieses angestrebten Zieles geholfen haben. Der zweite Schwerpunkt dieses Buches sind Schaltungsvarianten wie die resonanten Schaltungstopologien, die insbesondere bei speziellen Anforderungen wie sie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt bestehen ihre Bedeutung haben. Eine weitere Aufgabe ist die Darstellung von Stromrichterschaltungen sowie deren Steuerung und Regelung für die Kompensation von Netzrückwirkungen oder die Verbesserung der Energieübertragung mittels FACTS.

7 VIII Vorwort 1. Auflage Das Gelingen eines Buches mit der gewünschten Zielsetzung ist ein sehr komplexes Vorhaben, und ich möchte mich bei meinen wissenschaftlichen Mitarbeitern hier insbesondere Herrn Akad. Direktor Dipl.-Ing. G. Hoffstätter für ihre Unterstützung bei der Erstellung des Bandes bedanken. Meiner Familie danke ich sehr für ihr Verständnis und ihre Unterstützung bei diesem Vorhaben. Dem Leser wünsche ich viel Freude beim Studium dieses Buches und bitte, Tippfehler anzumerken und mir Hinweise für Verbesserungen des komplexen Themas zu geben, vielen Dank. München, im Herbst 1997 Dierk Schröder

8 1 Leistungselektronische Umformer (Grundlagen) Einteilung der Stromrichter nach der Art der Kommutierung Netzgeführte Stromrichter Zweipuls Mittelpunktschaltung (M2 Schaltung) Ohmsche Last Ideale Glättung Allgemeine ohmsch 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 Brückenschaltungen

9 X Zweipuls Brückenschaltung (B2 Schaltung) Sechspuls Brückenschaltung (B6 Schaltung) Gegenüberstellung von Mittelpunkt- und Brückenschaltungen Höherpulsige Schaltungen Sechspuls Mittelpunktschaltung (M6 Schaltung) Zwölfpuls Brückenschaltung Zwölfpuls Saugdrosselschaltung Höchstleistungs-Stellglieder, Beurteilungs-Kriterien Umkehrstromrichter Kreisstromfreie Gegenparallelschaltung Kreisstrombehaftete Kreuzschaltung H Schaltung Blindleistungssparende Schaltungen Schaltungen mit Freilaufdiode Halbgesteuerte Sechspuls Brückenschaltung (B6H Schaltung) Zu- und Gegenschaltung von Teilstromrichtern B6 Schaltung mit Hilfsthyristoren Halbgesteuerte Zweipuls Brückenschaltungen (B2H Schaltung) Folgesteuerung von Teilstromrichtern Sektorsteuerung Direktumrichter Trapezumrichter Einphasiger Trapezumrichter Mehrphasiger Trapezumrichter Frequenzelastischer Trapezumrichter Steuerumrichter Frequenzbeschränkung beim Direktumrichter Auslegungskriterien Regelung der direktumrichter gespeisten Synchronmaschine Stationäres Flußmodell Dynamisches Flußmodell Stromregelkreise Trapezbetrieb Synchronmaschine Direktumrichter mit abschaltbaren Halbleitern Matrixkonverter Prof. Dr. J. W. Kolar, Dr. F. Schafmeister, ETH Zürich Einleitung Konzepte dreiphasiger AC/AC Konverterschaltungen AC/AC Konverter mit Zwischenspeicher AC/AC Matrixkonverter Klassifizierung AC/AC Konverter mit Spannungszwischenkreis

10 XI Grundfunktion Spannungskonversion und Raumzeigermodulation Stromkonversion Funktions Ersatzschaltbild AC/AC Konverter mit Stromzwischenkreis Grundfunktion Stromkonversion und Raumzeigermodulation Spannungskonversion Funktions Ersatzschaltbild AC/AC Umrichter mit Spannungszwischenkreis ohne Energiespeicher Grundfunktion Spannungsübersetzungsverhältnis Indirekter Matrixkonverter Ableitung der Schaltungsstruktur Spannungs- und Stromkonversion Raumzeigermodulation Funktions Ersatzschaltbild Vereinfachte Schaltungstopologien indirekter Matrixkonverter Sparse Matrix Converter Ultra-Sparse Matrix Converter Very-Sparse Matrix Converter Direkter Matrixkonverter Grundfunktion Schaltzustände Rotierende Strom- und Spannungsraumzeiger Feststehende Strom- und Spannungsraumzeiger Relation der Schaltzustände von CMC und IMC Raumzeigermodulation des CMC Mehrschrittkommutierung des CMC Erweiterungen der Matrixkonverter-Grundstrukturen Indirekte Dreipunkt-Matrixkonverter IMC mit nach Eingangsphasen getrennten Zwischenkreisen Matrixkonverter in Vollbrückenschaltung Hybride Matrixkonverter Diskussion Ausgangsspannungsbereich und Betriebseigenschaften Modulation Kommutierung Zwischenkreiskondensator und Ride-through EMV-Filter Verluste und Effizienz Komplexität der Schaltung und Realisierungsaufwand Kühlung und Baugrösse

11 XII Regelung Stillstand und Gleichheit von Ein- und Ausgangsfrequenz Ausblick 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 Drehmomentverlauf Einfluß der Zwischenkreisdrossel Erregung der Synchronmaschine Steuerung und Auslegung Lastgeführte Kommutierung Auslegung des Systems Schonzeitregelung der Thyristoren Regelung des Stromrichtermotors Ausführungsbeispiel Selbstgeführte Wechselrichter mit eingeprägtem Strom (I Umrichter) Prinzipielles Systemverhalten Kommutierung des selbstgeführten Wechselrichters Auslegungsgang beim I Umrichter mit Phasenfolgelöschung Kritische Betriebszustände Beanspruchung der Umrichterelemente Kommutierungs Kondensator

12 XIII Thyristoren Dioden Kommutierungsdrosseln, Stufendrosseln Entlastungsschaltungen (TSE Beschaltungen) Umrichter mit Zusatzschaltung 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 blockierfähige GTOs Kommutierungsvorgang Abschließende Bemerkungen Gleichspannungswandler (Gleichstromsteller) Prinzip des Gleichspannungswandlers (Tiefsetzsteller) Gleichspannungswandler mit nicht abschaltbaren Bauelementen Gleichspannungswandler Grundschaltung (Tröger Schaltung) Sperrspannungsfreie Gleichspannungswandler Schaltung Weitere Schaltungs Abwandlungen mit Löschkreis Gleichspannungswandler mit abschaltbaren Bauelementen Gleichspannungswandler Grundschaltung mit GCT/GTO Gleichspannungswandler mit GTO und RCD Beschaltung Schaltung mit zusätzlichem Spannungsbegrenzer Verlustfreie Entlastungsschaltung nach Marquardt Zusammenfassung Entlastungsschaltungen Grundlegende Steuerung und Regelung von Gleichspannungswandlern Pulsweitensteuerung Pulsfolgesteuerung Zweipunktregelung des Gleichspannungswandlers Gleichstromstellerschaltungen für Ein- und Mehr-Quadrant-Betrieb Motorischer Ein Quadrant Betrieb Generatorischer Ein Quadrant Betrieb Zwei Quadrant Betrieb mit Ankerstromumkehr

13 XIV Zwei Quadrant Betrieb mit Ankerspannungsumkehr Vier Quadrant Betrieb Interleaved Wandler Leistungsfaktor Korrektur Weitere Abwandlungen der Gleichstromsteller-Schaltungen Prof. Dr. M. Reddig, Augsburg 7.8 Dreiphasige Pulsgleichrichtersysteme Prof. Dr. J. W. Kolar und Thomas Friedli, ETH Zürich Einleitung Klassifizierung unidirektionaler dreiphasiger Gleichrichtersysteme Phasenmodulare Gleichrichter Y-Rectifier Δ-Rectifier Diskussion Direkt dreiphasige Pulsgleichrichtertopologien Systeme mit Hochsetzsteller-Charakteristik Systeme mit Tiefsetzsteller-Charakteristik Systeme mit Hoch- und Tiefsetzsteller-Charakteristik Dimensionierung der Leistungshalbleiter und EMV-Filterung Dimensionierung der Leistungshalbleiter Gegentakt- und Gleichtakt-EMV-Filter Vergleichende Gegenüberstellung Definition der Kennwerte Vergleich des Active Six-Switch Boost-Type PFC Rectifier, des Δ-Switch Rectifier und des Vienna Rectifier Vergleich des Active Six-Switch Buck-Type PFC Rectifier und des Swiss Rectifier Schlussfolgerungen Selbstgeführte Wechselrichter mit eingeprägter Spannung (U Wechselrichter) Einführung Zweipunkt Wechselrichter Grundfrequenztaktung und Drehspannungssystem Spannungssteuerung Kommutierungsschaltungen U Umrichter mit variabler Zwischenkreisspannung Zweipunkt Wechselrichter mit Gleichstromsteller Ungesteuerte netzseitige Diodenbrücke Gleichstromsteller Zweipunkt Wechselrichter Funktionsweise Kommutierung des Wechselrichters mit Summenlöschung Netzgeführter Stromrichter als Einspeise Stellglied VSC zu Back to Back Umrichter (BBC)

14 XV Grundlagen Zwischenkreis-Auslegung Ansteuerungen Regelung Kosten-Nutzen-Analyse FACTs-Konfiguration Simulationsverfahren Regelung - Realisierung PFC-Gleichrichter Sondereffekte Praktische Hinweise Pulsverfahren, Pulsweitenmodulation Randbedingungen Zweipunktregelung Pulsweitenmodulation Unterschwingungsverfahren Sinus Dreieck Modulation allgemein Sinus-Dreieck PWM mit Zwischenpulsverschiebung Injektion von Harmonischen in das Grundschwingungssignal Rechteck-Dreieck-Modulation Rechteck-Dreieck-PWM; Oberschwingungen Übermodulation Übersteuerung Raumzeigermodulation Übermodulation Raumzeigermodulation Prof. Dr. A. M. Khambadkone, The National University of Singapore PWM mit abgetastetem Sollwertsignal Direkte PWM Optimierte Pulsmustererzeugung Wechselrichter Spannungsfehler Mehrpunkt Wechselrichter Dreipunkt Wechselrichter, prinzipielle Funktion Nullpunkt Stabilisierung Spannungsbeanspruchung und Leistung Diode Clamped Wechselrichter, Realisierung Aktiver NP Wechselrichter Imbricated Mehrpunkt Wechselrichter L-FC-CI-Wechselrichter Kaskadierte Mehrpunkt Wechselrichter Hybride Mehrpunkt Wechselrichter Modulare Mehrpunkt-Umrichter (MMC, M2C) Prof. Dr. R. Marquardt, Dipl.-Ing. Yeqi Wang, München Einleitung Grundlagen Modularer Mehrpunkt-Umrichter Betrieb mit niedrigen Ausgangsfrequenzen bis ω 1 =

15 XVI Symmetrierung der internen Energieverteilung Symmetrierung der internen Energiespeicher (AC-Betrieb) Steuerung der DC-Seite Kurzschluss der DC-Seite Fehlertoleranz und Redundanz Dimensionierung und Submodul-Topologie Modulationsverfahren für Mehrpunkt Wechselrichter Blockbetrieb Mehrpunkt Wechselrichter Pulsweitenmodulation Mehrpunkt Wechselrichter Raumzeigermodulation, Mehrpunkt Wechselrichter Modulationsverfahren für den M2C Anwendungs Aspekte Multi-Level Topologien in der Hochleistungselektronik Dr.P.K.Steimer,ABB,Schweiz Halbleitertechnologie - Hochleistungselektronik Topologien für die Hochleistungselektronik Neutral-Point Clamped Topologien Flying Capacitor Topologien Aktive Neutral Point Multi-level Topologie Multi-level Umrichter, Zellen-Aufbau und Einspeisung Multi-level Umrichter, Zellen Aufbau Zusammenfassung und Ausblick Beschaltungs Minimierung Beschaltung Ausgangssituation Varianten mit IGCT und Si-Dioden IGBT Diode (MOSFET Diode) Messergebnisse eines IGBT MOSFET- und IGBT-Gatetreiber Dr.habil.R.Herzer,Semikron,Nürnberg Komponenten und Grundprinzipien eines leistungselektronischen Systems Grundlagen von Gatetreibern Ansteuerung und Schaltverhalten Integrierte Potentialtrennung und sekundärseitige Versorgung Gatetreiber mit galvanischer Isolation für mittlere und hohe Leistungen Gatetreiber mit erweiterter digitaler Signalverarbeitung für hohe Leistungen Gatetreiber für niedrige Leistungen ohne galvanische Isolation Grundlegende Konzepte und Funktionen hochspannungsfester Treiber-ICs (bis 1200V) Gatetreiber in PN-Isolation Gatetreiber in SOI-Technologie Gatetreiber mit Multi-Chip-Integration für 1200V

16 XVII Treiber- und IGBT/FWD-Inverter-Integration auf einem Chip (single chip inverter) Elektrische Belastung der Leistungshalbleiter beim Schalten Prof. Dr. H. G. Eckel, Dipl.-Ing. J. Böhmer, Rostock Elektrische Belastung der Leistungshalbleiter beim Schalten im normalen Betrieb Schaltbelastungen beim Abschalten von IGBT Schaltbelastungen beim Reverse-Recovery von Dioden Besondere Schaltbedingungen Elektrische Belastung der Leistungshalbleiter in Fehlerfällen Ausgangsseitige Kurzschlüsse auf der Gleichspannungsseite Ausgangsseitige Kurzschlüsse auf der Wechselspannungsseite Kurzschlussverhalten des IGBTs Kurzschlussverhalten von Dioden Kurzschlüsse im Umrichter Komponenten der Ansteuerschaltung zur Beherrschung der Kurzschlussfälle Auslegung eines Drehstromantriebs mit Pulswechselrichter Bemessung der frequenzgesteuerten Asynchronmaschine Dimensionierung des Pulswechselrichters 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) Gesamte Verlustleistung in den Lastthyristoren Bestimmung der Kommutierungselemente Kriterien zur Auswahl der Kommutierungselemente Beschaltung von Leistungshalbleitern RCD Schutzbeschaltung mit Überlaufkondensator Einschaltvorgang Ausschalten großer Lastströme Ausschalten kleiner Lastströme Unsymmetrische Beschaltung Einschaltvorgänge Ausschalten großer positiver Lastströme Ausschalten großer negativer Lastströme

17 XVIII Ausschalten kleiner Lastströme Symmetrische Schutzbeschaltung Einschaltvorgang Ausschalten großer Lastströme Ausschalten kleiner Lastströme Vergleich der Schutzbeschaltungen Abschließende Hinweise Auslegungsbeispiel für einen 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 und zur Beschaltung Quervergleich der bisherigen Ergebnisse Auslegung des Zwischenkreiskondensators Sicherheitsfaktoren Verluste, Schaltfrequenzen, Kühlung Zusammenfassung Zusatzbeanspruchungen der Drehfeldmaschine Prof. Dr. A. Binder, Darmstadt Einleitung Spannungsreflexionen an den Maschinenklemmen Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen auf verlustfreien Maschinenzuleitungen bei Reflexionskoeffizienten r = ± Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen auf verlustfreien Maschinenzuleitungen bei Reflexionskoeffizienten r < Kritische Länge der Maschinenzuleitung Transiente Spannungsverteilung in der Maschinenwicklung Beanspruchung der Wicklungsisolierung bei Umrichterspeisung Umrichterbedingte Lagerströme in elektrischen Maschinen Gleichtaktspannung der Statorwicklung gegen Erde Entladeströme in den Lagern Kapazitive Umladeströme Hochfrequenter über die Lager fließender Kreisstrom Hochfrequenter Rotor Erdstrom Systemauslegung von umrichtergespeisten Drehstromantrieben bei großem du/dt Kapazitive Ladeströme der Maschinenzuleitungen Umrichterausgangs Filter Motoreingangsimpedanzen zur Reflexionsvermeidung

18 XIX Maßnahmen zur Verringerung oder Vermeidung von umrichterbedingten Lagerströmen Fehlerstromschutzschalter bei umrichtergespeisten Antrieben 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 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 Erweiterte Resonanz-Brückenschaltungen Serien-Parallel-Resonanz-Brückenschaltung (LCC) LLC Brückenschaltung Modulationsstrategien für Serien-Parallel Resonanz Wandler Analyse resonanter Schaltungen Serien-Resonanz-Wandler bei induktiver Betriebsweise (ZVS) Serien-Parallel-Resonanz-Wandler mit kapazitivem Ausgangsfilter Serien-Parallel-Resonanz-Wandler bei induktiver Betriebsart (ZVS) Serien-Parallel-Resonanz-Wandler zur Ansteuerung von Hochspannungskaskaden Serien-Parallel-Resonanz-Wandler mit induktivem Ausgangsfilter bei optimierter Modulation Modellbildung im Frequenzbereich Modellbildung im Zeitbereich bei stationärem Betrieb Vergleich von Modellierungstechniken LLC Wandler LLCC-Resonanz-Brückenschaltung zur Ansteuerung piezoelektrischer Aktuatoren Zusammenfassung resonante Gleichspannungswandler Transient-resonante Gleichspannungswandler Einführung Die transient-resonanten Schalter

19 XX Transient-resonante Zellwandler Transient-resonante Brückenwandler Dreiphasige resonante Wechselrichter Einführung Der ARCPI (Auxiliary Resonant Commutated Pole Inverter) Der NLRPI (Non Linear Resonant Pole Inverter) Zusammenfassung resonanter Dreiphasen Wechselrichter Leistungselektronische Blindleistungs Kompensation Einführung: Verbraucher Kompensation in Industrienetzen Spannungsstabilisierung in Übertragungsnetzen Blindleistungsquellen Synchronmaschinen Parallelkondensatoren Serienkondensatoren Dynamische Blindleistungsquellen Sättigbare Spulen Netzgeführte Stromrichter Stellglieder Thyristor geschaltete Kondensatoren Thyristor gesteuerte Spule (TCR) Herkömmliche Steuer- und Regelverfahren Weiterführende Überlegungen Stellglieder Selbstgeführte Stellglieder als Kompensator Weitere Überlegungen Prädiktive Signalverarbeitung Flexible AC Transmission Systems (FACTS) Neuere Entwicklungen bei FACTs Sondergebiete der Leistungselektronik Stromrichter für elektrische Triebfahrzeuge Prof. Dr. H.-G. Eckel, Rostock Netzspannungen in der Traktion Traktion für DC-Netze Gleichstromsteller mit Gleichstrommotor Traktion für AC-Netze Stromzwischenkreisumrichter mit Synchronmotoren Antriebssysteme für mehrere Netzspannungen Dieselelektrische Systeme Three-Phase Active Filters for Power Conditioning Prof. Dr. H. Akagi, Tokyo Institute of Technology, Japan Introduction Voltage Harmonics in Power Systems Harmonic-producing loads Voltage THD and 5th-harmonic voltages

20 XXI Traditional Passive Filters Circuit configurations Consideration to installation Pure Active Filters for Power Conditioning Circuit configurations of shunt and series active filters Three-phase voltage-source and current-source PWM converters Three-phase pure active filters Trends in pure active filters Series Active Filters System configuration Operating principle Design and effect of switching-ripple filters Experimental results - Series Active Filters Hybrid Active Filters for Harmonic-Current Filtering Circuit configurations Experimental waveforms Low-Voltage Transformerless Hybrid Active Filters The 480V hybrid active filter The 480V pure active filter Design of the 480 V hybrid active filter Comparisons between the 480 V hybrid and pure filters The 400V Hybrid Active Filter System configuration Start-up procedure Steady-state performance of the passive filter used alone Steady-state performance of the hybrid filter Transient-state performance of the hybrid filter Medium-Voltage Transformerless Hybrid Active Filters Practical Applications of Active Filters Application to harmonic-current filtering Application to voltage-flicker reduction Conclusions Elektronische Energiewandler für netzgekoppelte fotovoltaische Solarenergieanlagen Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Zacharias Einleitung Grundsätzliche Zielstellungen und Anforderungen Gestaltung der Energiewandlungskette DC/AC für FV-Systeme Situation bei den Halbleiterschaltern MPP-Tracking Schaltungstopologien für netzgekoppelte Fotovoltaik- Wechselrichter Wandlerstrukturen zur Erfüllung der netzseitigen Anforderungen Generatorseitige Anforderungen an PV-Wechselrichter

21 XXII Gütekriterien zur Einschätzung von Topologien zur Energiewandlung Netzintegration von fotovoltaischen Energielieferanten Dezentrale Spannungsregelung in Netzen Blindleistungskompensation Spitzenlastabsenkung, Flickerminderung und Versorgungssicherung Netzstützung im Fehlerfall Zusammenfassung Akustische Grundlagen zur Geräuschmessung F. Witzani, Osram, München Praktisches Messverfahren zur Bestimmung der akustischen Schallleistung Ermittlung der Schallleistung aus dem mittleren Schalldruck in der Halbkugel Grundlegende Mechaniken der Schallerzeugung in elektrischen Komponenten Praktische Methode zur Schallleistungsmessung an elektrischen Komponenten Umsetzung einer Geräuschreduzierung mit messtechnischer Auswertung Schlussfolgerung Simulation von leistungselektronischen Schaltungen Solid-State Transformers 1408 Prof. Dr. Johann W. Kolar, Dr. Jonas E. Huber, Zürich 13.1 Einleitung SST-Eingangsstufen für zukünftige elektrische Triebfahrzeuge AC//DC-Konversion konventioneller Triebfahrzeuge SST-basierte AC//DC-Konversion zukünftiger Triebfahrzeuge SST-Systeme in zukünftigen AC Smart Grids Klassische AC-Energieverteilung Anforderungen an AC//AC-SST-Systeme in Smart Grids SST-Konzept für AC-Verteilnetze Zukünftige Anwendungsfelder allgemeiner SST-Systeme AC//AC-SST mit Ausgangsspannung höherer/variabler Frequenz SST mit einseitiger DC-Anbindung SST mit beidseitiger DC-Anbindung Betriebskennwerte und Topologische Klassifizierung Gliederung des Beitrages Einphasen-AC//DC-SST-Konzepte Einleitung Modulare AC/DC-DC//DC-Konversion

22 XXIII Modulare direkte AC//DC-Konversion Modulare AC// AC - AC /DC-Konversion Zelluläre direkte AC//DC-Konversion Teilmodulare direkte AC//DC-Konversion Teilmodulare AC/DC-DC//DC-Konversion Dreiphasen-AC//AC-SST-Konzepte Grundlagen Modulare Direkte AC//AC-Konversion Teilmodulare AC/DC-DC//DC-DC/AC-Konversion Teilmodulare AC//AC-AC/DC-DC/AC-Konversion Nicht modulare AC/DC-DC//DC-DC/AC-Konversion DC//DC-SST-Konzepte Grundlagen Dual Active Bridge (DAB) DC//DC-Konversion DC-Transformator Modulare DC//DC-Konversion Teilmodulare DC//DC-Konversion Nicht Modulare DC//DC-Konversion Zusammenfassung Appendix Appendix A: Wachstumsgesetze und Verlustminimierung von Transformatoren Wachstumsgesetz bei konstanter Stromdichte und magnetischer Aussteuerung Wicklungs- und Eisenverluste Wachstumsgesetz für thermische Limitierung Abhängigkeit der Verluste von Windungszahl und Betriebsfrequenz Analytische Berechnung der optimalen Betriebsfrequenz und Windungszahl Analyse der möglichen Erhöhung des Wirkungsgrades trotz Verringerung der Baugrösse Appendix B: Vorteile und Skalierung von Multizellenkonzepten Appendix C: Zuverlässigkeit und Redundanz Variablenübersicht 1628 Literaturverzeichnis 1639 Allgemeine Literatur (Bücher) Netzgeführte Stromrichter Direktumrichter Matrixkonverter Untersynchrone Kaskade USK Stromrichtermotor

23 XXIV I Umrichter Gleichspannungswandler Leistungsfaktor Korrektur Entlastungsschaltungen Dreiphasige Pulsgleichrichtersysteme U Umrichter Übermodulation Raumzeigermodulation Dreipunkt Wechselrichter Multi-Level Topologien in der Hochleistungselektronik Modulare Mehrpunkt Umrichter (M2C) MOSFET- und IGBT-Gatetreiber Elektrische Belastung der Leistungshalbleiter beim Schalten im normalen Betrieb Zusatzbeanspruchungen der Drehfeldmaschine Resonant schaltentlastete Wandler Spannungsstabilisierung Aktive Filter FACTS Traktions Antriebe Photovoltaikanlagen Elektronische Energiewandler für netzgekoppelte fotovoltaische Solarenergieanlagen Simulation von leistungselektronischen Schaltungen Solid-State Transformer Stichwortverzeichnis 1786