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
Inhaltsverzeichnis 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3 4 4.1 4.2 4.3 4.4 5 5.1 5.2 5.3 6 6.1 6.2 6.3 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 12 12 15 15 17 17 19 20 22 23 26 26 27 27 29 30 35 35 36 38 43 47 47 48 49 53 53 63 66
7 7.1 7.2 7.2.1 7.2.2 7.3 8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 9 9.1 9.2 9.3 9.3.1 9.3.2 9.3.3 9.3.4 9.4 9.4.1 9.4.2 9.5 9.6 9.7 10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7.1.2.2.1.2.2.2.3.2.4 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 71 71 75 78 79 80 85 86 89 90 91 94 95 96 97 99 99 102 105 108 0 0 3 6 8 120 121 121 122 124 124 126 126 129 131 131 131 132 134 135 138
.2.5 Dreiphasen-Brücken-Schaltung 141.2.6 Sechsphasige Mittelpunktschaltung 143.3 Antiparallelschaltungen 145.3.1 Kreisstromfreie Schaltung 145.3.2 Kreisstromführende Schaltung 146.4 Zusammenfassung 148 12 Einsatzbeispiele von netzgeführten Stromrichtern in der Industrie 151 12.1 Ausführung, Arten, Auswahl 151 12.2 Versorgung statischer Verbraucher 154 12.3 Anwendungen von Gleichstromantrieben 159 12.4 174 13 Servoantriebe 175 13.1 Anforderungen an Servoantriebe 175 13.2 Komponenten des Antriebs 176 13.3 Drehzahlregelgeräte in analoger und getakteter Technik 179 13.4 Grundschaltungen getakteter Leistungsverstärker 183 13.5 Regler, Schutz- und Überwachungsfunktionen 188 13.6 Regelkreise für Drehmoment, Drehzahl und Position 190 13.7 Positionsgeregelte Vorschubachse 192 13.8 193 14 Antriebsregelungen mit dem Gleichstrom-Nebenschlußmotor und Stromrichtergeräten 195 14.1 Gleichstrom-Nebenschlußmotor 195 14.1.1 Aufbau und Funktion 195 14.1.2 Vollgeblechte Ausführung 196 14.1.3 Anschluß-Kennbuchstaben 198 14.1.4 Kennlinien des Gleichstrom-Nebenschlußmotors 198 14.1.5 Beziehungen für Gleichstrom-Nebenschlußmotor und Stromrichtergerät 200 14.1.6 Nennspanung 201 14.2 Arbeitsmaschinen 202 14.2.1 Allgemeine Beziehungen der Antriebstechnik 202 14.2.2 Drehmoment- und Leistungskennlinien 204 14.3 Betriebsarten des thyristorgespeisten Gleichstrommotors 205 14.3.1 Quadrantenbetrieb I bis IV 205 14.4 Betriebsarten der Stromrichter 206 14.4.1 Betriebsarten eines Doppel-Stromrichters im Vierquadrantbetrieb 206 14.4.2 Arbeitsweise eines Zweifach-Stromrichters 207 14.4.3 Steuerkennlinie und resultierende Gleichspannung bei der Dreh-. Strombrückenschaltung 208
14.5 14.5.1 14.5.1.1 14.5..2 14.5.2 14.5.2.1 14.5.2.2 14.5.2.3 14.5.2.4 14.5.3 14.5.3.1 14.5.3.2 14.5.3.3 14.5.3.4 14.5.3.5 14.6 1 1.1 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1..1.2.3.4.5.6.7.8.9 1.1.10.1..2.3.3.1.3.2.3.3.3.4 1.3.5 2 2.1 2.2 2.3 2.4 3 «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 209 209 209 210 21 2 2 212 213 213 213 216 216 216 218 218 219 219 219 220 220 222 224 224 224 227
5 Mehrmotorenregelung mit synchronem Drehzahlgleichlauf 227 6 Mehrmotorenregelung mit reib- oder kraftschlüssiger Gleichlastregelung und drehzahlgeführter Gleichlastkorrektur 229 15 Statische Wechselrichter für die unterbrechungsfreie Stromversorgung 231 15.1 Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) 231 15.1.1 Einzel-USV mit Umgehung (elektronische Umschalteinrichtung) 232 15.1.2 Parallelredundante USV mit Umgehung 235 15.1.3 Besondere Ersatzstromversorgung nach VDE 0107 237 15.2 Wechselrichter mit Thyristoren 239 15.3 Wechselrichter mit Leistungstransistoren 242 15.4 Wesentliche Wechselrichter-Eigenschaften. 243 15.4.1 Wirkungsgrad 244 15.4.2 Kurzschlußverhalten 245 15.4.3 Dynamisches Verhalten (Spannungsabweichungen) 247 16 Kommutierung bei selbstgeführten Stromrichtern 249 16.1 Definition 249 16.2 Kommutierung bei Stromrichtern mit Thyristoren 249 16.3 Stromrichterschaltung nach McMurray 250 16.3.1 Kommutierungsvorgang 252 16.3.2 Dimensionierung des Kommutierungskreises 256 16.4 zu Kapitel 15 und 16 257 17 Anwendungen umrichtergespeister Antriebe 259 17.1 Umrichterantriebe: wirtschaftlich, konkurrenzfähig? 259 17.2 Drehzahlverstellung bei Drehstrommotoren 261 17.3 Umrichter ohne Zwischenkreis 262 17.4 Umrichter mit Stromzwischenkreis (/-Umrichter) 264 17.4.1 Stromrichtergespeiste Synchronmaschinen 264 17.4.2 Untersynchrone Stromrichterkaskade 267 17.4.3 Umrichter mit eingeprägtem Strom für Käfigläufermotoren 268 17.5 Umrichter mit Spannungszwischenkreis ({/-Umrichter) 270 17.5.1 {/-Umrichter mit variabler Zwischenkreisspannung 271 17.5.2 (/-Umrichter mit konstanter Zwischenkreisspannung (Pulsumrichter) 272 17.6 Zusammenfassende Anwendungskriterien 274 17.7 276 18 Stichwortverzeichnis 277