Leistungselektronik. Herausgeber: Prof. (em.) Dr.-Ing. habil. Rudolf Lappe VEB VERLAG TECHNIK BERLIN

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1 Leistungselektronik Herausgeber: Prof. (em.) Dr.-Ing. habil. Rudolf Lappe VEB VERLAG TECHNIK BERLIN

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Einsatzgebiete der Leistungselektronik Grundprinzip der Leistungselektronik Stromrichteranlagen Entwicklung der Leistungselektronik Halbleiterventile Physikalische Grundlagen Übersicht über Halbleiter-Leistungsbauelemente Dichte freier Ladungsträger im thermischen Gleichgewicht Generation und Rekombination Eigenhalbleiter Störstellenleiter Elektrischer Strom im Halbleiter Feldstrom Diffusionsstrom Grundgesetze Rückkehr zum thermischen Gleichgewicht nach Störungen Injektion von Majoritätsträgern Injektion von Minoritätsträgern Dioden pn-dioden Stromloser Zustand, Diffusionsspannung Durchlaßzustand Sperrzustand Lawinendurchbruch Punch-Through, Zenerdurchbruch, Wärme- oder zweiter Durchbruch Lawinendioden pin-dioden Stromloser Zustand Sperrzustand Durchlaßzustand Schaltverhalten Einschaltverhalten Ausschaltverhalten ohne Sperrspannung Ausschaltverhalten mit Sperrspannung, Trägerstaueffekt Schnelle Leistungsdioden Thermisches Verhalten Grundlagen Verlustleistung Ableitung der Verlustwärme Temperatur des Kristalls bei konstanter Verlustleistung Temperatur des Kristalls bei zeitlich veränderlicher Verlustleistung Grenzwerte und Kenngrößen 62

3 Inhaltsverzeichnis Definitionen Beispiele für Grenzwerte Beispiele für Kenngrößen Thyristoren, Triacs Einführung Stationäre Betriebszustände, Zündung Stromloser Zustand Blockier- oder Vorwärtssperrzustand Zündung Emitterkurzschlüsse Durchlaßzustand Rückwärtssperrzustand Schaltverhalten Einschaltverhalten, kritische Stromsteilheit Ausschaltverhalten, Freiwerdezeit Frequenzthyristoren Abschaltunterstützte und abschaltbare Thyristoren Rückwärtsleitende Thyristoren Fotothyristoren Triacs Thermisches Verhalten Grenzwerte und Kenngrößen Digitale Modelle für Thyristoren Leistungs-Schalttransistoren Schaltbetrieb und Linearbetrieb Bipolare Leistungs-Schalttransistoren Sperr- oder AJJS-Zustand Durchlaß- oder EIN-Zustand Schaltverhalten Thermisches Verhalten Sicherer Arbeitsbereich Darlington-Leistungstransistoren im Schaltbetrieb Leistungs-MOSFETs für Schaltbetrieb Funktionsprinzip und Aufbau Statisches Verhalten Schaltverhalten Parallel- und Reihenschaltung Thermisches Verhalten, SOAR-Bereich Technologie der Halbleiterbauelemente IQQ Anforderungen an die Technologie JQQ Herstellung von Si-Einkristallen Herstellung von Halbleiterbauelementen Meßverfahren Zur Einführung Dioden und Thyristoren Sperrichtung : Blockierrichtung beim Thyristor Durchlaßrichtung ' Schaltverhalten Wärmewiderstand Übungsaufgaben H5

4 8 Inhaltsverzeichnis 3. Netzgelöschte Stromrichter und Wechselstromsteller Einführung Einpulsgleichrichter, Gleichrichtertransformator, Verschiebungsfaktor Einpulsgleichrichter Belastung mit Widerstand ohne Glättung Glätten mit einer Drossel Glätten mit einem Kondensator Belastung mit Gegenspannung Phasenanschnittsteuerung Belastung mit Gegenspannung, Glätten mit einer Drossel Einpulsgleichrichter mit Freilaufzweig Kaskadenschaltung Gleichspannung und Gleichstrom mit überlagerten Wechselkomponenten Gleichrichtertransformator, ventil- und netzseitige Ströme Leistung bei verzerrten Strömen, Verschiebungsfaktor, Leistungsfaktor Zweipulsgleichrichter Brücken- oder Graetzschaltung Mittelpunktschaltung Phasenanschnittsteuerung Vollgesteuerte Brückenschaltung, Mittelpunktschaltung Halbgesteuerte Brückenschaltung, Mittelpunktschaltung mit Freilaufzweig Steuerblindleistung, Verschiebungsfaktor Gesteuerter Gleichrichter als Verstärker Kaskadenschaltung Dreipulsgleichrichter, induktiver Spannungsabfall Stern-Stern-Mittelpunktschaltung Vollständig geglätteter Gleichstrom Beliebig geglätteter Gleichstrom Stern-Zickzack-Mittelpunktschaltung Phasenanschnittsteuerung Induktiver Spannungsabfall Kommutierung Verlauf der ventilseitigen Ströme und der Gleichspannung während der Kommutierung Sechspulsgleichrichter und Gleichrichter höherer Pulszahl Sechspuls-Brückenschaltung Spannungen und Ströme Phasenanschnittsteuerung Induktiver Spannungsabfall Sechspuls-Mittelpunktschaltungen Dreieck-Doppelstern-Mittelpunktschaltung Saugdrosselschaltung Zwölfpulsschaltungen Parallelschaltung mit Saugdrossel Reihenschaltung Schaltungen mitp > Anwendungsgebiete für Gleichrichter Netzgeräte Ladegeräte Gleichrichter zum Lichtbogenschweißen Erregung von Synchronmaschinen :

5 Inhaltsverzeichnis Gleichstrom-Bahnunterwerke Elektrolysen, galvanische Bäder Gleichrichter für Einquadrantenbetrieb von Gleichstrommotoren Netzgelöschte Wechselrichter, Umkehrstromrichter, netzgelöschte Wechselstromumrichter Netzgelöschte Wechselrichter Wirkungsweise Spannungen, Ströme, Leistung Zündverfrühungswinkel Umkehrstromrichter, Umkehrantriebe Netzgelöschte Wechselstromumrichter Zwischenkreisumrichter Direktumrichter Anwendungsgebiete Stromversorgungsanlage für einen Sender Wechselrichter für magnetohydrodynamische Generatoren Untersynchrone Stromrichterkaskade Asynchrone Netzkupplungen und Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen Über Zwischenkreisumrichter gespeiste Synchronmotoren Einsatz von Direktumrichtern Wechsel- und Drehstromschalter und -steller Wechselstromschalter und -steller Wechselstromschalter Wechselstromsteller Drehstromschalter und -steller Anwendungsgebiete Hochspannungssteuerung mit Thyristorschaltwerk Beleuchtungseinrichtungen Steller für Widerstandsschweißgeräte Hochspannungsgleichrichter für Elektrofilter Temperaturregelung Spannungssteuerung von Asynchronmotoren Meßverfahren für netzgelöschte Stromrichter Prüfen von Gleichrichtern Wahl des Meßgerätetyps Spannungen und Ströme Leistung Übungsaufgaben Selbst- und lastgelöschte Stromrichter Gleichstromsteller Wirkungsweise des idealen Gleichstromstellers Berechnung des Gleichstromstellers mit abschaltbaren Halbleiterbauelementen Umkehr der Energierichtung und Mehrquadrantenbetrieb Gleichstromsteller mit Thyristoren Wirkungsweise der Kondensatorlöschung Berechnung des Löschvorgangs Löschschaltungen Gleichstromsteller-Schaltungen mit Thyristoren Anwendungsbeispiele Selbstgelöschte Wechselrichter Einteilung und Wirkungsweise Stromgespeiste Wechselrichter 269

6 10 Inhaltsverzeichnis Einphasige Stromwechselrichter 269, Dreiphasige Stromwechselrichter Spannungsgespeiste Wechselrichter Spannungswechselrichter mit abschaltbaren Halbleiterbauelementen Spannungswechselrichter mit Thyristoren Anwendungsbeispiele Lastgelöschte Wechselrichter Schwingkreis-Wechselrichter Grundschaltungen und Wirkungsweise Berechnung des Schwingkreis-Wechselrichters Maschinengelöschte Wechselrichter Anwendungsbeispiele Meßverfahren Meßverfahren für selbstgelöschte Wechselrichter Meßverfahren für Gleichstromsteller Übungsaufgaben Steuerung der Stromrichter Einführung Vorbetrachtung, Aufgaben des Steuergerätes Beschreibung der Steuergeräte mittels Zustandsgraphen Steueralgorithmen netzgelöschter Stromrichter Steueralgorithmus für die Zweipuls-Brückenschaltung Steuergrundgerät (SGG) Steuergeräte mehrphasiger Stromrichter Steueralgorithmen für Wechselstromsteller, Drehstromsteller und Schalter Steueralgorithmus des Wechselstromstellers Steueralgorithmus des Drehstromstellers Steueralgorithmen von Wechsel- und, Drehstromschaltern Anpassung der Steuergeräte an reale Betriebsbedingungen Modifikationen der Zündpulsbildung Sperrung der Zündpulsausgabe Begrenzung des Verschiebebereichs des Zündwinkels Steueralgorithmen selbstgelöschter Stromrichter Steueralgorithmen für Gleichstromsteiler Steueralgorithmen selbstgelöschter Wechselrichter Steueralgorithmen einphasiger Wechselrichter Steueralgorithmen dreiphasiger, selbstgelöschter Wechselrichter Aspekte der schaltungstechnischen Gestaltung der Steuergeräte Schaltungstechnik ausgewählter Baugruppen von Steuergeräten Synehronisationseinrichtungen Steuerbare Verzögerer Allgemeine Anforderungen Analoge Verzögerer Digitale Verzögerer Steuerung der Leitdauer der Ventile in selbstgelöschten Wechselrichtern Zündendstufen und Treiber Zündendstufen für Thyristoren Steuerimpulsgeneratoren für abschaltbare Thyristoren Treiber für bipolare Transistoren Treiber für MOS-Hochspannungs-Schalttransistoren Übungsaufgaben 364

7 Inhaltsverzeichnis Stromrichtergerjite und -anlagen, Netzrückwirkungen Übersicht Qualität der Netzspannung Spannung am Anschlußpunkt ohne Kompensationseinrichtungen Effektivwertabsenkung und -Schwankung Augenblicksabweichung der Netzspannung von ihrer Grundschwingung Amplitudenspektrum der Spannung am Anschlußpunkt Verringerung der Netzrückwirkungen Stromrichter mit verminderten Netzrückwirkungen Kompensation der Blindleistung mit Leistungskondensatoren und Blindstromrichtern Saugkreise Kurzschlußströme Kurzschlußarten und -kenngrößen Berechnung der Kurzschlußströme Dreipoliger Kurzschluß Zweipoliger Kurzschluß Kurzschlußimpedanzen Schutzeinrichtungen, Funk-Entstörung, Parallel- und Reihenschaltung Schutz für Dioden und Thyristoren Überspannungen Überströme Schutz für Transistoren Funk-Entstörung Parallel- und Reihenschaltung, Gleichstromfilter Konstruktive Formen Beispiel zur Auslegung von Stromrichtern Antworten zu den Übungsaufgaben Formelzeichen und Schaltzeichen Halbleiter-Leistungsbauelemente Stromrichterschaltungen Schaltzeichen Literaturverzeichnis " Sachwörterverzeichnis 422