Leistungselektronische Schaltungen: Funktion, Auslegung und Anwendung

Abstract

Die Leistungselektronik hatte in der Vergangenheit zwei wesentliche Anwendungsgebiete, die elektrische Antriebstechnik für die zahlreichen drehzahlvariablen Antriebe sowie die Stromversorgung von Geräten der Kommunikation. Die Anforderungen aus den beiden Gebieten beeinflußten die Forschung und Entwicklung sowohl auf dem Gebiet der Leistungshalbleiter als auch in der Schaltungstechnik der Stellglieder. Ein typisches Beispiel sind die Mehrpunkt-Topologien in der Antriebstechnik, die unter anderem zur Realisierung von drehzahlvariablen Mittelspannungsantrieben führte. Beide Gebiete waren aber nur sehr begrenzt bekannt. Inzwischen ist aber auch der Allgemeinheit die Bedeutung der Leistungselektronik bewusst. Dies ist beispielhaft auf die öffentliche Diskussion der zukünftigen Energieversorgung und der Mobilität mittels Elektro-PKW oder Hybrid-Fahrzeugen zurückzuführen. Die zukünftige Energieversorgung wird sowohl verstärkt die Windenergie u.a. durch Windparks auf der See als auch die Photovoltaik beispielsweise das Desertec-Projekt nutzen. In beiden Fällen muss die Energie über weite Strecken zum Verbraucher, bzw. bis zum nächsten verfügbaren Einspeisepunkt geführt werden. Eine vorteilhafte Lösung hinsichtlich der Verluste und der Akzeptanz ist die HGÜ mit Mehrpunkt-Stellgliedern und dem Energietransport mittels Kabel. Zusätzlich kann die Blindleistungsbilanz im Drehstromnetz beeinflusst werden. Weitere Optionen sind Funktionen, wie beispielsweise die Filterung von Oberschwingungen, Symmetrierung unsymmetrischer Belastungen und Überbrückung kurzzeitiger Spannungsverzerrungen. Derartige Forderungen werden inzwischen bereits bei dezentralen Photovoltaik-Anlagen realisiert. Ganz andere Anforderungen bestehen hinsichtlich der Leistungselektronik bei Hybrid- oder rein elektrischen Fahrzeugen: Massenprodukt, geringe Ausfallwahrscheinlichkeit und hohe Lebensdauer, geringes Gewicht und Volumen, ungünstige Umweltbedingungen, wie Temperatur, Feuchtigkeit, Öl und Staub. Außerdem wird diskutiert, die Batterien dieser Fahrzeuge als dezentrale Energiespeicher in smart-grids zu nutzen. Diese Option kann genutzt werden, wenn die Lebensdauer der Batterien dies zuläßt. Die Leistungselektronik wird somit zunehmend eine wichtige Komponente in komplexen Systemen, die eine interdisziplinäre Zusammenarbeit erfordern. Damit besteht die Notwendigkeit viele Anwendungsaspekte gebührend zu berücksichtigen. In der vorliegenden dritten Auflage wurden deshalb die bereits bestehenden Kapitel wie folgt bearbeitet, erweitert bzw. neu erstellt: Da die U-Wechselrichter ( VSC und Mehrpunkt-Wechselrichter ) die am häufigsten verwendeten selbstgeführten Wechselrichter sind, wurde ein Orientierungs-Kapitel „VSC zu BBC“ neu in Kapitel 8 eingeführt. Dieses Kapitel verbindet die wichtigsten GrundlaVI gen in den Büchern „Leistungselektronische Bauelemente“ , „Leistungselektronische Schaltungen“ und „Elektrische Antriebe – Regelung von Antriebssystemen“ mittels Querverweisen. Somit werden dem Leser Hinweise gegeben, welche Informationen er schnell und ausführlich finden kann. Es werden die wesentlichen Schaltungen der U-Wechselrichter angesprochen, es erfolgen Auslegungs- Hinweise, eine Kosten-Nutzen Analyse, die Vorstellung verschiedener Verfahren der PWM sowie der Regelung – mit Hinweisen zur Realisierung der Regelung mittels FPGAs, der hard- und software Aufteilung, kritischer Realisierungsansätze und deren Vermeidung – von Resonanz-Effekten, Erdströmen und Lagerschäden, von Analyse-Verfahren durch Simulation, und es werden praktische Hinweise gegeben, um Fehlerfälle und Ausfälle zu vermeiden. Ein weiteres neues und sehr umfangreiches Kapitel ist das Kapitel 8.6 „Anwendungs-Aspekte“. Herr Dr. Steimer - ABB/CH - bewertet kritisch die Mehrpunkt-Umrichter. Es folgt ein Kapitel, in dem die Beschaltungen und deren Minimierungen für IGCTs und IGBTs abgehandelt werden. Herr Dr. Herzer – Semikron – bringt eine Darstellung von Varianten der Ansteuerungen für IGBTs und MOSFETs in den verschiedenen Spannungsklassen. Die Ansteuerung von IGCTs wurde bereits im Bauelemente- Buch vorgestellt, wird vom Bauelement-Hersteller ausgeführt und muß deshalb hier nicht mehr besprochen werden. Herr Professor Eckel – Rostock – behandelt sehr anschaulich – unter der Nutzung der Halbleiter-Physik – die dynamischen Spannungs-, Strom- und Feldstärke-Belastungen der Halbleiter-Bauelemente, beginnend beim VSC bis zum BBC – wobei auch auf die Verkopplungen über den DC-Zwischenkreis hingewiesen wird. Herr Professor Lindemann – Magdeburg – stellt die thermischen Belastungen, die Kühlung sowie die Alterung und die Berechnung des Ausfalls vor. Diese Berechnungen sind nur verlässlich möglich, wenn das vollständige System beginnend beim Betriebszyklus, über die Regelungsund Antriebskonfiguration bis hin zur Kühlungs-Ausführung berücksichtigt wird. Im abschließende Abschnitt werden kritische Fehler bei der Realisierung von Antriebs-Systemen aus der Sicht der Betriebs-Sicherheit aufgezeigt. Das neue Kapitel „M2C-Wechselrichter“ von Herrn Professor Marquardt – München – stellt eine neue Topologie für Hochleistungs-Anwendungen mit sehr interessanten Eigenschaften vor. Eine Einfügung behandelt den 5L-FC-CI-Wechselrichter. Die bestehenden Kapitel „Elektrische Energiewandler für photovoltaische Solarenergieanlagen“ – Herr Professor Zacharias – Kassel – und “Elektronische Betriebsgeräte für Lichtquellen“ – Herr Dr. Franck, Osram – wurden an den neusten Stand der Technik angepasst. Neu ist die detaillierte sowie kritische Diskussion der AC-DC-PFC-Wandler von Herrn Professor Kolar – ETHZ/CH. Weiterhin werden zusätzlich die resonanten LCC- sowie LLCC-Schaltungen für verschiedene Anwendungen von Herrn Dr. Fröhleke – Paderborn – vorgestellt. Ein weiterer Aspekt sind die smart grids, ein umfangreiches Kapitel über die neueste schaltungstechnische Lösung, der Auslegung sowie der Regelung auf dem Gebiet Stat- Com wurde von Herrn Professor Nee – KTH, Stockholm – beigesteuert. Damit ist das Gebiet der U-Wechselrichter bzw. der U-Umrichter um wichtige Aspekte erweitert worden, und es wurde Benutzer-freundlich gestaltet. VII Eine weitere Fragestellung bei dieser Neuauflage war, ob Darstellungen wie die Schaltungstechniken zur Löschung von Frequenz-Thyristoren, die in der Anfangszeit der selbstgeführten Umrichter wesentlich waren, entfallen, oder ob nicht mehr so bedeutungsvoll erscheinende Schaltungen wie die fremdgeführten Thyristor- Schaltungen noch erwähnt werden sollten. Auf Anfrage bei Kollegen ergab sich die eindeutige Meinung, dass alle vorhandenen Darstellungen weiterhin bestehen bleiben sollen. Die Gründe waren, dass beispielsweise die Thyristor-Schaltungen – u.a. bei STATCOM oder die untersynchronen Kaskaden bei den Windenergie- Anlagen vorteilhaft eingesetzt werden – nun wieder von Bedeutung sind. Ähnliche Aussagen gelten für andere Schaltungen. Ein weiterer Aspekt war, dass die Verfügbarkeit von Veröffentlichungen erst seit 1988 sicher gegeben ist; Ältere Veröffentlichungen sind damit nur erschwert verfügbar.