Leistungselektronische Schaltungen

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1 Dierk Schröder Leistungselektronische Schaltungen Funktion, Auslegung und Anwendung 2. Auflage 4y Springer

2 Inhaltsverzeichnis 1 Stromrichterschaltungen (Übersicht) Grundfunktionen von Stromrichtern 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 Obe'rschwingungen 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 61' M3-Schaltung Transformator-Bauleistung Dreipuls-Mittelpunktschaltung (M3), M3-Schaltung mit Netztrafo in Dy-Schaltung M3-Schaltung mit Netztrafo in Yz-Schaltung 79

3 X Inhaltsverzeichnis 2.6 ' Brückenschaltungen Zweipuls-Brückenschaltung (B2-Schaltung) Sechspuls-Brückenschaltung (B6-Schaltung) Gegenüberstellung von Mittelpunkt- und Brückenschaltungen Höherpulsige Schaltungen Sechspuls-Mittelpunktschaltung (M6-Schaltung) Zwölfpuls-Brückenschaltung Zwölfpuls-Saugdrosselschaltung Umkehrstromrichter Kreisstromfreie Gegenparallelschaltung xkreisstrombehaftete 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 Löschbare unsymmetrische Brückenschaltungen Sektorsteuerung Löschbare unsymmetrische Brückenschaltung (LUB) Direktumrichter Trapezumrichter Einphasiger Trapezumrichter Mehrphasiger Trapezumrichter Frequenzelastischer Trapezumrichter Steuerumrichter Schaltungsvarianten des Direktumrichters Wahl der Umkehrstromrichter x Schaltung der Last v Schaltungsvarianten des Umrichters Frequenzbeschränkung beim Direktumrichter Auslegungskriterien Regelung der direktumrichter-gespeisten Synchronmaschine Stationäres Flußmodell Dynamisches Flußmodell Stromregelkreise Trapezbetrieb Synchronmaschine Ausführungsbeispiele., Matrixkonverter 188 Prof. Dr. J. W. Kolar, Dr. F. Schafmeister, ETH Zürich

4 Inhaltsverzeichnis XI Einleitung Konzepte dreiphasiger AC/AC-Konverterschaltungen AC/AC-Konverter mit Zwischenspeicher AC/AC-Matrixkonverter Klassifizierung AC/AC-Konverter mit Spannungszwischenkreis Grundfunktion Spannimgskonversion und Raumzeigermodulation Stromkonversion Funktions-Ersatzschaltbild AC/AC-Konverter-imit Stromzwischenkreis x Grundfimktion 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 v 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.' 283

5 XII Inhaltsverzeichnis Kommutierung Zwischenkreiskondensator und Ride-through EMV-Filter Verluste und Effizienz Komplexität der Schaltung und Realisierungsaufwand Kühlung und Baugrösse 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 "GTeichrichterbrücke 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 Schonzeitregeluhg der Thyristoren ' Regelung des Stromrichtermotors Ausführungsbeispiel 368

6 Inhaltsverzeichnis XIII 6 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 Thyristoren Dioden x 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 Schaltentlastimg 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 Entlastungsschaltungen nach Boehringer Verlustfreie Entlastungsschaltung (1) nach Boehringer

7 XIV Inhaltsverzeichnis Verlustfreie Auschalt-Entlastung (2) nach Boehringer Verlustfreie Entlastungsschaltung (3) nach Boehringer 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 Zwei-Quadrant-Betrieb mit Ankerspannungsumkehr Vier-Quadrant-Betrieb Interleaved-Wandler Leistungsfaktor Korrektur Weitere Abwandlungen der Gleichstromsteller-Schaltungen Prof. Dr. M. Reddig, Augsburg 8 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 Pulsverfahren, Pulsweit^enmodulation 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 572

8 Inhaltsverzeichnis XV Übermodulation - Übersteuerung Raumzeigermodulation Übermodulation - Raumzeigermodulation 591 Prof. Dr. A. M. Khambadkone, The National University of Singapore PWM mit abgetastetem Sollwertsignal 594,.4.13 Direkte PWM Optimierte Pulsmustererzeugung Wechselrichter-Spannungsfehler Mehrpunkt-Wechselrichter Dreipunkt-Wechselrichter, prinzipielle Funktion 610,.5.2 Nullpunkt-Stabilisierung 'Spannungsbeanspruchung und Leistung Diode-Clamped-Wechselrichter. Realisierung Aktiver NP-Wechselrichter Imbricated-Mehrpunkt-Wechselrichter Kaskadierte Mehrpunkt-Wechselrichter Hybride-Mehrpunkt-Wechselrichter Modulationsverfahren für Mehrpunkt-Wechselrichter Blockbetrieb Mehrpunkt-Wechselrichter Pulsweitenmodulation Mehrpunkt-Wechselrichter Raumzeigermodulation, Mehrpunkt-Wechselrichter 638 i.6 Auslegung eines Drehstromantriebs mit Pulswechselrichter Bemessung der frequenzgesteuerten Asynchronmaschine Dimensionierung des Pulswechselrichters 6/ Pulsationsmomente Gleichspannungs-Zwischenkreis Eingangsschaltungen und Bremsbetrieb Anwendungsbereiche der Pulswechselrichter Selbstgeführte Thyristor-Wechselrichter mit Phasenlöschung.. 650,.7.1 Schaltung und Arbeitsweise Dimensionierung der Schaltung (Übersicht) Grundgleichungen der Kommutierung 659,.7.4 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.'

9 XVI Inhaltsverzeichnis 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 Zusatzbeanspruchungen der Drehfeldmaschine 724 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 758

10 Inhaltsverzeichnis XVII Kapazitive Ladeströme der Maschinenzuleitungen Umrichterausgangs-Filter Motoreingangsimpedanzen zur Reflexionsvermeidung 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 847; 9.5 Resonante Brückenschaltungen Serien-Parallel-Resonanz-Brückenschaltung Serien'-Parallel-Resonanz-Brückenschaltung mit konstanter Schaltfrequenz Analyse resonanter Schaltungen Serien-Resonanz-Wandler bei induktiver Betriebsweise (ZVS) Serien-Parallel-Resonanz-Wandler bei induktiver Betriebsart (ZVS) 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)

11 XVIII Inhaltsverzeichnis 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) Sondergebiete der Leistungselektronik Stromrichter für elektrische Triebfahrzeuge 1009 Dr. H.-G. Eckel, Nürnberg Netzspannungen in der Traktion Traktion für DC-Netze... \ Gleichstromsteller mit Gleichstrommotor Stromzwischenkreisumrichter mit ASM Spannungszwischenkreisumrichter mit ASM Traktion für AC-Netze Antriebssysteme mit Wechselstrom- und Mischstrommotor :3.2 Antriebssysteme mit Drehstrommotor Antriebssysteme für mehrere Netzspannungen Mehrsystemstromrichter für AC 15 kv und 25 kv Mehrsystemstromrichter für AC und DC 750 V'/1500 V Mehrsystemstromrichter'für AC und DC 3000V Mehrsystemstromrichter für AC, DC 3000 V und DC 1500 V Dieselelektrische Systeme Umrichtertechnik Leistungshalbleiter in der Traktion Three-Phase Active Filters for Power Conditioning 1032 Prof. Dr. H. Akagi, Tokyo Institute of Technology, Japan Intro.duction Voltage Harmonics in Power Systems 1033

12 Inhaltsverzeichnis XIX Harmonic-producing loads Voltage THD and 5th-harmonic voltages, 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 480 V hybrid active filter The 480 V pure active filter Design ofthe 480 V hybrid active filter Comparisons between the 480 V hybrid and pure filters The 400 V 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 photovoltaische Solarenergiean- lagen f 1069 Prof. Dr. P. Zacharias, Kassel Einleitung v Grundsätzliche Zielstellungen und Anforderungen Gestaltung der Energiewandlungskette DC/AC für PV-Systeme Situation bei den Halbleiterschaltern MPP-Tracking / Schaltungstopologien für netzgekoppelte Photovoltaik-Wechselrichter 1082

13 XX Inhaltsverzeichnis Konzepte mit isoliertem Photovoltaikgenerator Transformatorlose Wechselrichter r Weitere Entwicklung Erwartete Trends und Schlußfolgerungen Elektronische Betriebsgeräte für Lichtquellen 1093 F. Bernitz, Fa. Osram, München Einführung Lichterzeugung und Gliederung wichtiger Lichtquellen Grundlagen zum Betrieb von Entladungslampen Konventionelle Betriebsgeräte (Vorschaltgeräte) für Entladungsy lampen Betriebsgeräte für Niederdruckentladungslampen KVG für Niederdruckentladungslampen EVG für Niederdruckgasentladungslampen Vor- und Nachteile von EVG und KVG Konventionelle Betriebsgeräte für Hochdruck-Entladungslampen Elektronische Betriebsgeräte für Entladungslampen Elektronische Transformatoren für Niedervolt-Halogenglühlampen Akustische Grundlagen zur Geräuschmessung 1152 ~F~ Witzani, Fa. Osram, München Praktisches Messverfahren zur Bestimmung der akustischen Schallleistung 1157 t 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 1172 Variablenübersicht, 1180 r Literaturverzeichnis 1191 Allgemeine Literatur (Bücher) 1191 Netzgeführte Stromrichter 1196 Direktumrichter 1201 Matrixkonverter ' Untersynchrone Kaskade - USK \ Stromrichtermotor 1214

14 Inhaltsverzeichnis XXI I-Umrichter 1217 Gleichspannungswandler 1223 Leistungsfaktor-Korrektur 1225 Entlastungsschaltungen 1226 U-Umrichter 1231 Übermodulation - Raumzeigermodulation 1242 Dreipunkt-Wechselrichter 1243 Zusatzbeanspruchungen der Drehfeldmaschine 1247 Resonant schaltentlastete Wandler 1250 Spannungsstabilisierung 1256 Aktive Filter 1260 FACTS Traktions-Antriebe 1267 Traktions-Antriebe 1275 Elektronische Betriebsgeräte für Lichtquellen 1278 Simulation von leistungselektronischen Schaltungen 1280 Stichwortverzeichnis 1284