Elektronische Bauelemente und Schaltungen der Energietechnik

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1 Ingo J. Arnold Michael Clewing Dieter Hannemann Walter Heinrich Heinrich Moog Karl-Heinz Schröder (federführender Autor) Rolf Stenzel Elektronische Bauelemente und Schaltungen der Energietechnik von der (jp-technik bis zur Leistungselektronik 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Wilfried J. Bartz Technische Akademie Esslingen I VERLAG I VDE-VERLAG GmbH Berlin Offenbach

2 Inhaltsverzeichnis Grundlagen zur Stromleitung Allgemeines Stromleitung im Vakuum Stromleitung in Gasen und Dämpfen Stromleitung in Metallen Stromleitung in Halbleitern Bauelemente auf der Basis von Halbleitern PN-Übergang (Diode) Si-Leistungsdiode Transistor Feld-Effekt-Transistor (FET) Metall-Oxid-Silizium-Feld-Effekt-Transistor (MOS-FET) Unijunktions-Transistor (Doppelbasis-Diode) Thyristor Thyristor-verwandte Bauelemente Technologie integrierter Schaltkreise Planartechnik Schaltkreisfamilien Anwendungshinweise Allgemeine Grundlagen zur Programmierung von Mikroprozessoren Mensch und Computer Zahlensysteme Codierung Programmierung Grundeinheiten eines Mikrocomputers Der Mikrocomputer Die Speicher Der Mikroprozessor Programmerstellung und Abarbeitung Die Befehle Unterprogramme Proeramm-Entwicklunessvsteme

3 Elektronischer Aufbau eines Mikrocomputers Der Mikroprozessor Die Speicher Schreib-/Lesespeicher (RAM) Festwertspeicher (ROM) Ein-/Ausgabe-Einheiten Mikrocomputer-Anwendung Mikrocomputer-Platine Eingabetastatur Anzeige-Einheit Motorsteuerung Der Transistor als Leistungsschalter Bipolar- und Feldeffekt-Transistor Transistor-Parameter Bipolar-Transistor Sperrzustand Schaltverhalten Ansteuerung und Grundschaltungen von Schaltstufen Darlington MOSFET Sperr- und Leitzustand Ansteuerung, Schaltverhalten Gehäuseformen, Transistormontage Ausblick Spezielle Thyristorarten der Leistungselektronik Einführung Frequenz-Thyristoren Asymmetrische Thyristoren Rückwärtsleitende Thyristoren Gate assisted turn-off" Thyristoren Abschaltbare Thyristoren Schaltungen der Leistungselektronik Einführung Schaltungen für Gleich- und Wechselrichter Einphasen-Schaltung Zweiphasen-Mittelpunkt-Schaltung Zweiphasen-Brücken-Schaltungen DreiDhasen-MittelDunkt-Schaltung

4 .2.5 Dreiphasen-Brücken-Schaltung Sechsphasige Mittelpunktschaltung Antiparallelschaltungen Kreisstromfreie Schaltung Kreisstromführende Schaltung Zusammenfassung Einsatzbeispiele von netzgeführten Stromrichtern in der Industrie Ausführung, Arten, Auswahl Versorgung statischer Verbraucher Anwendungen von Gleichstromantrieben Servoantriebe Anforderungen an Servoantriebe Komponenten des Antriebs Drehzahlregelgeräte in analoger und getakteter Technik Grundschaltungen getakteter Leistungsverstärker Regler, Schutz- und Überwachungsfunktionen Regelkreise für Drehmoment, Drehzahl und Position Positionsgeregelte Vorschubachse Antriebsregelungen mit dem Gleichstrom-Nebenschlußmotor und Stromrichtergeräten Gleichstrom-Nebenschlußmotor Aufbau und Funktion Vollgeblechte Ausführung Anschluß-Kennbuchstaben Kennlinien des Gleichstrom-Nebenschlußmotors Beziehungen für Gleichstrom-Nebenschlußmotor und Stromrichtergerät Nennspanung Arbeitsmaschinen Allgemeine Beziehungen der Antriebstechnik Drehmoment- und Leistungskennlinien Betriebsarten des thyristorgespeisten Gleichstrommotors Quadrantenbetrieb I bis IV Betriebsarten der Stromrichter Betriebsarten eines Doppel-Stromrichters im Vierquadrantbetrieb Arbeitsweise eines Zweifach-Stromrichters Steuerkennlinie und resultierende Gleichspannung bei der Dreh-. Strombrückenschaltung 208

5 «l Allgemeine Grundlagen zur Regelungstechnik Regelung Regelkreis Vergleichsstelle Operationsverstärker Schaltzeichen Idealer Operationsverstärker Realer Operationsverstärker Eingangs-Ausgangs-Kennlinie Grundschaltungen Invertierender Verstärker Nicht invertierender Verstärker Integratorschaltung PI-Regler PID-Regler Regelungsarten Drehzahl-Regelung im Ankerbereich für Einzelantriebe Einquadrant- oder Geradeausbetrieb: I oder III Drehzahlführungsgröße Istwert-Erfassung Überlagerter Drehzahlregelkreis Dynamische Strombegrenzung Unterlagerter Stromregelkreis Steuerteil des Stromrichtergerätes Tachomaschinen- oder Ankerspannungsregelung Soll-/Istwert-Vergleich Istwert-Anpassung Sollwert-Integrator Einquadrantbetrieb I oder III Einquadrant- oder Geradeausbetrieb: I und III Vierquadrant- oder Umkehrbetrieb: I bis IV Elektronische Umkehrstufe Drehrichtungswechsel Kreisstromfreie Umschaltung Wechselrichterbetrieb Zugeordnete Strombegrenzung Überlaufregelung im Anker- und Feldbereich, wahlweise Einquadrant- oder Vierquadrantbetrieb Ablösebereich Istwert-Erfassung Drehzahl-Sollwert Vierquadrantstromrichter Mehrmotorenregelung mit relativem Drehzahlgleichlauf Verstärker-Schaltung

6 5 Mehrmotorenregelung mit synchronem Drehzahlgleichlauf Mehrmotorenregelung mit reib- oder kraftschlüssiger Gleichlastregelung und drehzahlgeführter Gleichlastkorrektur Statische Wechselrichter für die unterbrechungsfreie Stromversorgung Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) Einzel-USV mit Umgehung (elektronische Umschalteinrichtung) Parallelredundante USV mit Umgehung Besondere Ersatzstromversorgung nach VDE Wechselrichter mit Thyristoren Wechselrichter mit Leistungstransistoren Wesentliche Wechselrichter-Eigenschaften Wirkungsgrad Kurzschlußverhalten Dynamisches Verhalten (Spannungsabweichungen) Kommutierung bei selbstgeführten Stromrichtern Definition Kommutierung bei Stromrichtern mit Thyristoren Stromrichterschaltung nach McMurray Kommutierungsvorgang Dimensionierung des Kommutierungskreises zu Kapitel 15 und Anwendungen umrichtergespeister Antriebe Umrichterantriebe: wirtschaftlich, konkurrenzfähig? Drehzahlverstellung bei Drehstrommotoren Umrichter ohne Zwischenkreis Umrichter mit Stromzwischenkreis (/-Umrichter) Stromrichtergespeiste Synchronmaschinen Untersynchrone Stromrichterkaskade Umrichter mit eingeprägtem Strom für Käfigläufermotoren Umrichter mit Spannungszwischenkreis ({/-Umrichter) {/-Umrichter mit variabler Zwischenkreisspannung (/-Umrichter mit konstanter Zwischenkreisspannung (Pulsumrichter) Zusammenfassende Anwendungskriterien Stichwortverzeichnis 277