Springer-Lehrbuch Manfred Michel Leistungselektronik Eine Einführung Mit 174 Abbildungen und 29 Übungsaufgaben Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH Prof. Dr.-Ing. Manfred Michel Institut rur Allgemeine Elektrotechnik Technische Universität Berlin Sekr.E2 Einsteinufer 19 1000 Berlin 10 ISBN 978-3-540-54471-5 ISBN 978-3-662-08358-1 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-08358-1 Dieses Werk ist urheberrechtJich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags,der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funk sendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfaltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfaltigung dieses Werkes odervon Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nurin den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in derjeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Stralbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1992 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1992 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt aufG esetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN,V DI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in derjeweils gültigen Fassung hin zuzuziehen. Satz: Reproduktionsfertige Vorlage vom Autor 68/3020 5 4 3 2 1 0 -Gedruckt auf säurefreiem Papier Vorwort Wie viele Gebiete der Elektrotechnik entwickelt sich auch die Leistungs elektronik gegenwärtig sehr rasch weiter. Die Ursachen hierfür sind neu ein geführte elektronische Halbleiterventile und die Fortschritte der elektroni schen Signalverarbeitung. Mit diesen Entwicklungen sind nicht nur theoreti sche und praktische Neuerungen in den leistungselektronischen Geräten, son dern auch erweiterte Anwendungen verbunden. Darüber hinaus sind viele Arbeitsgebiete der Elektrotechnik wie die elektrische Antriebstechnik, die elektrische Energieverteilung und die Elektrotechnologie, eng mit der Lei stungselektronik verbunden. Grundlegende leistungselektronische Kennt nisse werden heute verstärkt in diesen Gebieten benötigt. Das vorliegende Buch soll als einführendes Lehrbuch in die Leistungselektro nik den Leser mit dem systematischen Aufbau und den Arbeitsmethoden die ses Gebietes vertraut machen. Damit soll er in die Lage versetzt werden, die Weiterentwicklungen und Neuerungen zu verstehen und anzuwenden. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem Erwerben von grundlegenden Kenntnissen und dem Gewinnen von Verständnis für die elektrischen Vorgänge. Es wird auch nicht die Vielzahl vorhandener leistungselektronischer Schaltungen behandelt, sondern es werden an ausgewählten Beispielen die Wirkungsprin zipien gezeigt und die Methoden erarbeitet, mit denen diese beschrieben werden können. Damit soll auch die Basis gelegt werden für das heute mögli che Einbeziehen von Rechnerprogrammen zur Beschreibung leistungselek tronischer Schaltungen. Diese können nicht ohne grundlegende Kenntnisse der physikalischen Grundlagen erfolgreich eingesetzt werden. Der beschriebenen Absicht des Buches dienen auch die jedem Abschnitt bei gegebenen Aufgaben. Sie sollen den Leser über die aktive Mitarbeit zu einem vertieften Verständnis der elektrischen Vorgänge führen. Zur Erleichterung der Lösung sollten hierbei für einige Aufgaben die am Ende des Buches vor handenen Kurvenblätter verwendet werden. Wenn das Buch auch in erster Linie für Studenten der Universitäten, der Technischen Hochschulen und der Technischen Fachhochschulen gedacht ist, so kann es auch dem in seinem Beruf tätigen Ingenieur helfen, sich neue Arbeitsgebiete zu erschließen. VI Vorwort Für das Schreiben des Manuskriptes danke ich Frau Wolny. Mein besonderer Dank gilt meinem Sohn Stephan, der das Manuskript zur reproduktionsferti gen Vorlage umgearbeitet hat. Nicht zuletzt gilt mein Dank dem Springer Verlag für die gute Zusammenarbeit. Berlin, Januar 1992 Manfred Michel Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung ................., ............................................................................. 1 2 Grundbegriffe und Grundgesetze .................................................. 4 2.1 Idealisierte Schaltungselemente ........................................................ 4 2.2 Berechnen von Zeitverläufen ............................................................. 7 2.2.1 Periodisches Schalten .......................................................................... 9 2.2.2 Schalten -Steuern ................................................................................. 11 2.2.3 Eingeschwungener Zustand bei periodischem Schalten ............... 12 2.3 Berechnen von Mittelwerten .............................................................. 13 2.4 Berechnen der Harmonischen ........................................................... 14 2.5 Darstellen der Leistung ...................................................................... 17 2.5.1 Beispiel sinusförmige Spannung, nichtsinusförmiger Strom ....... 18 3 Elektronische Ventile ......................................................................... 20 3.1 Systematische Übersicht .................................................................... 20 3.2 Beispiele elektronischer Ventile ........................................................ 23 3.2.1 Leistungs-Halbleiterdiode ................................................................. 23 3.2.2 Thyristor ............................................................................................... 27 3.2.3 Abschaltthyristor ................................................................................ 32 3.2.4 Bipolarer Transistor ............................................................................ 35 3.2.5 MC>S-Feldeffekttransistor ................................................................... 40 3.2.6 Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) ........................................ 45 3.3 Beschaltung elektronischer Ventile .................................................. 48 3.4 Ansteuerung elektronischer Ventile ................................................. 52 3.5 Kühlung elektronischer Ve ntile ........................................................ 56 3.5.1 Bestimmung der Verluste .................................................................. 57 3.5.2 Thermisches Ersatzschaltbild ............................................................ 59 3.5.3 Anwenden des thermischen Ersatzschaltbildes ............................. 64 Aufgaben zum Abschnitt 3 ................................................................ 66 Lösungen der Aufgaben zum Abschnitt 3 ...................................... 69 VllI Inhaltsverzeichnis 4 Schaltungsübersicht und Stromübergang zwischen Ventilzweigen .................................................................................... 74 4.1 Die Grundschaltungen der Leistungselektronik ........................... -74 4.2 Stromübergang zwischen Ventilzweigen ....................................... 77 4.2.1 Grundprinzip ...................................................................................... 77 4.2.2 Stromübergang mit abschaltbaren Ventilen ................................... 80 4.2.3 Stromübergang mit idealem Schalter ............................................... 83 4.2.4 Stromübergang ohne Überlappung ................................................. 84 4.3 Zur Bedeutung des Begriffes Stromü bergang ................................ 85 4.4 Beispiele zum selbstgeführten Stromübergang .............................. 86 Aufgaben zum Abschnitt 4 ............................................................... 96 Lösungen der Aufgaben zum Abschnitt 4 ...................................... 97 5 WS/GS-Umrichter mit eingeprägtem Gleichstrom (WS/GS-I-Umrichter) ........................................................................ 104 5.1 WS/GS-I-Umrichter mit einschaltbaren Ventilen ......................... 104 5.1.1 Netzgeführte WS/GS-I-Umrichter ................................................... 104 5.1.1.1 Idealisierte Sechspuls-Brückenschaltung ........................................ 104 5.1.1.2 Netzkommutierung bei der Sechspuls-Brückenschaltung ........... 111 5.1.1.3 Eigenschaften an der WS-Schnittstelle ............................................ 123 5.1.1.4 Doppel-Stromrichter Mehrquadrantenbetrieb ............................. 133 I 5.1.1.5 Direktumrichter .................................................................................. 135 5.1.2 Lastgeführte WS/GS-I-Umrichter .................................................... 137 5.1.2.1 Schwingkreiswechselrichter mit Parallelkompensation ............... 137 5.1.2.2 Stromrichter-Synchronmotor ............................................................ 141 5.1.3 Selbstgeführte WS/GS-I-Umrichter ................................................. 143 5.2 WS/GS-I-Umrichter mit abschaltbaren Ventilen ........................... 146 Aufgaben zum Abschnitt 5 ............................................................... 147 Lösungen der Aufgaben zum Abschnitt 5 ...................................... 149 6 WS/GS-Umrichter mit eingeprägter Gleichspannung (WS/GS-U-Umrichter) ....................................................................... 159 6.1 WS/GS-U-Umrichter mit einschaltbaren Ventilen ........................ 159 6.1.1 Netzgeführte WS/GS-U-Umrichter .................................................. 159 6.1.1.1 Idealisierte Zweipuls-Brückenschaltung ......................................... 159 6.1.1.2 Stromübergang .................................................................................... 161 6.1.2 Lastgeführte WS/GS-U-Umrichter .................................................. 167 6.1.3 Selbstgeführte WS/GS-U-Umrichter ................................................ 171 6.1.3.1 Selbstgeführter WS/GS-U-Umrichter mit Phasenfolgelöschung. 171 6.1.3.2 Selbstgeführter WS/GS-U-Umrichter mit Phasenlöschung ......... 173 6.2 WS/GS-U-Umrichter mit abschaltbaren Ventilen ......................... 174 6.2.1 Einphasige Wechselrichterschaltungen ........................................... 174 6.2.2 Dreiphasige Wechselrichterschaltungen ......................................... 177 6.3 Steuerverfahren zur Änderung der Ausgangsspannung ............. 189 Inhaltsverzeichnis IX 6.3.1 Steuerverfahren ................................................................................... 190 6.3.2 PulsbreitenlIlOdulation ....................................................................... 193 6.3.3 Bestimmen der Schaltwinkei über die Berechnung der Hannonischen ..................................................................................... 198 6.3.4 Raumzeiger-Modulation .................................................................... 206 6.3.5 Zweipunktregelung ........................................................................... 208 6.3.6 Abweichungen von den ennittelten Pulsmustern ......................... 209 6.3.7 Zur Anwendung der verschiedenen Steuer'Verfahren .................. 209 6.4 WS/G5-U-Umrichter am starren Netz ............................................ 210 Aufgaben zum Abschnitt 6 ................................................................ 215 Lösungen der Aufgaben zum Abschnitt 6 ...................................... 217 7 GS-Umrichter ...................................................................................... 230 7.1 Direkte G5-Umrichter ......................................................................... 230 7.1.1 Tiefsetzsteller mit passiver Last ........................................................ 230 7.1.2 Tiefsetzsteller mit Gegenspannung .................................................. 237 7.1.3 Hochsetzsteller mit Gegenspannung ............................................... 238 7.2 Indirekte G5-Umrichter ...................................................................... 239 7.2.1 Durchflußwandler .............................................................................. 240 7.2.2 Sperrwandler ....................................................................................... 241 7.3 Anwenden von Resonanzschaltungen in G5-Umrichtem ............ 241 7.3.1 Resonanz-Schaltentlastung bei einem Tiefsetzsteller .................... 244 Aufgaben zum Abschnitt 7 ................................................................ 252 Lösungen der Aufgaben zum Abschnitt 7 ....................................... 253 8 WS-Umrichter, Wechselstromsteller .............................................. 256 8.1 Einschalten von Wechselstrom ......................................................... 256 8.2 Wechselstromsteller ............................................................................ 257 8.3 Drehstromsteller ................................................................................. 263 Aufgaben zum Abschnitt 8 ................................................................ 272 Lösungen der Aufgaben zum Abschnitt 8 ....................................... 274 Formelzeichen, Indizes ..................................................................... 282 Literaturverzeichnis .......................................................................... 286 Sachwortverzeichnis ......................................................................... 292 Kurvenblätter ...................................................................................... 297 1 Einleitung Mit Leistungselektronik wird das Teilgebiet der Elektrotechnik bezeichnet, das sich mit dem Steuern und Umformen elektrischer Energie mit Hilfe von elektronischen Ventilen beschäftigt. Dabei werden mit dem Begriff Ventil solche Bauelemente bezeichnet, die abhängig von der Richtung von Strom oder Spannung unterschiedliche elektrische Eigenschaften besitzen. In der Energietechnik erfolgt Steuern und Umformen so, daß die Energiever luste möglichst klein sind. Deshalb werden in ihr elektronische Ventile aus schließlich im Schalterbetrieb, also umschaltend zwischen den Betriebszu ständen AUS und EIN, verwendet. Bisher wurden Ventile dieser Art mit Stromrichterventil bezeichnet. Als Bau elemente standen dafür anfänglich Quecksilberdampfventile und später Halbleiterbauelemente als Dioden und Thyristoren zur Verfügung. Das Gebiet der Anwendung von Stromrichterventilen wurde mit Stromrichter technik bezeichnet. Mit dem Einführen immer leistungsfähigerer Halbleiter bauelemente zusammen mit dem Anwenden der Fortschritte auf dem Gebiet der elektronischen Signalverarbeitung entwickelte sich dann dieses Gebiet zur Leistungselektronik. Innerhalb des Gesamtgebietes der Leistungselektronik können Teilbereiche benannt werden, in denen die folgenden Arbeitsschwerpunkte zu finden sind: -Elektronische Ventilbauelemente Bei der Entwicklung und Herstellung elektronischer Ventile steht die Lösung von Problemen aus dem Gebiet der Halbleiterphysik im Vordergrund. -Schaltungslehre der Leistungselektronik In diesem Teilgebiet werden die sich aus der Anwendung elektroni scher Ventile ergebenden Fragen und die des Zusammenwirkens der Ventilbauelemente bearbeitet. Hierzu gehören auch Fragen des konstruktiven Aufbaues von Geräten der Leistungselektronik sowie deren Schutz gegen Überbeanspruchungen. 2 1 Einleitung -Steuerungstechnik in der Leistungselektronik Für das Ansteuern der Ventilbauelemente in einer Schaltung der Leistungselektronik im normalen Betrieb und im Störungsfall werden elektronische Schaltungen verwendet. Die Steuersignale müssen dabei mit Mitteln der Signalverarbeitung erzeugt und danach für das Ansteuern der elektrischen Ventile verstärkt werden. -Anwenden leistungselektronischer Betriebsmittel in geregelten Systemen Geräte der Leistungselektronik eignen sich besonders gut als Stell glieder in Regelkreisen. Ihre Beschreibung und das Anpassen an die zu regelnden Strecken spielen eine wichtige Rolle. -Zusammenarbeiten leistungselektronischer Geräte mit anderen Betriebsmitteln Hierzu gehören Fragen der Rückwirkung leistungselektronischer Geräte auf das speisende Netz und Probleme der gegenseitigen elektro-magnetischen Beeinflussung. Den Schwerpunkt des vorliegenden Buches bilden die Schaltungslehre der Leistungselektronik und die zugehörige Steuerungstechnik. Bei letzterem wird weniger auf die elektrische Auslegung der Komponenten als auf die Steuerprinzipien eingegangen. Diese beiden Gebiete stellen nach wie vor das zentrale Arbeitsfeld der Leistungselektronik dar. Auf die Weiterentwicklung der Leistungselektronik durch das Einführen neuer elektronischer Ventile und durch das Anwenden der Möglichkeiten der Signalelektronik wird eingegangen. Außer den auf dem zentralen Gebiet der Leistungselektronik Tätigen benötigen auch die Anwender leistungselektronischer Geräte das Verständnis der wichtigsten Schaltungen der Leistungselektronik. Auf die übrigen Teilgebiete der Leistungselektronik wird, mit Ausnahme der Anwendung in geregelten Systemen, exemplarisch eingegangen. Dabei werden in einem Kapitel die Gesichtspunkte beim Anwenden elektronischer Ventile behandelt. Die historische Entwicklung der Leistungselektronik verlief über das Anwen den zunächst ungesteuerter Quecksilberdampfventile für die Bahnstromver sorgung zum Einsatz der steuerbaren Quecksilberdampfventile in der Antriebstechnik mit Gleichstrommotoren. Letztere erlebte in den fünfziger Jahren eine Blüte. Mit den in den sechziger Jahren eingeführten Halbleiter ventilen, den Thyristoren, verbreiterte sich das Anwendungsgebiet der Leistungselektronik erheblich. Einmal konnten damit elektronische Ventile auch kleiner Leistung wirtschaftlich eingesetzt werden, und zum anderen wurde mit den Halbleiterventilen die mechanische Empfindlichkeit der Quecksilberdampfventile überwunden. Die bis dahin verwendeten elektronischen Ventile konnten über den Steuer anschluß nur eingeschaltet werden. Sie schalteten nur bei einem von den