Benutzte Quellen Benutzte Bezeichnungen Leistungselektronik

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1 2 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Benutzte Quellen ‰ ‰ ‰ ‰ ‰ Benutzte Bezeichnungen Vorlesungen von Dr.-Ing. Vogelmann, Universität – Karlsruhe Vorlesungen von Dr.-Ing. Klos, Universität – Karlsruhe Vorlesungen von Dr.-Ing. Crokol, Universität – Karlsruhe Halbleiter Schaltungstechnik, Tietze u., Schenk Th. http://www.elektronik-kompendium.de/sites ‰ Aufschrift der Thema, die zum ersten Mal erscheint ‰ Aufschrift der Thema, die schon bekannt ist 3 4 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Leistungselektronik Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Grundbegriffe Gleichrichter Lernziel: Lernziel ‰ Antworten auf folgende und ähnliche Fragen geben zu können: ~ AC ~ DC AC ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ Was versteht man unter Kommutierung? Welche Typen Umrichter gibt es? Wie funktionieren die Gleichrichter? Welche sind die Grundfunktionen der Spannungsregler? Was sind die Steller und wozu kann man die benutzen? WechselstromUmrichter ~ DC GleichstromUmrichter ~ AC ~ ~ AC DC (Steller) DC Wechselrichter 17_1.CDR ©ETI Vo 1 5 6 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Kommutierung Pulsbreitenmodulation (Ohmsche Last) Die Übergabe eines Stromes von einem Stromzweig auf einen anderen, wobei während der Kommutierungsdauer beide Zweige Strom führen können. L D Die Eingangsspannung wird mit Hilfe eines Schalters für die Zeit t1 an den Ausgang durchgeschaltet. Danach wird der Schalter für die Zeit T-t1 ausgeschaltet. Nach dem abschalten des Transistors fließt der im Lastkreis fließenden Strom in gleicher Richtung weiter. Er findet der Weg über die Diode und klingt nach einer e-Funktion ab. R iL T T ud = U d = = UCE 1 t ⋅ ud dt = 1 ⋅ U E T ∫0 T IS S U d ( eff ) = IL 1 t 2 ⋅ ud dt = 1 ⋅ U E T ∫0 T UE IB T u (t) d Ud iD 32 2 CDR UE T Schalter (Transistor) R,L Last (z.B. Relaisspule) D Freilaufdiode ud R t1 7 8 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Leistungselektronik ‰ Gleichrichter „ „ „ ‰ ‰ ‰ Ungesteuerter Gleichrichter Spannungsregler Gesteuerter Gleichrichter Steller Wechselrichter Wechselstromumrichter T t Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Gleichrichter ‰ ‰ ‰ ‰ ‰ Einweggleichrichter Wechselstrom Mittelpunktschaltung Brückengleichrichter Ungesteuerter Gleichrichter (Diode) Gesteuerter Gleichrichter (Thyristor) 2 9 10 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Ungesteuerter Gleichrichter Ungesteuerter Gleichrichter Einweggleichrichter mit ohmscher Last bei kleinen Leistungen Mittelpunktschaltung bei kleinen Spannungen 11 12 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Ungesteuerter Brückengleichrichter Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Ungesteuerter Brückengleichrichter T1 T3 T4 T2 Ohmsche Last T1 T3 T4 T2 3 13 14 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Ungesteuerter Brückengleichrichter Ungesteuerter Brückengleichrichter Mittelwert der Ausgangsspannung bei ohmscher Last un (t ) = 2 ⋅ U ⋅ sin ( ωt ) T U di = ud = = 1 2 ⋅ ud (t )dt = ⋅ T ∫0 T 2 2 ⋅U ⋅ T Ohmsch-induktive Last T /2 ∫ u (t )dt = n 0 T /2 ∫ sin ( ωt ) dt = 0 T /2 2 2 ⋅U = ⋅ ⎣⎡ − cos ( ωt ) ⎦⎤ 0 = ωT 2 2 ⋅U 2 2 ⋅U = ⋅2 = = 0,9 ⋅ U π 2π Ideelle Gleichspannung 15 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS 16 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Ungesteuerter Brückengleichrichter Ungesteuerter Brückengleichrichter L = 1 mH L = 10 mH R = 10 Ω R = 10 Ω 4 17 18 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Ungesteuerter Brückengleichrichter Ungesteuerter Brückengleichrichter Ohmsche Last mit Ladekondensator L = 100 mH R = 10 Ω 19 20 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Leistungselektronik ‰ Gleichrichter „ „ „ ‰ ‰ ‰ Ungesteuerter Gleichrichter Spannungsregler Gesteuerter Gleichrichter Steller Wechselrichter Wechselstromumrichter Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Spannungsregler (Kenndaten) ‰ ‰ ‰ ‰ ‰ Ausgangsspannung und ihre Toleranz Max. Ausgangsstrom und Kurzschlussstrom Min. Spannungsabfall (Spannungsverlust = Dropout Voltage) Unterdrückung von Eingangsspannungsschwankungen (Line Regulation) Ausregelung von Laststromschwankungen (Load Rejection) 5 21 22 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Spannungsregler Linearer Spannungsregler Grundfunktion: Transformator ¾Unterdrückung R E G L E R Gleichrichter Regler von Eingangsspannungs- L schwankungen ¾Ausregelung von Laststromschwankungen Komparator (Load Rejection) s t Uref Last Siebglied a S p a n n u n g (Line Regulation) 23 24 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Linearer Spannungsregler iR ud iО ZD T1 ud iZ R Linearer Spannungsregler uО UО RТ R1 R2 t C1 R4 T2 Ua = UZ U d = U Z + I R .R = U Z + I Z .R (ohne Last) _ iО ud U O = U Z − U BE iZ R ZD R6 iО iR + U d = U Z + ( I Z + I a ).R R3 C2 uО D R5 RТ 6 25 26 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Integrierter Festspannungsregler Integrierter Festspannungsregler T R Ue Ua Stromquelle Referenz Spannung Temperatur SOA D1 Strom 78 xx D3 C1 Schaltung eines einfachen Netzteils mit Festspannungsregler C2 32_26.CDR (Linearregler) ue Ua D4 Ua D2 32_26.CDR Fold-Back Kennlinie 32_26.CDR Imax Ia 27 28 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Prinzip eines Schaltnetzteils Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Leistungselektronik ‰ Gleichrichter „ „ „ ‰ ‰ ‰ Ungesteuerter Gleichrichter Spannungsregler Gesteuerter Gleichrichter Steller Wechselrichter Wechselstromumrichter 7 29 30 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Gesteuerter Gleichrichter Gesteuerter Gleichrichter Einweggleichrichter mit induktiver Last Einweggleichrichter mit ohmscher Last di ; uL = u (t ) für t > α / ω dt t t 1 2 ⋅U i (t ) = ⋅ ∫ u (τ) ⋅ d τ = ⋅ sin ( ωτ ) ⋅ d τ = L α/ω ω⋅ L α∫/ ω u (t ) = 2 ⋅ U ⋅ sin ( ωt ) ; uL = L ⋅ u ( t ) = 2U sin(ωt ) T = T /2 t 2 ⋅U 2 ⋅U ⋅ ⎡ − cos ( ωτ ) ⎦⎤ α / ω = ( cos ( α ) − cos ( ωt ) ) ω⋅ L ⎣ ω⋅ L 1 2U uL = ⋅ ∫ uL dt = ⋅ sin(ωt )dt = T 0 T α∫/ ω = 2U 2U T /2 (1 + cos α ) [ − cos(ωt )]α / ω = 2π ωT Dieser Stromverlauf gilt nur vom Zündzeitpunkt bis der Strom wieder zu null wird. Dann löscht der Thyristor. 31 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Vollgesteuerter Brückengleichrichter Ohmsche Last bei Steuerwinkel = 0 32 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Vollgesteuerter Brückengleichrichter Ohmsche Last bei Steuerwinkel > 0 8 33 34 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Vollgesteuerter Brückengleichrichter Steuerkennlinie bei ohmscher Last un (t ) = 2 ⋅ U ⋅ sin ( ωt ) T U dα 1 mit glattem Strom T /2 1 2 = ud = ⋅ ∫ ud dt = ⋅ ∫ un dt = T 0 T α/ω = 2 2 ⋅U ⋅ ∫ sin ( ωt ) dt = T α/ω = T /2 2 2 ⋅U ⋅ ⎣⎡ − cos ( ωt ) ⎦⎤ α / ω = ωT T /2 U dα Udα Udi Vollgesteuerter Brückengleichrichter 2 2 ⋅U = ⋅ ⎡⎣1 + cos ( α ) ⎤⎦ 2π 1 + cos ( α ) ⎛α⎞ = U di ⋅ = U di ⋅ cos 2 ⎜ ⎟ 2 ⎝2⎠ 0,75 0,5 0,25 0 17_5.CDR ©ETI Vo 0 π 2 π α Steuerkennlinie 35 36 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Vollgesteuerter Brückengleichrichter Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Leistungselektronik ‰ Ausgangsspannung bei Änderung der Aussteuerung zwischen 0 und 150 Grad Gleichrichter „ „ „ ‰ ‰ ‰ Ungesteuerter Gleichrichter Spannungsregler Gesteuerter Gleichrichter Steller Wechselrichter Wechselstromumrichter 9 37 38 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Steller Tiefsetzsteller (U2 < U1) Zwei Schalterstellungen des Transistors T „Ein“ - „Aus“ ⇒ zwei Zustände: Drosselwandler Tiefsetzsteller Bei geschlossenem Schalter wird die Speicherdrossel aufmagnetisiert. Der Strom kommutiert nach dem Ausschalten auf die Freilaufdiode. bis 200 kW Antriebstechnik bis 200 kW 0 ≤ Ua ≤ UE Schalterstellung „Ein“ ⇒ Zustand 1: uT = 0, ud = U1, Hochsetzsteller Bei geschlossenem Schalter wird die Speicherdrossel aufmagnetisiert. Der Strom kommutiert nach dem Ausschalten auf die Freilaufdiode. 20 kW Erzeugung von Zwischenkreisspannungen bei netzfreundlichen Netzteilen bis Erzeugung von spannungen bis u L = ud − U 2 = U1 − U 2 , u D = −U1 < 0 Schaltbild UE ≤ Ua Inverter Bei geschlossenem Schalter wird die Speicherdrossel aufmagnetisiert. Der Strom kommutiert nach dem Ausschalten auf die Freilaufdiode. Die Ausgangsspannung wird negativ 2 kW i (t ) = I0 + t t 1 1 uL dt = I 0 + ∫ (U1 − U 2 ) dt = L ∫0 L0 = I 0 + (U1 − U 2 ) / L ⋅ t Hilfs- Ua ≤ 0 Am Ende der Einschalterdauer TE Ersatzschaltbild „Ein“ i ( t = TE ) = I1 = I 0 + (U1 − U 2 ) / L ⋅ TE 39 40 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Tiefsetzsteller (U2 < U1) Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Tiefsetzsteller (U2 < U1) Schalterstellung „Aus“ ⇒ Zustand 2: (solange id > 0) uT = U1 , ud = 0, uL = ud − U 2 = −U 2 , uD = 0 i ( t ) = I1 + Schaltbild t t 1 1 u L dt = I1 + ∫ ( −U 2 ) dt = L T∫E L TE = I1 − U 2 / L ⋅ ( t − TE ) = = I 0 + (U1 − U 2 ) / L ⋅ TE − U 2 / L ⋅ ( t − TE ) = = I 0 + U1 / L ⋅ TE − U 2 / L ⋅ t Ausschalterdauer TA = T -TE i ( t = T ) = I 2 = I1 − U 2 / L ⋅ (T − TE ) = Ersatzschaltbild „Aus“ = I1 − U 2 / L ⋅ TA = I 0 + U1 / L ⋅ TE − U 2 / L ⋅ T 10 41 42 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Tiefsetzsteller (U2 < U1) Tiefsetzsteller (U2 < U1) Stromänderung in der Taktperiode T Δi = I 2 − I 0 = = I 0 + (U1 − U 2 ) / L ⋅ TE − U 2 / L ⋅ TA − I 0 = = (U1 − U 2 ) / L ⋅ TE − U 2 / L ⋅ (T − TE ) = I2 Im stationären Betrieb gleicht sich der Strom in aufeinanderfolgenden Perioden. Es besteht dann ein fester Zusammenhang zwischen dem Verhältnis der Spannungen und dem Tastverhältnis a. Δi = U1 / L ⋅ TE − U 2 / L ⋅ T Δi = 0 = U1 / L ⋅ TE − U 2 / L ⋅ T U 2 TE = =a U1 T 43 44 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Hochsetzsteller (U1 < U2) Hochsetzsteller (U1 < U2) Im Schaltzustand „Aus“ des Transistors T speist die Drossel ihren Strom in die Spannungsquelle U2: iL ( t ) = I1 + Im Schaltzustand „Ein“ des Transistors T liegt die Spannung U1 an der Drossel: iL ( t ) = I 0 + t t t 1 1 uL dt = I1 + ∫ (U1 − U 2 ) dt = L T∫E L TE = I1 + (U1 − U 2 ) / L ⋅ ( t − TE ) t 1 1 uL dt = I 0 + ∫ U1dt = L ∫0 L0 = I 0 + U1 / L ⋅ t Am Ende der Einschalterdauer TE iL (TE ) = I1 = I 0 + U1 / L ⋅ TE Zu Beginn der nächsten Taktperiode: iL (T ) = I1 + (U1 − U 2 ) / L ⋅ (T − TE ) = = I 0 + U1 / L ⋅ TE + (U1 − U 2 ) / L ⋅ (T − TE ) = = I 0 + U1 / L ⋅ T − U 2 / L ⋅ (T − TE ) Im stationären Betrieb sind die Ströme am Anfang und Ende der Taktperiode gleich. Es besteht dann ein fester Zusammenhang zwischen dem Verhältnis der Spannungen und dem Tastverhältnis a. U2 T 1 = = U1 T − TE 1 − a 11 45 46 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Inverter Halbbrücke In einer Halbbrücke sind der Tiefsetz- und der Hochsetzsteller vereint. Die Spannung U2 ist immer kleiner als die Spannung U1. Schaltet der Transistor T1 und wirkt die Diode D2 als Freilaufdiode, dann arbeitet die Halbbrücke als Tiefsetzsteller. Die Energie fließt bei positivem Drosselstrom id von U1 zu U2. Schaltet der Transistor T2 und wirkt die Diode D1 als Freilaufdiode, dann arbeitet die Halbbrücke als Hochsetzsteller. Die Energie fließt bei negativem Drosselstrom id von U2 zu U1. Da der Strom id beide Richtungen annehmen kann, die Spannung ud jedoch nur eine, kann die Halbbrücke als Zwei-Quadranten-Steller arbeiten. T 0= 1 t t uL ⋅ dt =U E ⋅ 1 + U A ⋅ 2 T ∫0 T T t1 t = a und 2 = 1 − a T T t t t /T U A = −U E ⋅ 1 = −U E ⋅ 1 = −U E ⋅ 1 1 − t1 / T t2 T − t1 mit U A = −U E ⋅ a 1− a 47 48 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Brücke Vier-Quadranten-Steller Schalter S1,S2 ein und S3,S4 aus Schalter S3,S4 ein und S1,S2 aus Schalter S1,S3 ein oder S2,S4 ein Die Brücke setzt sich aus zwei Halbbrücken zusammen. Die Ausgangsspannung ud ist die Differenz der Ausgangsspannungen der beiden Halbbrücken und kann jetzt beide Polaritäten annehmen. Dadurch kann die Brücke als Vier-Quadranten-Steller arbeiten. UL = U0 UL = - U0 UL = 0 1 1 ⎡ 2 ⋅T ⎤ ⋅ ∫ u (t )dt = ⋅ ⎣⎡U ⋅ T − U ⋅ (T − T ) ⎦⎤ = U ⋅ ⎢ − 1⎥ T T ⎣ T ⎦ T a= U = U ⋅ [ 2 ⋅ a − 1] T T U = 1 L 0 d 1 0 1 0 0 1 L 0 12 49 50 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Leistungselektronik ‰ „ „ ‰ ‰ Praktische Ausführung mit IGB-Transistoren Gleichrichter „ ‰ Vier-Quadranten-Steller Ungesteuerter Gleichrichter Spannungsregler Gesteuerter Gleichrichter S1 Steller Wechselrichter Wechselstromumrichter C U0 D1 S3 Last UL D4 S4 D3 D2 S2 32_Umr.CDR Pulsbreitenmodulation ⇒ Wechselumrichter Mit Hilfe einer dreieckförmigen Hilfsspannung und einem Komparator werden die Steuersignale für die Transistoren erzeugt 51 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Leistungselektronik ‰ Gleichrichter „ „ „ ‰ ‰ ‰ Ungesteuerter Gleichrichter Spannungsregler Gesteuerter Gleichrichter 52 Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS Wechselstromumrichter Ergänzt man die Schaltung des Vierquadrantenstellers durch einen weiteren Brückenzweig, so hat man wie bei Drehstrom drei Ausgänge zur Verfügung Steller Wechselrichter Wechselstromumrichter Umrichterschaltung zur Erzeugung eines frequenz- und amplituden variablen Drehstromnetzes 13