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Uwe Probst

Leistungselektronik für Bachelors

9 7 8 3 4 4 6 4 2 7 3 4 1

www.hanser.de

€ 29,90 [D] | € 30,80 [A]

ISBN 978-3-446-42734-1

Uwe Probst

Leistungselektronik für BachelorsGrundlagen und praktische Anwendungen

2., aktualisierte und erweiterte Auflage

Dieses Lehrbuch für Studierende der Elektrotechnik führt in das Gebietder Leistungselektronik mit ihren Bauelementen und Steuerverfahren ein.Es vermittelt systematisch den grundlegenden Aufbau und die Funktions -weise moderner Leistungshalbleiterbauelemente. Anhand der grund -legenden Gleichrichterschaltungen mit Dioden und Thyristoren werdendie Begriffe und mathematischen Verfahren eingeführt, mit denenleistungs elektronische Schaltungen beschrieben und berechnet werdenkönnen. Darauf aufbauend werden die Schaltungen erläutert, die unterVerwendung moderner Schalttransistoren die Grundlage der heutigenNetzteile und Antriebssteller bilden.

Auf www.leistungselektronik.de.vu finden sich für fast alle im Buch be -sprochenen Grundschaltungen Java-Applets mit interaktiven Simulations -programmen, mit denen die Funktionsweise der Schaltungen durchAnimationen veranschaulicht und die Zeitverläufe der Ströme und Span -nungen dargestellt werden. Sie sind für das schaltungstechnische Ver -ständnis wichtig und für die Lösung der Übungsaufgaben sehr hilfreich.

Beispiele, zahlreiche Abbildungen und Übungsaufgaben mit Lösungs vor -schlägen ergänzen den Lehrstoff und ermöglichen eine vertiefte Ausein -andersetzung mit der Leistungselektronik. Das Buch eignet sich durchdie vielen Übungsmöglichkeiten besonders für das Bachelor-Studium.

Für die 2. Auflage wurde das Lehrbuch vollständig durchgesehen undaktualisiert. Neue Abschnitte finden sich u.a. zum Schutz von Leistungs -halbleitern und zu den Einsatzgebieten und Anwendungen der Wechsel -richter, insbesondere im Bereich der Erneuerbaren Energien. Neue Übungen sind hinzugekommen und die Java-Applets werden intensiver zur Erläuterung von Zusammenhängen genutzt.

Der Autor:Prof. Dr.-Ing. Uwe Probst lehrtLeistungselektronik und Antriebs -technik am Fachbereich Elektro-und Informationstechnik der Tech -nischen Hochschule Mittelhessen.

Auf der Website:http://www.leistungs elektronik.de.vu

• Interaktive Simulationspro -gramme als Java-Applets

• Informationen über Leistungs -halbleiter

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Probst Leistungselektronik für Bachelors

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Uwe Probst

Leistungselektronik für Bachelors Grundlagen und praktische Anwendungen

2., aktualisierte und erweiterte Auflage

Mit 205 Bildern, 56 Beispielen und 57 Übungen

Fachbuchverlag Leipzigim Carl Hanser Verlag

Prof. Dr.-Ing. Uwe Probst Fachbereich Elektro- und Informationstechnik Technische Hochschule Mittelhessen

Alle in diesem Buch enthaltenen Programme, Verfahren und elektronischen Schaltungen wurden nach bestem Wissen erstellt und mit Sorgfalt getestet. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund ist das im vorliegenden Buch enthaltene Programm-Material mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autor und Verlag übernehmen infolgedessen keine Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Ha�ung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieses Programm-Materials oder Teilen davon entsteht.

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 dür�en.

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

ISBN: 978-3-446-42734-1 E-Book-ISBN: 978-3-446-42876-8

Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches, oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schri�liche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung – mit Ausnahme der in den §§ 53, 54 URG genannten Sonderfälle –, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden.

© 2011 Carl Hanser Verlag München Internet: http://www.hanser.de

Lektorat: Mirja Werner, M.A. Herstellung: Dipl.-Ing. Franziska Kaufmann Satz: le-tex publishing services GmbH, Leipzig Coverconcept: Marc Müller-Bremer, www.rebranding.de, München Coverrealisierung: Stephan Rönigk Druck und Bindung: Beltz Bad Langensalza GmbH, Bad Langensalza Printed in Germany

Vorwort

Seit dem Wintersemester 2010 sind alle Diplom-Studiengänge auf die neuen Bachelor- undMasterprogramme umgestellt. Durch die Neuordnung wurden die Präsenzphasen an denHochschulen gekürzt und Studierende zu mehr Eigenarbeit veranlasst. Diese Eigenarbeitanhand von Beispielen und überschaubaren Übungsaufgaben zielgerichtet zu strukturierensowie mit einfach handhabbaren und über das Internet bedienbaren Simulationsprogrammenzu unterstützen, ist ein wesentliches Ziel dieses Buches.

Die Inhalte basieren auf der gleichnamigen Vorlesung „Leistungselektronik“, die ich seit 2002an der Technischen Hochschule Mittelhessen in dieser Form anbiete. Mathematische Grund-lagen, die für das Verständnis und die Auslegung leistungselektronischer Schaltungen uner-lässlich sind, werden im ersten Kapitel vorgestellt. Ausgehend von einer Darstellung der mo-dernen Halbleiterbauelemente im Kapitel 2 folgt im Kapitel 3 eine umfassende Beschreibungder netzgeführten Stromrichter und ihrer Funktionsweise. Kapitel 4 ist den Gleichstromstel-lern und ihren Steuerverfahren gewidmet, die eine Grundlage der modernen Schaltnetzteilebilden. Im Kapitel 5 werden die Grundschaltungen der Gleichstromsteller zu ein- und drei-phasigen spannungseinprägenden Wechselrichtern und den zugehörigen Steuerverfahren er-weitert. Diese sind zentraler Bestandteil der modernen elektrischen Antriebstechnik und fin-den ebenso Anwendung beim Netzanschluss von umweltfreundlichen Solargeneratoren undWindkraftanlagen.

Gegenüber der ersten Auflage wurden auf Anregungen der Leser Hinweise zum Schutz derLeistungsbauelemente in Kapitel 2 aufgenommen. Das fünfte Kapitel wurde um moderne Mo-dulationsverfahren ergänzt.

Neben vielen Beispielen enthält diese Auflage zusätzliche Übungsaufgaben mit ausführlichenLösungsvorschlägen. Sie sollen die Studierenden bei der intensiven Auseinandersetzung mitdem behandelten Stoff begleiten. Die Zahl der verfügbaren Applets auf der Homepage zu die-sem Buch wurde drastisch erweitert, und deckt nahezu alle besprochenen Schaltungen ab.Diese Java-Applets zeigen – wie bei Simulationsprogrammen üblich – die charakteristischenZeitverläufe der Zustandsgrößen, die für die Schaltung entscheidend sind. Zusätzlich bietensie eine animierte Darstellung der jeweils leitenden Schaltungszweige und erleichtern so dasVerständnis ihrer Funktionsweise.

Dieses Buch richtet sich an Studierende und Mitarbeiter der Elektrotechnik an Universitä-ten und Fachhochschulen sowie an Ingenieure in der Praxis, die sich einen Einblick in dieWirkungsweise von leistungselektronischen Bauelementen und Schaltungen verschaffen wol-len.

Ich danke meiner Lektorin Frau Mirja Werner für das sorgfältige Korrigieren des Manuskriptssowie allen an dieser Arbeit beteiligten Studenten und Mitarbeitern der Technischen Hoch-schule Mittelhessen. Insbesondere haben Dipl.-Ing. Matthias Loth mit seinem engagiertenEinsatz bei der Umsetzung wichtiger Schaltungstopologien in praxisgerechte Laborversucheund Dipl.-Ing. Mark Weber mit der Erstellung der Programm-Bibliothek, die Grundlage aller

6 Vorwort

Java-Applets ist, viel zu diesem Werk beigetragen. Schließlich gebührt ein besonderer Dankmeiner Familie, die die Arbeit immer unterstützt und große Teile der Arbeit korrekturgelesenhat.

Gießen, im September 2011 Uwe Probst

URL der Internetseite mit den Applets zum Buch:(http://www.Leistungselektronik.de.vu)

URL der Internetseite mit Applets zu Modulationsverfahren und Antrieben:(http://www.ElektrischeAntriebstechnik.de.vu)

Inhalt

1 Einführung in die Leistungselektronik .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.2 Eigenschaften des Schaltbetriebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.2.1 Gleich-, Wechsel-, Mischgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.2.2 Arithmetischer Mittelwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2.3 Effektivwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.2.4 Gesamteffektivwert, Klirrfaktor, Formfaktor und Welligkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.2.5 Überschlägige Berechnung bei einfachen Kurvenverläufen. . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.3 Leistungsbilanz bei Stromrichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.3.1 Leistungsfaktor bei sinusförmigen Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.3.2 Fourier-Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.3.3 Blindleistung bei Stromrichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.4 Betriebsquadranten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

1.5 Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2 Leistungshalbleiter.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.1 Vergleich von idealen und realen Schaltern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.2 Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.3 Thyristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.4 Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.4.1 MOSFET (Unipolar-Transistor) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.4.2 Bipolar-Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.4.3 IGBT .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.4.4 Gemeinsamkeiten von Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.5 Abschaltbare Thyristoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.5.1 Gate-Turn-Off-Thyristor (GTO) .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.5.2 Integrated-Gate-Commutated-Thyristor (IGCT). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.6 Schutz von Leistungshalbleitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.6.1 Spannungsbelastbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.6.2 Überspannungsschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

2.6.3 Schutz gegen Überstrom und Kurzschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

8 Inhalt

2.6.4 Ein- und Ausschaltentlastung bei Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

2.7 Erwärmung und Kühlung von Leistungshalbleitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

2.7.1 Durchlassverluste bei Thyristoren und Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

2.7.2 Verluste bei Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.7.2.1 Durchlassverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.7.2.2 Schaltverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

2.7.3 Wärmetransport und Auslegung der Kühlung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

2.8 Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

3 Stromrichterschaltungen mit Dioden und Thyristoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 823.1 Einpuls-Gleichrichter M1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

3.1.1 Aufbau der Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

3.1.2 Funktionsweise der ungesteuerten M1U-Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

3.1.3 Funktionsweise der gesteuerten M1C-Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

3.2 Zweiphasige Mittelpunktschaltung M2 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

3.2.1 Aufbau und Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

3.2.2 Stromglättung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

3.2.3 Steuergesetz im nicht lückenden Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

3.3 Dreiphasige Mittelpunktschaltung M3 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

3.3.1 M3-Schaltung bei ohmscher Last . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

3.3.1.1 Steuergesetz im nicht lückenden Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

3.3.1.2 Steuergesetz im Lückbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

3.3.2 M3-Schaltung bei idealer Glättung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

3.3.3 Glättungsdrossel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

3.3.4 Wechselrichterbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

3.3.5 Auswirkung und Berechnung der Kommutierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

3.3.5.1 Kommutierung bei netzgeführten Stromrichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

3.3.5.2 Auswirkung der Überlappung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

3.3.5.3 Wechselrichtergrenze. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

3.3.5.4 Gleichspannungsersatzschaltbild für Mittelwerte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

3.3.6 Mittelpunktschaltungen mit verbundenen Anoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

3.3.7 Netzströme und Transformatorbauleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

3.4 Brückenschaltungen netzgeführter Stromrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

3.4.1 Vollgesteuerte Drehstrombrückenschaltung B6C .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

3.4.2 Brückenschaltung B2C .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

3.5 Umkehrstromrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

3.6 Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

Inhalt 9

4 Gleichstromsteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1394.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

4.2 Tiefsetzsteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

4.2.1 Grundschaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

4.2.2 Realer Tiefsetzsteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

4.2.3 Dimensionierung des LC-Filters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

4.2.4 Stromwelligkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

4.2.5 Betrieb mit lückendem Strom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

4.3 Hochsetzsteller. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

4.3.1 Grundlegende Arbeitsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

4.3.2 Betrieb mit lückendem Strom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

4.4 Mehrquadrantensteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

4.4.1 Zweiquadrantensteller mit Stromumkehr. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

4.4.2 Zweiquadrantensteller mit Spannungsumkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

4.5 Vollbrücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

4.5.1 Allgemeine Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

4.5.2 Pulsweitenmodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

4.5.2.1 Pulsweitenmodulation mit zwei Spannungsniveaus (PWM2) .. . . . 170

4.5.2.2 PWM mit drei Spannungsniveaus (PWM3) .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

4.6 Ansteuerschaltungen für MOS-Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

4.6.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

4.6.2 CMOS-Gatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

4.6.3 Gegentaktstufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

4.6.4 Beschleunigtes Abschalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

4.6.5 Treiber-ICs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

4.6.6 Potenzialfreie Ansteuerung mit Impulsübertrager. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

4.7 Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

5 Umrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2015.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

5.2 Einphasige spannungseinprägende Wechselrichter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

5.2.1 Halbbrücke mit Grundfrequenztaktung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

5.2.2 Vierquadrantensteller mit Grundfrequenztaktung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

5.2.3 Steuerverfahren zur Verstellung von Frequenz und Amplitude . . . . . . . . . . . . . 210

5.2.3.1 Pulsamplitudenmodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

5.2.3.2 Vierquadrantensteller mit Unterschwingungsverfahren . . . . . . . . . . . 210

5.2.4 Anwendungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

10 Inhalt

5.3 Dreiphasiger spannungseinprägender Wechselrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

5.3.1 Grundlegender Aufbau und Steuerverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

5.3.1.1 Grundfrequenztaktung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

5.3.1.2 Unterschwingungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

5.3.1.3 Raumzeigermodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

5.3.1.4 Weitere Steuerverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

5.3.1.5 Flattop-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

5.3.2 Ergänzende Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

5.4 Einsatzgebiete und Anwendungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

5.4.1 Elektronische Antriebstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

5.4.2 Netzeinspeisung regenerativ erzeugter Energien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

5.5 Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

Formelzeichen und Abkürzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .251

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .255

Index .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .257

1 Einführungin die Leistungselektronik

1.1 Grundlagen

Lernziele

Der Lernende . . .

■ unterscheidet die Begriffe schalten, steuern, umrichten, gleichrichten

■ begründet die Vorteile des Schaltbetriebs

■ kennt die unterschiedlichen Einsatzgebiete der Leistungselektronik

Die Leistungselektronik ist ein wesentliches Teilgebiet der Automatisierungstechnik. Zudemfindet man sie in vielen anderen Bereichen des täglichen Lebens. Moderne Traktionsanwen-dungen (U-Bahnen, Straßenbahnen, ICE), einfache drehzahlregelbare elektrische Bohrma-schinen, Computernetzteile oder der Dimmer zur Helligkeitssteuerung von Glühbirnen basie-ren auf leistungselektronischen Schaltungen. Zunehmend mehr Haushaltsgeräte (Waschma-schinen, Kühlschränke, Geschirrspüler) werden zur Verbesserung ihres Wirkungsgrades mitMotoren ausgestattet, deren Drehzahl über Stromrichter energieeffizient gesteuert werdenkann.

Gegenwärtig beträgt der Anteil der elektrischen Energie am Gesamtenergieverbrauch etwa40 %, wird aber bis 2040 auf 60 % anwachsen. Gleichzeitig wird der Anteil der elektrischenEnergie, die über leistungselektronische Schaltungen gesteuert wird, von 40 % im Jahr 2000auf 80 % im Jahr 2015 ansteigen. Damit entwickelt sich die Leistungselektronik zu einer derSchlüsseltechnologien der kommenden Jahre.

Leistungselektronische Schaltungen werden eingesetzt, um möglichst verlustarm elektrischeEnergie einer Spannungsebene in elektrische Energie mit einer anderen Spannung umzuwan-deln.

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Bild 1.1 Helligkeitssteuerung einer Glühbirne a) mit Vorwiderstand b) mit Schaltbetrieb (Dimmer)

12 1 Einführung in die Leistungselektronik

Am Beispiel der Helligkeitssteuerung einer Glühbirne wird dies deutlich: Sie leuchtet umsoheller, je größer der Strom ist, der durch den Glühdraht fließt. Um die Höhe des Stromes unddamit die Leuchtstärke der Lampe zu beeinflussen, muss die Spannung, mit der die Lampeversorgt wird, geändert werden können.

Bild 1.1 zeigt dafür prinzipiell verschiedene Möglichkeiten auf. Im Teilbild a) wird ein ein-stellbarer Vorwiderstand verwendet. Je nach Stellung des Schleifers fällt am Vorwiderstand einmehr oder weniger großer Teil der Netzspannung ab. Die Spannung u0 an der Lampe ist umdiesen Betrag kleiner als die Netzspannung. Somit kann durch Verändern der Schleiferstellungdie Größe der Spannung u0 gesteuert werden.

u0 = RGlühbirne

RVor +RGlühbirne·uN

Unabhängig von der Stellung des Schleifers fließt hierbei immer Strom durch Lampe und Vor-widerstand. Diese Art der Helligkeitssteuerung ist nicht optimal, weil der Spannungsabfall amVorwiderstand in Verbindung mit dem fließenden Strom in Wärme umgesetzt wird und somitEnergie nutzlos verloren geht.

In Bild 1.1 b) wird statt des Vorwiderstandes als einfachste Variante eines Stromrichters einelektronischer Schalter verwendet. Ist der Schalter geschlossen, so liegt die Netzspannung ander Lampe. Ist der Schalter geöffnet, dann ist die Spannung an der Lampe null und es fließtkein Strom. Diese Betriebsart heißt Schaltbetrieb.

Schalter ein: u0 = uN Schalter aus: u0 = 0

Die grundlegenden Unterschiede zwischen beiden Betriebsarten werden in den Zeitverläufenin Bild 1.2 deutlich. Ist der Widerstandswert des Vorwiderstandes gleich dem der Lampe, soerhält man für u0(t) den oberen Zeitverlauf. Wird der Schalter 5 ms nach jedem Nulldurch-gang der Netzspannung bis zum nächsten Spannungsnulldurchgang geschlossen und danachwieder geöffnet, ergibt sich für die Spannung u0(t) an der Lampe der unten dargestellte Zeit-verlauf.

Beide Zeitverläufe führen zu unterschiedlichen Helligkeiten der Lampe im Vergleich zum Be-trieb mit voller Netzspannung. Anstatt mit Vorwiderstand kann die Helligkeit beim Schaltbe-trieb ebenso durch Verändern der Einschaltdauer des Schalters relativ zur Periodendauer derNetzspannung gesteuert werden.

Dadurch fließt beim Schaltbetrieb aber nur zeitweise Strom; der Vorwiderstand und die damitverbundenen Verluste entfallen. An diesem einfachen Beispiel wird bereits deutlich, wie wich-tig der Schaltbetrieb für die Leistungselektronik ist. Auch wenn der Schalter zunächst idealisie-

0 10 20 30 40t [ms]

u N u 0

u 0

u

Bild 1.2 Zeitverläufe von u0(t ); oben mit Vorwiderstand, unten mit Schaltbetrieb