Franz Zach. Leistungselektronik. Ein Handbuch. Band 2. Vierte, vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage

Transkript

1 Franz Zach Leistungselektronik Ein Handbuch Band 2 Vierte, vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage SpringerWienNewYörk

2 Inhalt - Übersicht - Band 1 Wichtige Formelzeichen, Abkürzungen und Symbole XLIX 1. Einleitung Grundprinzipien der Leistungselektronik Stellung der Leistungselektronik in der Elektrotechnik und Anwendungsgebiete Methoden der Leistungselektronik ' Einteilung der leistungselektronischen Schaltungen Historisches Aufbau und Organisation des vorliegenden Werkes 4 2. Mathematische und elektrotechnische Grundlagen Mathematische Grundlagen Elektrotechnische Grundlagen Literatur 70 Anhang 2A. Winkelfunktionen - Additionstheoreme Bauelemente der Leistungselektronik Allgemeines Einführung in die Grundbegriffe der Halbleitertechnik Diode Transistoren Thyristoren Vergleich von Transistor und Thyristor Weitere (klassische) Bauelemente der Leistungselektronik Literatur ' Leistungsteil leistungselektronischer Schaltungen Klassifikation leistungselektronischer Schaltungen Fremdgeführte Schaltungen Selbstgeführte Schaltungen Literatur 333 Anhang 4A. Dimensionierungsvergleich für Antriebe mit und ohne Leistungselektronik Anhang 4B. Mindestzeiten bei Löschschaltungen 355 Anhang 4C. Graphische Analyse, Betriebskennlinien und Löschkreisstrukturen 365 Anhang 4D. Bemerkungen zu den Tafeln 4.1 und Anhang 4E. Dimensionierungshinweise Steuerung und Betrieb leistungselektronischer Schaltungen (Steuerungskreise, Schaltungen für Antriebe und Regelungen) Allgemeines Steuerungskreise für Phasenanschnitt sowie für Wechsel-und Drehstromsteller

3 VI Inhalt - Übersicht - Band Steuerungskreise für Nullspannungssteuerung (Impulspaketsteuerung) Steuerungen bei Antrieben mit netzgeführten Stromrichtern 409 j 5.5 Steuerungsmethoden für Gleichstromsteller 430 ; 5.6 Steuerungsmethoden für selbstgeführte Wechselrichter im allgemeinen 436 t 5.7 Spezielle Gesichtspunkte zu den Steuerungsmethoden für Umrichter mit Zwischen- j kreis 449 j 5.8 Direktumrichter und ihre Steuerungen Transvektorregelung Weitere Sleuerungsarten Literatur Netz- und Lastverhalten leistungselektronischer Schaltungen Prinzipielles zu den Netzrückwirkungen 465, 6.2 Leistungsfaktor und Oberschwingungen 475? 6.3 Maßnahmen zur Verbesserung des Leistungsfaktors und des Oberschwingungsgehaltes 493 j 6.4 Pulszeitsteuerung zur Oberschwingungsgehalts- und Leistungsfaktoroptimierung ; 6.5 Filter (Saugkreise, Siebkreise) Transformatoren für Stromrichter Literatur 559 j 7. Funkstörungen (elektromagnetische Beeinflussungen, EMB) und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Einführung Überblick über die Entstehung und Reduzierung elektromagnetischer Beeinflussungen Vorschriften, Normen und Meßmethoden Berechnungen von Beeinflussungsspannungen Entstörungsmaßnahmen Literatur Anwendungen und spezielle Probleme der Leistungselektronik (Ergänzungen und Überblick) 582 i 8.1 Allgemeines 582 j 8.2 Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) 583 i 8.3 Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)! ! 8.4 Leistungselektronik in Flugzeugen und in der Raumfahrt.? 586, 8.5 Erzeugung hoher Gleichspannung für geringe Leistungen 587 / 8.6 Netzgeräte Stromversorgung in der Elektrochemie Weitere Stromversorgungsanlagen Thyristor-Wechselspannungsregler 591 j 8.10 Ladegleichrichter 592 j 8.11 Widerstandsschweißen Anwendungen von Wechsel-und Drehstromstellern Thyristoren bei Induktionsheizungs-und Induktionsschmelzanlagen Verschiedene Anwendungen für kleine Leistungen Thyristorerregung von Synchronmaschinen...' 593 j 8.16 Leistungselektronische Schaltungen zur Verbesserung des Leistungsfaktors in Netzen. 593 J j 8.17 Oberschwingüngcn (Netzrückwirkungen und Funkstörungen) Stromrichterantriebe einschließlich Anwendungen in Fahrzeugen 594 ) 8.19 Allgemeines über Dimensionierungen von Systemen der Leistungselektronik 604 I 8.20 Thyristorsteuerung mit Mikroprozessoren 604 i 8.21 Aktuelle Entwicklungstendenzen der Leistungselektronik 608

4 Inhalt - Übersicht - Band 1? VII 8.22 Literatur 608 Anhang 8A. Neuere Methoden für Spannungssteuerungen und Stromregelungen Zeitschriften, Normen und Vorschriften, Konferenzen und Sammelwerke Einleitung Deutsch- und englischsprachige Fachzeitschriften, in denen regelmäßig (zumindest des öfteren) leistungselektronische Probleme behandelt werden bzw. wurden Konferenzen Sammelwerke Normen Neuere aktive Bauelemente, Ansteuerungen und Beschallungen Einführung Dioden in der Leistungselektronik Bipolare Leistungstransistoren und Entlastungsnetzwerke Gate Turn-Off Thyristoren (GTOs) Power-MOSFET IGBT IGCT und Vergleich mit dem IGBT MOS-ControlIed Thyristor (MCT) Ansteuerschaltungen für MGDs Cool-MOS Static Induction Transistor (SIT) und Thyristor (SITh) Trench-ElementeundMCD-Strukturen Smart-Power-ICs Neue Bauelemente der Leistungselektronik und zukünftige Entwicklungen Kennwerte, Abkürzungen und Definitionen Literatur Strukturen der Schaltnetzteile Überblick und Grundstrukturen ohne Potentialtrennung Potentialgetrennte Wandler Schaltnetzteilstrukturen höherer Ordnung Vergleich von Konvertertopologien und Ergänzungen Resonante, Quasi-und Pseudoresonante Schaltungen Aktuelle Anforderungen an die Leistungselektronik Praktische Aspekte Literatur Analyse und Regelungen von Schaltnetzteilen Regelungskonzepte für Schaltnetzteile Übertragungsfunktionen für Schaltnetzteile Boost-Konverter-Übertragungsfunktionen (Literaturvergleich) und Regelungen Buck-Boost (Flyback-)Konverter - Übertragungsfunktionen sowie (allgemeine) regelungstechnische Konzepte Regelung des SEPIC-Konverters mit gekoppelten Spulen Regelung von Schaltnetzteilen-Ergänzungen und Beispiele Steuer-und Regelschaltungen für Schaltnetzteile (SNTs) Neuere Regelungs-ICs für Schaltnetzteile Praktische Aspekte-Verbesserung der Kreuzregelung Literatur 1615

5 L. Inhalt - Übersicht - Band 2 Wichtige Formelzeichen, Abkürzungen und Symbole XXVII 13. Schaltungen mit über das Gate abschaltbaren Bauelementen Gleichstromsteller Wechselrichter Zusammenfassung Literatur Optimierung von Netzrückwirkungen und Lastharmonischen Allgemeines Einphasige netzrückwirkungsarme (Puls-)Gleichrichterschaltungen Dreiphasige (Puls-)Gleichrichterschaltungen mit geringen Netzrückwirkungen Vienna Rectifier Analyse der dreiphasigen AC-DC-Pulsumrichter- Raumzeigerdarstellungen, Grundund Oberschwingungen Sieb-und Gleichrichterschaltungen Methoden für die Stromrippelminimierung Auswirkung von Welligkeiten auf der Lastseite auf Regelungen Literatur Passive Bauelemente und Dimensionierungsbeispiele Magnetische Bauteile und Schaltungsdimensionierung Skin- und Proximilyeffekte in Transformatorwicklungen Ferritkerne in Transformatoren von Schaltnetzteilen und Minimierung der Verluste Leistungsübertrager und Spulen Entwurf und Dimensionierung Berechnung und Minimierung von Streuinduktivitäten Kondensatoren Magnetische Materialien und Kondensatoren - Begriffe Literatur 2000 Anhang I5A. Übertragbare Transformatorleistung, Faktoren C und K, sowie Rhombusdiagramm Spezielle Methoden und Anwendungen Überblick und typische Beispiele Sperrschwingwandler Schaltungen für Beleuchtungstechnik und PFC Matrixumrichter 2157 <T* 16.5 Solarkonverter Verstärker Netzgekoppelte Pulsumrichter - Aktive Rippclkompensation jt.8 Leistungselektronik im KFZ 2291

6 Inhalt - Übersicht - Band 2 - IX 16.9 Beeinflussungen der Arbeitsweise Literatur Neuere Methoden der elektromagnetischen Verträglichkeit, CE-Kennzeichnung Allgemeines EMV-Analyse und Störempfindlichkeit (Passive EMV) Kopplungsmechanismen Störquellen (Aktive EMV) Störsignale an der Störsenke (Passive EMV) Reduktion von Störungen (der aktiven EMV) und Erhöhung der Störfestigkeit (der passiven EMV) EMV-Normung und CE-Kennzeichnung Normgerechte Prinzipien zur EMV-Störfestigkeitsmessung Normgerechte Prinzipien zur Störaussendungsmessung Einteilungsgrundsätze der Störungsarien und praktische Hinweise Historische Entwicklung der Funkstörnormen und aktuelle Normwerte Beeinflussung von Nachrichtenleitungen durch Schaltungen der Leistungselektronik - Analytische Berechnung Literatur 2606 Namen- und Sachverzeichnis 2611 Verzeichnis der Tafeln und Tabellen 2783

7 Inhaltsverzeichnis Band 2 Wichtige Formelzeichen, Abkürzungen und Symbole XXVII 13. Schaltungen mit über das Gate abschaltbaren Bauelementen Glcichstromsteller MGD/GTO-Gleichstromsteller- Allgemeines Beschallungen für MGDs/GTOs in Gleichstromstellerschaltungen Standard-RCD-Beschaltung Verlustarme LCD-Beschaltung Spezieller Gleichstromsteller Wechselrichter Allgemeines Beschallung von Ventilen in Wechselrichterschaltungen Wechselrichter mit ßCD-Beschaltung Ausschalten eines Ventils Einschalten eines Ventils Symmetrische Wechselrichterbeschaltung (nach McMurray) Unsymmetrische Wechselrichterbeschaltung Zusammenfassung Literatur Optimierung von Netzrückwirkungen und Lastharmonischen Allgemeines Einphasige netzrückwirkungsarme (Puls-)Gleichrichterschaltungen Leistungskreise Einführung ' Gleichrichter mit nachgeschaltetem Hochsetzsteller (Boost-Konverter) Hochsetzsteller ohne Potentialtrennung 1666 A. Eigenschaften der Schaltung 1666 B. Vorteile 1667 C. Nachteile Hochsetzsteller mit Potentialtrennung Nachgeschalteter Tiefsetzsteller (Buck-Konverter) 1668 A. Eigenschaften und Beschreibung der Schaltung 1668 B. Vorteile 1670 C. Nachteile Nachgeschalteter Spannungsinverter (Buck-Boost-Konverter) 1671 A. Eigenschaften der Schaltung 1671 B: Vorteile 1672 C. Nachteile Nachgeschalteter Sperrwandler (Flyback-Konverter) 1673 A. Eigenschaften der Schaltung 1673

8 XII Inhaltsverzeichnis Band 2 B. Vorteile 1674 C. Nachteile Nachgeschalteter SEPIC(-Konverter) 1674 A. Eigenschaften der Schaltung 1674 B. Vorteile 1674 C. Nachteile Regelungskonzepte für einphasige netzrückwirkungsarme Gleichrichterstrukturen Bestimmung der Einschaltdauer mit Hilfe eines Rampengenerators und des Einschaltzeitpunktes durch Nullstromdetektion (Betrieb an der Lückgrenze) 1675 A. Erklärung der einzelnen Schaltungsteile 1678 a) Stromversorgung und Energiesteuerung 1678 b) Stromdetektion (Nullstromerfassung) 1679 c) Abschaltung bei Überstrom 1679 d) Rampengenerator (= Sägezahngenerator) 1679 e) Steuerung der Einschaltdauer 1679 f) Ausgangstreiber 1679 B. Funktion der Schaltung im Betrieb Bestimmung der Einschaltdauer über Spitzenwert-Stromregelung und des Einschaltzeitpunktes durch Nullstromdetektion (Betrieb an der Lückgrenze) Bestimmung der Einschaltdauer durch Mittelwert-Stromregelung und des Einschaltzeitpunktes über feste Taktperiode (nichtlückender Betrieb) 1683 a) Spannungsregler (mit OPV 2 ) 1685 b) Multiplizierer zum Berechnen des Stromsollwertes aufgrund der folgenden gemessenen Werte 1686 c) Stromregler (mit OPV,) d) Oszillatorschaltung 1686 e) PWM-Generator 1686 f) Steuerlogik 1686 g) Softstart-Schaltung 1686 h) Überspannungsschutz 1686 i) Überstromschutz 1686 j) Kontrollschaltung für die Spannungsversorgung des ICs 1686 Genauere Beschreibung der einzelnen Funktionsblöcke und Dimensionierung der externen Bauteile 1687 A. Spannungsregler 1687 B. Multiplizierschaltung 1687 C. Stromregler Dreiphasige (Puls-)Gleichrichterschaltungen mit geringen Netzrückwirkungen Übersicht Diodenbrückenschaltung mit (auf Gleichstromseite) nachgeschaltetem Hochsetzsteller Diodenbrücke und Hochsetzstellerstruktur mit Induktivitäten auf der Wechselstromseite Hochsetzstellerstruktur mit sechs abschaltbaren Leistungshalbleitern / (mit Energierückspeisung) Hochsetzstellerstruktur mit drei netzseitigen Induktivitäten und drei bidirektionalen abschaltbaren Halbleiterschaltern (ohne Energierückspeisung) 1699 $ Genauere Beschreibung der Leistungskreise und Steuerungen 1700

9 Inhaltsverzeichnis Band 2 - { XIII Diodenbrückenschaltung mit nachgeschaltetem Hochsetzsteller Diodenbrückenschaltung und Hochsetzsteller mit netzseitigen Induktivitäten Struktur mit drei bzw. sechs (abschaltbaren) Leistungsschaltern Vienna Rectifier Vienna Rectifier I Vienna Rectifier II Zusammenfassung Analyse der dreiphasigen AC-DC-Pulsumrichter - Raumzeigerdarstellungen, Grundund Oberschwingungen Allgemeines Umrichterspannung - makroskopische Betrachtung Systembeschreibung über Raumzeiger Urnrichterspannung - mikroskopische Betrachtung Ausgangsspannung und Oberschwingungen bei Pulsbetrieb Aufspaltung des Freilaufzustandes Erhöhung des Aussteuerbereiches Raumzeigermodulation Raumzeiger für Dreiniveausysteme Sieb-und Gleichrichterschaltungen ; Gleichrichterschaltungen Grundtypen von Gleichrichterschaltungen Halbwellengleichrichter (Einweggleichrichter) Zweiweggleichrichter Brückengleichrichter Siebschaltungen - Allgemeines 1776 a) «-Gleichrichter 1776 b) C-Gleichrichter c) L-Gleichrichter ) Strom-und Spannungskomponenten 1776 a) «-Gleichrichter 1777 b) C-Gleichrichter 1777 c) L-Gleichrichter Grundfrequenzen der Brummgrößen i Berechnungsgrundlagen für die Brummspannung.' 1778 a) «-Gleichrichter ' 1778 b) C-Gleichrichter 1778 c) L-Gleichrichter Frequenzkomponenten der Brummspannung Kenngrößen von Siebschaltungen 1779 a) Welligkeit der Momentanwerte 1779 b) Welligkeit der Effektivwerte 1779 c) Welligkeitsverhältnis der Momentanwerte 1780 d) Siebfaktor 1780 e) Frequenzabhängigkeit des Eingangswiderstandes der Siebschaltung Vierpoleigenschaften Siebschaltungen bei zeitlich wechselnder Last Siebschaltungen Spezielle Ausführungsformen 1782 I #6.3.1 Tiefpaß-L-C-Ketten Starkstromtechnische Dimensionierung Dimensionierung für kleine Leistungen L-C-Siebketten-Dimensionierung 1784

10 XIV Inhaltsverzeichnis Band 2 ^~ Tiefpaß-«-C-Ketten Frequenzsperren «-C-Frequenzsperren(Doppel-T-Glieder) Elektronische (aktive) Filter Methoden für die Stromrippelminimierung Cuk-Konverter mit gekoppelten Spulen Umformung der Struktur Filterwirkung und Rippelunterdrückung 1802 r Erklärung der Rippelunterdrückung anhand des Superpositionsprinzips Hochsetzsteller mit reduziertem Eingangsstromrippel Schaltkreisanalyse Vor- und Nachteile der Realisierungsvarianten eines Hochsetzstellers mit reduziertem Rippel Cuk-Konverter mit reduziertem Rippel ohne gekoppelte Spulen Cuk-Konvertertopologien ohne" Stromrippel Einfluß eines Spannungsrippeis am Koppelkondensator auf den Stromrippel Vor-und Nachteile der Cuk-Konverter mit reduziertem Stromrippel Bück-und Boostkonverter mit integriertem Filter SEPIC(-Konverter) mit reduziertem Eingangsstromrippel Auswirkung von Welligkeiten auf der Lastseite auf Regelungen Literatur Passive Bauelemente und Dimensionierungsbeispiele Magnetische Bauteile und Schaltungsdimensionierung Allgemeines und Anwendungsgebiete Kernmaterialien und Kern formen Allgemeines Formen des Magnetismus Ferromagnetische Metalle Diamagnetische Materialien Paramagnetische Materialien Antiferromagnetismus Ferrimagnetismus Metamagnetismus Materialstrukturen und Kerntypen Kristalline und amorphe Metalle (Verbindungen) Ferritkerne Pulverkerne Eisenkerne Zusammenfassung Isolier-, Verguß-und Lötwerkstoffe Wickeldrähte für Transformator-und Spulen Wicklungen Dimensionierung von Transformatoren und weiteren Bauelementen Beispiel: Dimensionierung eines 45 W-Sperrwandlers Grundlegende Bemerkungen zur Schaltung Betriebsart Festlegung des Übersetzungsverhältnisses Berechnung der Hauptinduktivität Transformatorberechnung Transistorspitzenstrom Tastverhältnis 1852 J>

11 Inhaltsverzeichnis Band 2 ;* XV Diodenspitzenstrom Leitverluste bei Bipolartransistoren lOLeitverlustebeiMOS-Transistoren Diodenverluste Ausgangskondensator Beispiel: Dimensionierung eines Durchflußwandlers Dimensionierung von Gleichrichter und Siebkondensator Versorgung der Steuerschaltung Dimensionierung der Steuerschaltung Unter-und Überspannungsüberwachung Auswahl und Berechnung des Transformators Berechnung der Drossel Ausgangskondensator Drahttabcllen (AWG) Stromverdrängung in Leitern (Skin- und Proximityeffekt) Anwendung der Lagenisolation und spezielle Bauformen Aktive Klemmschaltungen Spulen Skin- und Proximityeffekte in Transformatorwicklungen Skineffekt Proximityeffekt (Nähewirkung) Doppelleitung Mehrlagige Wicklung Verluste bei Folien-(Flachdraht-)Wicklungen (rechteckige Leiter) Äquivalenzen zwischen Rund-und Flachdraht Verluste bei Runddrahtwicklungen Verluste bei nichtsinusförmigen Strömen Ferritkerne in Transformatoren von Schaltnetzteilen und Minimierung der Verluste Ferrite und Bauformen (Beispiele) Minimierung der Verluste von Schaltnetzteiltransformatoren Spannungsgleichung Leistungsgleichung Wicklungsverluste Kernverluste Minimierung der Verluste Leistungsübertrager und Spulen - Entwurf und Dimensioriierung Magnetische Kreise für Energieübertragung und Isolation Allgemeines 1924 a) Hystereseverluste 1925 b) Wirbel Stromverluste 1925 c) Resonanzverluste Bestimmung der Schwankungsbereiche der magnetischen Induktion Bestimmung der Kerngröße Berechnung der Windungszahlen Magnetische Kreise für Anwendungen mit Gleichstromvormagnetisierung bzw. zur Energiezwischenspeicherung Auswahl des Kernmaterials Bestimmung der maximalen Flußdichte Ä.2.3 Bestimmung der Kerngröße Berechnung der Windungszahl Berechnung des Luftspaltes Hinweise zum Entwurf von Wicklungen 1941

12 XVI Inhaltsverzeichnis Band Allgemeines Transformatoren mit Teilwindungen Notwendigkeit von Teilwindungen Realisierung von Teilwindungen Berechnung und Minimierung von Streuinduktivitäten Allgemeines Grundgesetze des magnetischen Feldes Berechnung der Streuinduktivität bei konzentrischen Spulen Grundsätzliches Berechnung auf Basis der magnetischen Energiedichte Berechnung über den Fluß Verschachtelte Wicklungen Ringkern und Ferritperle Beziehung zwischen Kernparametern, Luftspaltlängen undaz,-werten Kondensatoren Grundsätzliches zum Aufbau 1963 a) Allgemeines 1963 b) Elektrolytkondensatoren (Elkos) 1963 c) Kunststoffolienkondensatoren 1965 d) Keramikkondensatoren 1966 e) Ausblick auf Neuentwicklungen Auswahlkriterien nach Anwendung 1966 a) Kopplungskondensatoren 1966 b) Glättungs-und Stützkondensatoren 1966 c) Kommutierungskondensatoren 1967 d) Leistungskondensatoren zur Verbesserung von Leistungsfaktor und Oberschwingungsgehalt 1967 e) Schwingkreiskondensatoren 1967 f) Bedämpfungskondensatoren 1968 g) Zwischenkreiskondensatoren Zusammenschalten mehrerer Kondensatoren Typische Kennlinien und ihre Bedeutung " Magnetische Materialien und Kondensatoren - Begriffe Magnetbauteile Kennwerte, Bezeichnungen und Definitionen Allgemeine Bemerkungen Ferromagnetismus - Weißsche Bezirke Transformatoren (Übertrager) Drosseln - Spulen - Induktivitäten Kerne für induktive Sensoren Transformatorkernauswahl für Leistungsanwendungen 1993 a) Definition der Vorgaben 1993 b) Auswahl möglicher Kernformen und Werkstoffe 1993 c) Eingrenzung von Kernform und Werkstoff Kernmaterialien 1993 A. Materialgruppen 1993 a) (Kristalline) Eisenmetalle - Dynamoblech 1993 f b) Amorphe Metalle 1993 ' c) Ferrite 1994 d) Pulververbundwerkstoffe 1994 B. Vergleich von (kristallinen) Metallen, Ferriten, Pulververbund- H Werkstoffen und amorphen Metallen 1995

13 Inhaltsverzeichnis Band 2 ' 4= XVII Kernbezeichnungen Kondensatoren Kennwerte, Bezeichnungen und Definitionen Neue Entwicklungen: Superkondensatoren 1997 jj Aufbau 1998 I Kenngrößen Typische Kennwerte Anwendungen - Einsatzmöglichkeiten Weiterführende Literatur Literatur 2000 Anhang 15A. Übertragbare Transformatorleistung, Faktoren C und K, sowie Rhombusdiagramm A.1 Berechnungsgrundlagen 2003 X 15A.2 (Charakteristische) Faktoren für Transformatoren für typische Schaltungen ! 15A.2.1 Eintaktdurchflußwandler A.2.2 Seriengespeiste Gegentaktschaltung mit sekundärseitiger Brückengleich- richtung A.2.3 Seriengespeiste Gegentaktschaltung mit sekundärseitiger Mittelpunklsgleichrichtung 2012 J5A.2.4 Parallelgespeiste Gegentaktschaltung mit sekundärseitiger Brückengleichrichtung A.2.5 Parallelgespeiste Gegentaktschaltung mit sekundärseitiger Mittelpunkts- J gleichrichtung A.2.6 Sperrwandler 2016 j 15A.3 Ableitungen der Transformatorgleichungen A.3.1 Sperrwandler A.3.2 Durchflußwandler und verwandte Strukturen A.4 Rhombusdiagramm Spezielle Methoden und Anwendungen 2039 i 16.1 Überblick und typische Beispiele 2039 S Allgemeines 2039 i Stromversorgungen für höhere Leistungen Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) 2040 j Pulsgleichrichter bzw.-umrichter 2041 } Erzeugung von Wechselspannungen mit optimiertem Oberschwingungsgehalt a) Multilevel-Synthese 2043 b) Pulsbreiten- oder Pulsweiten-Synthese 2043 : Antriebstechnik 2046 i Gleichstromantriebe 2046 ] DC-Motor im Zwei-und Vierquadrantenbetrieb Feldstromversorgung von Gleichstrommaschinen 2048 j Wechselstromantriebe 2048 " Schaltentlastung und Erzeugung von Gleichspannungen Allgemeines Gleichspannungs-(DC-DC-)Konverter mit Schaltentlastung Verbesserung des Schaltverhaltens Allgemeines 2057 J Hartes Schalten ZVS 2058! ZCS 2059 j ^ Einfluß von Streukapazitäten und-induktivitäten 2061

14 XVIII Inhaltsverzeichnis Band Weitere Anwendungen und Schaltungsaspekte Induktionsheizung Schweißtechnik Ansteuerungsprobleme Weitere Anwendungen Sperrschwingwandler Allgemeines Dimensionierung und Simulation eines konkreten Beispiels Dimensionierung Ergebnisse der Simulation Detaillierte Betrachtung des Umschaltvorgangs zwischen Entladeund Ladephase Modifizierte Schaltung Schaltungsauslegung Nachdimensionierung der Schaltung Berücksichtigung einer Streuinduktivität im Ladekreis Allgemeines Funktion der Transistorschutzschaltung Abhängigkeit der Ausgangsspannung (//. vom Lastwiderstand Ru, Modellparameler für PSP1CE Schaltungen für Beleuchtungstechnik und PFC Allgemeines Typen von Entladungslampen Aufbau und Betriebsverhalten der Leuchtstoffröhren als Beispiel für Niederdruck-Entladungslampen Ansteuerschaltungen für den Betrieb von Niederdruck-Entladungslampen Allgemeines Konventionelle Vorschaltgeräte Elektronische Vorschaltgeräte - Allgemeines Schaltungen von Vorschaltgeräten mit Gleichspannungseingang Elektronisches Vorschaltgerät mit selbstschwingender Brücke Allgemeine Erklärung der Schaltungsfunktion und Erläuterungen zur Bauteildimensionierung Herleitung der Schallungsstruktur Anschwingen der Wechselrichterhalbbrücke vor dem Zünden der Lampe Verhalten nach dem Zünden Elektronisches Vorschaltgerät mit integrierter Ansteuerschaltung a) Oszillatorschaltung 2107 b) Steuerlogik 2108 c) Totzeitglied (T,) 2108 d) Pegelwandler 2108 e) Oberer Halbbrückentreiber Vorkehrungen zur Optimierung des Netzverhaltens (Aspekte zum Netzverhalten) Ansteuerschaltungen (ICs) für Leuchtstofflampen Allgemeines PFC-Eingangsstufe Vorschaltgerät UVLO-Modus Vorheizen Zündphase 2119

15 Inhaltsverzeichnis Band 2 ' s. XIX 4. Arbeitsphase (Dimmphase) Spannungsversorgungen und Ansteuerfunktionen Prinzipielle Arbeitsweise Zusätzliche Funktionen 2123 a) Dimmodus 2123 b) Strommessung 2123 c) Fehlermodus Einstufen-Power-Factor-Correction (PFC) mit regelbarer Ausgangsgleichspannung und Induktivität im Eingangskreis Einleitung Schaltungsanalyse Allgemeines Betriebszustände Zusammenfassung Kondensatorstrom und-spannung Leitdauer Einstufige Lampenansteuerungen mit integrierter PFC ohne Induktivität im Eingangskreis Einführung Spannungsquellenprinzip Allgemeines PFC-Funktion Inverterfunktion Stromquellenprinzip Kombiniertes Strom-und Spannungsquellenprinzip Anmerkung zum Betriebsverhalten und zur Dimensionierung Matrixumrichter Grundidee Entwurf und einphasige Last Dreiphasige Last Realisierungsmöglichkeiten Idealisierte Pulsmuster Schaltelemente und Steuerung Versuchsergebnisse Zusammenfassung Solarkonverter ' Einleitung Historisches und Allgemeines Wirkungsgrad und energetische Amortisation Solarzellen Aufbau Ersatzschaltbilder Kennlinien der Solarzelle Dunkelkennlinie Kennlinie der bestrahlten Solarzelle Arbeitspunkt von Solarzellen Energiespeicher Laderegler 2183 \6.5.4.\ Serienregler Shuntregler Anpaßwandler 2185, MPP-Tracker 2187

16 - t XX Inhaltsverzeichnis Band Arbeitsprinzipien von MPP-Trackern Indirekte MPP-Tracker (Vorsteuerung) 2188 a) Jahreszeitabhängige Nachführung (Umschaltung) der Solarpaneelspannung 2188 b) Temperaturgeführte Arbeitspunktspannung 2188 c) Messung der Solargeneratorleerlaufspannung Direkte MPP-Tracker (Regelung) MPP-Tracker beim Laden von Akkumulatoren Wechselrichter Anforderungen Konzepte Anpassung Solargenerator-Wechselrichter Photovoltaiksysteme Autarke Photovoltaikanlagen bzw. Inselsysteme Netzgekoppelte Systeme Trends Allgemein Inselanlagen Netzgekoppelte Anlagen Normen und Vorschriften Schutz-und Sicherheitsmaßnahmen ISO Einführung in die Photovoltaikindustrie Markante Punkte der Norm ISO Schlüsselmerkmale der Norm ISO Wichtige Aspekte von ISO zu Umweltfragen Verstärker Einleitung Leistungsverstärker im D-Betrieb Allgemeines und Schallverstärker mit Halbbrücke Schaltverstärker in Multizellenstruktur (Multicellverstärker) mit Vollbrücken Strom-und Spannungsregelung Allgemeines Modellbildung und grundsätzliche Voraussetzungen Dimensionierung des Reaktanzfilters Kaskadierte Strom-/Spannungsregelung Dimensionierung des Stromreglers 2220 a) Allgemeines 2220 b) Zusammenhang zwischen den Kenngrößen 2223 c) Phasenminimumsysteme 2224 d) Bodediagramm 2224 e) Bestimmung der Reglerparameter ki und 7) unter Beachtung der Beschränkung der Durchtrittsfrequenz des Stromregelkreises Dimensionierung des Spannungsreglers 2230 " Asymmetrischer Leistungs-Schaltverstärker (ALS-Verstärker) Prinzipielle Funktionsweise Dimensionierung des Ausgangsfilters 2240» Regelung 2240 f Kombination von Schalt-und Linearverstärkern Allgemeines Direkte Kopplung von linearem und schaltendem Verstärker 2241

17 Inhaltsverzeichnis Band 2 C=. XXI Asymmetrischer Leistungs-Schaltverstärker mit hybridem Ausgangsfilter Verstärker für Audiosysteme und weitere Anwendungen Allgemeines zur Klassifizierung von Leistungsverstärkern Klasse E-Verstärker (für frequenzabgestimmte Systeme, z.b. Sender) Netzgekoppelte Pulsumrichter - Aktive Rippelkompensation Einleitung Grundkonzepte, netz-und schaltfrequente Oberschwingungen Kopplungsstufe Regelung der Filterumrichterspannung Signalrippelfilter (SRF) Filterstromregelung Spannungsregelung für den Filterumrichter Niederfrequente Schwingungen und Regelung des Hauptumrichters Anwendung der MultiZellenstruktur 2281 a) Stromregelung 2281 b) Abblockkondensator CK 2283 c) Dämpfungswiderstand RD 2285 d) Verlustabdeckung 2286 e) Signalrippelfilter (SRF) Zusammenfassung Leistungselektronik im KFZ Einleitung Spannungsregelung im KFZ Konventionelle Linearregler Linearregler mit kleinem Spannungsabfall LDO (= Low Drop Out) Betrachtung des LDO-Regelkreises Überbrückung von Spannungseinbrüchen Spannungsregler mit hoher Zuverlässigkeit und geringen Störungen Ansteuerung von Magnetventilen (z.b. für elektronische Einspritzung) Allgemeines MagnetventilansleuerungmilL Antriebssysteme mit Brennstoffzellen Allgemeines Bidirektionaler DC-DC-Konverter Pulswechselrichter.' Allgemeines Multizellenkonverter Multilevelkonverter Bordnetze mit 42 V Allgemeines DC-DC-Konverter für 42 V-Bordsysteme Smart Power Devices Sicherheitseinrichtungen Active Clamping Unterbrechung der Masse Beleuchtungstechnik Brennstoffzellen 2321 J 16.8*8.1 Einleitung Brennstoffzellensysteme DMFC 2325 % Einleitung 2325

18 - t_ XXII Inhaltsverzeichnis Band Funktionsweise Stationäre Kennlinien Dynamisches Verhalten der Brennstoffzellen DMFC-Antrieb Beeinflussungen der Arbeitsweise Allgemeines Wechselrichterkippen und Überströme zufolge Netzspannungseinbrüchen und -ausfällen bei netzgeführten Systemen Umrichterfehler und Möglichkeiten zur Korrektur Ursachen von Umrichterfehlcrn 2339 a) Schaltzeitenfehler 2339 b) Ventilspannungsfehler Korrekturmaßnahmen Einfluß von Streuinduktivitäten Gegentaktwandler Stromverdopplerschaltung Einfluß der Magnetisierungsströme Entlastungsschaltungen Reduktion von Schaltverlusten und Einfluß parasitärer Elemente Literatur Neuere Methoden der elektromagnetischen Verträglichkeit, CE-Kennzeichnung Allgemeines Grundlegende Begriffsdefinitionen Störfestigkeit (Passive EMV) Störaussendungen (Aktive EMV) 2426 a) Funkstörspannung 2426 b) Funkstörfeldstärke 2426 c) Funkstörleistung 2427 d) Funkstörstrahlungsleistung 2427 e) Netzoberschwingungen 2427 f) Netzspannungsschwankungen Zusammenfassung EMV-Analyse und Störempfindlichkeit (Passive EMV) Theoretische EMV-Analyse ' Beugungsmethode 2429 / 2. Momentenmethode Finite Elemente- bzw. Differenzen-Methode EMV-Funktionstest Betrachtete physikalische Größen 2431 A. Absolute Pegel 2432 a) Störpegel 2432 b) Slörschwellenpegel 2432 c) Nutzpegel 2432 B. Relative Pegel 2432 a) Störabstand 2432 b) Störsicherheitsabstand 2432 < Zusammenfassung 2432 y 17.3 Kopplungsmechanismen Störungskopplung Grundlagen 2433 a) Gleichtaktstörungen 2435 i$ b) Gegentaktstörungen 2435

19 Inhaltsverzeichnis Band 2 ^ XXIII Galvanische Kopplung Galvanische Kopplung zwischen Betriebsstromkreisen Masseschleifenkopplung Kapazitive Kopplung Induktive Kopplung Elektromagnetische Kopplung Wellenleiterkopplung Strahlungskopplung Identifikation von Kopplungsmechanismen Störquellen (Aktive EMV) Einteilung nach dem Spektrum Schmafbandige Störquellen Systeme mit Netzrückwirkungen Allgemeines Leistungselektronische Schaltungen HF-Generatoren Starkstromleitungen Intermittierende Breitbandslörquellen Grundstörpegel ( Elektrosmog") Kommutatormotoren KPZ-Zündanlagen Gasentladungslampen Hoch-und Mittelspannungsfreileitungen Transiente Breitbandstörungen Elektrostatische Entladungen Geschaltete Induktivitäten Transienten in Versorgungsnetzen Blitze - LEMP High Energy Electromagnetic Pulse - HEMP Umgebungsklassen Leitungsgebundene Störungen Störstrahlung Störsignale an der Störsenke (Passive EMV) Auswirkung auf Bauelemente Störfestigkeit bei analogen Signalen Störfestigkeit bei digitalen Signalen v Ermittlung der Störfestigkeit durch Prüfungen Simulation leitungsgebundener Störungen 2465 a) Breitbandige energiearme Schaltspannungsstörungen (Bursts) 2465 b) Breitbandige energiereiche Überspannungen (Surges) 2465 c) Niederfrequenzstörungen in Niederspannungsnetzen (ms-impulse) d) Elektrostatische Entladungen 2467 e) Schmalbandige Störungen Simulation quasistationärer und transienter Felder (elektromagnetischer Wellen) 2468 a) Schmalbandige Störfelder 2468 b) Breitbandige elektromagnetische Wellenfelder 2469 c) Simulation quasistationärer Felder (elektromagnetischer Wellen) durch Strominjektion Reduktion'von Störungen (der aktiven EMV) und Erhöhung der Störfestigkeit (der passiven EMV) Allgemeines 2470 «, Optimierung der Leitungsführung 2471

20 - il. XXIV Inhaltsverzeichnis Band Leitungstypen Verlegung des Bezugspotentials (Erd-und Masseleitungen) Verlegung von Signalleitungen Verlegung von Versorgungsleitungen Filterung Filterarten Aufbau von Filtern Entstörfilter ' Überspannungsabieiter Optokoppler und Lichtleiter Trenntransformatoren Differenzverstärker Allgemeine Maßnahmen gegen kapazitive Kopplung Allgemeine Maßnahmen gegen induktive Kopplung Maßnahmen bei Wellenleiter-und Strahlungskopplung Allgemeines Elektromagnetische Schirme Berechnung mittels Impedanzkonzeptes Reflexionsdämpfung R Absorptionsdämpfung A Korrekturterm für multiple Reflexionen B Konkreter Schirmaufbau Schirmmaterial 2499 a) Alle Fernfelder, elektrische und höherfrequente magnetische Nahfelder (> 10 khz) 2499 b) Niederfrequente magnetische Nahfelder (< 10 khz) Abgeschlossenheit des Schirmes Erdung von Schirmen Erdung von Kabelschirmen 2501 a) Schirm als Teil des Betriebsslromkreises 2501 b) Schirm mit reiner Schirmfunktion Maßnahmen zur Reduktion der Störaussendung von Quellen Allgemeines zur Verbesserung der Störfestigkeit Grundsätzliches Maßnahmen und Gesichtspunkte bei analogen Systemen Maßnahmen und Gesichtspunkte bei digitalen Systemen 2503 / 17.7 EMV-Normung und CE-Kennzeichnung Einführung und Struktur von Normen und Richtlinien Vorgangsweise bei der CE-Kennzeichnung 2506 A) CE-Modulverfahren 2507 B) Dokumentation und Konformitätserklärung 2508 C) Inverkehrbringen Maschinenrichtlinie Niederspannungsrichtlinie EMV-Richtlinie (Ermittlung von Störfestigkeit und Störaussendung durch Prüfungen) CE-Kennzeichnung bei Stromversorgungen 2519 j CEfKennzeichnung in der elektrischen Antriebstechnik Normgerechte Prinzipien zur EMV-Störfestigkeitsmessung Störfestigkeit gegen schnelle elektrische Transienten (Bursts) Störfestigkeit gegen Stoßspannungen (Surges) 2524 ' $ Störfestigkeit gegen elektrostatische Entladungen (ESD) 2529

21 Inhaltsverzeichnis Band 2 " _ XXV Störfestigkeit gegen Hochfrequenzeinstrahlung (AM = Amplitudenmodulation) Störfestigkeit gegen Hochfrequenzeinstrahlung (PM = Pulsmodulation) Störfestigkeit gegen HF-Bestromung auf Leitungen Störfestigkeit gegen Spannungseinbrüche, Kurzzeitunterbrechungen und Spannungsschwankungen Normgerechte Prinzipien zur Störaussendungsmessung Leitungsgebundene Störaussendungen (150 khz MHz) Oberschwingungen Flicker Strahlungsgebundene Störaussendungen Einteilungsgrundsätze der Störungsarten und praktische Hinweise Einteilung nach technisch-physikalischen Gesichtspunkten Vergleich der größtenteils genormten Störimpulse und der Netzspannungsbeeinträchtigungen nach Größe und Zeitdauer Einteilung nach Ursache und Wirkung" Praktische Hinweise zur Störungsproblematik der Leistungselektronik Störquellen in Schaltnetzteilen Ansatzpunkte zur EMV-Optimierung 2556 f Maßnahmen zur Minimierung von Störungen Bauelemente für die Entstörung - Maßnahmen zur nachträglichen Entstörung 2557 j Historische Entwicklung der Funkstörnormen und aktuelle Normwerte 2561 ' 17. J1.1 Aktualisierte Werte zu den leitungsgebundenen Störgrenzwerten nach Abschnitt und historischer Überblick Aktualisierte Werte zu den Geräusch- und Längsspannungen (ergänzend zu Abschnitt 7.3.2) 2564 j Aktualisierte Störgrenzwerte bei Abstrahlung (ergänzend zu Abschnitt 7.3.4) i Beeinflussung von Nachrichtenleitungen durch Schaltungen der Leistungselektronik - 1 Analytische Berechnung 2566 i Allgemeines 2566 ; Motivation zur analytischen EMV-Behandlung 2566 i Überblick zur praktischen Bedeutung vorliegender Analyse 2566 i Prinzipielle Gesichtspunkte zur Berechnung der Starkstrombeeinflussung für f Nachrichtenkabel 2567! Im Bereich von Drehstromanlagen 2567!, Beeinflussende Leitung ' Beeinflußtes Nachrichtenkabel 2568 I Im Bereich von elektrischen Bahnen 2568 ' Beeinflussende Leitung (Fahrdraht) 2568 \ Beeinflußtes Nachrichtenkabel Grenzwerte für Spannungen bei Beeinflussungen Maximalwerte für Geräusch-und Fremdspannungen 2570 i Maximalwerte von Gefährdungsspannungen Berechnungsformel nach VDE 2571 i Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters in einem Hohlzylinder aus Stahl Fluß in der Schleife des Nachrichtensystems Oberschwingungsgehalt des Speisestromes von thyristorgesteuerten Verbrauchern (Gleichstrommotor-Antrieb) und Gefährdungsspannung 2601 J \l.\t.l.\ Idealisiertes Zeitverhalten Nichtideales Verhalten Oberschwingungsgehalt und Gefährdungsspannung bei Lastkurzschluß Gleiche Stromformen in allen drei Phasenleitern 2603

22 XXVI Inhaltsverzeichnis Band Ausfall einer Phase Zusammenfassung Literatur 2606 Namen- und Sachverzeichnis 2611 Verzeichnis der Tafeln und Tabellen 2783 ' /