Grundkurs Leistungselektronik: Bauelemente, Schaltungen und Systeme
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Wiesbaden
Springer Vieweg
2015
|
| Ausgabe: | 7., aktualisierte und überarb. Aufl. |
| Schriftenreihe: | Lehrbuch
|
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | XV, 402 S. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 9783658033088 |
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INHALTSVERZEICHNIS
1 WAS IST LEISTUNGSELEKTRONIK ? F. 1
2 GRUNDLAGEN 3
2.1 DIE ELEKTRISCHE LEITFAEHIGKEIT 3
2.1.1 EIGENLEITUNG 5
2.1.2 STOERSTELLENLEITUNG 6
2.2 DER PN-UEBERGANG 7
2.2.1 DER PN-UEBERGANG MIT AEUSSERER SPANNUNG 9
2.2.2 DER PN-UEBERGANG IM DURCHLASSBETRIEB 9
2.2.3 DER PN-UEBERGANG IN SPERRRICHTUNG BEANSPRUCHT 11
2.2.4 DIE DURCHBRUCHMECHANISMEN DES PN-UEBERGANGES 12
2.2.5 DIE OPTIMALE GESTALTUNG DES PN-UEBERGANGS 13
3 DIODEN 15
3.1 PN-DIODE 15
3.1.1 MODELLBILDUNG EINER REALEN PN-DIODE 16
3.1.2 DIE VERLUSTLEISTUNGSBERECHNUNG 17
3.2 PIN-DIODE 18
3.2.1 DAS SPERRVERHALTEN 19
3.2.2 DAS DURCHLASSVERHALTEN 19
3.2.3 DAS SCHALTVERHALTEN 21
3.2.3.1 EINSCHALTEN 22
3.2.3.2 AUSSCHALTEN 22
3.2.3.3 SCHALTVERLUSTE 24
3.2.4 REIHENSCHALTUNG 26
3.2.5 PARALLELSCHALTUNG 27
3.2.6 EINSATZKRITERIEN FUER DIODEN 29
3.3 SOLARZELLE 30
4 TRANSISTOREN 33
4.1 BIPOLARTRANSISTOR 33
4.1.1 AUFBAU 33
4.1.2 WIRKUNGSWEISE 34
4.1.3 SCHALTVERLUSTE 36
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VIII INHALTSVERZEICHNIS
4.1.4 DER BIPOLARE LEISTUNGSTRANSISTOR 38
4.1.5 DIE ARBEITSPUNKTE DES BIPOLAREN TRANSISTORSCHALTERS 39
4.1.6 NICHTSAETTIGUNGSBETRIEB (AKTIVER BEREICH,
UQQ
0) 39
4.1.7 QUASISAETTIGUNGSBETRIEB (WGC
0) - 40
4.1.8 UEBERSAETTIGUNGSBETRIEB 40
4.1.9 DARLINGTON-TRANSISTOREN 42
4.1.10 VERGLEICH BIPOLARTRANSISTOR - SCHALTER 43
4.2 BETRIEBSARTEN 44
4.2.1 SCHALTEN EINER OHMSCH-INDUKTIVEN LAST 45
4.2.2 SCHALTEN EINES EINGEPRAEGTEN STROMES 48
4.2.2.1 WEICHES SCHALTEN 48
4.2.2.2 HARTES SCHALTEN 49
4.2.3 RCD-BESCHALTUNG 50
4.3 DER IG-FELDEFFEKTTRANSISTOR (MOSFET) 51
4.3.1 AUFBAU 51
4.3.2 DIE KENNLINIE 55
4.3.3 DIE GATEKAPAZITAET 56
4.3.4 NEUERE ENTWICKLUNGSRICHTUNGEN 57
4.4 DER IG-BIPOLAR TRANSISTOR (IGBT) 58
4.4.1 AUFBAU 58
4.4.2 DURCHLASSEIGENSCHAFTEN 59
4.4.3 DAS SCHALTVERHALTEN 60
4.4.3.1 EINSCHALTEN 60
4.4.3.2 AUSSCHALTEN 62
4.4.4 SPERR- UND BLOCKIERVERHALTEN 64
4.4.5 NEUERE ENTWICKLUNGSRICHTUNGEN 65
4.5 TREIBERSCHALTUNGEN 66
4.5.1 GATEANSCHLUSS 69
4.5.2 AUSFUHRUNG EINER IGBT-ANSTEUERUNG 70
4.5.2.1 ANSTEUERUNG EINES HALBBRUECKENMODULS 71
4.5.2.2 IMPULSLOGIK 72
4.5.2.3 VENTILBELASTUNG 74
4.6 AUFBAU- UND VERBINDUNGSTECHNIK 75
4.6.1 PROBLEMATIK 75
4.6.2 GEHAEUSEFORMEN 76
4.6.2.1 DISKRETE BAUELEMENTE 76
4.6.2.2 IGBT-LEISTUNGSMODULE 77
INHALTSVERZEICHNIS IX
4.6.3 EIGENSCHAFTEN VON LEISTUNGSMODULEN 78
4.6.3.1 LASTWECHSELFESTIGKEIT 78
4.6.3.2 VERHALTEN BEI MODULDEFEKT 80
4.6.3.3 PARASITAERE INDUKTIVITAETEN 80
4.6.3.4 EMV-VERHALTEN 80
5 THYRISTOREN 81
5.1 AUFBAU UND WIRKUNGSWEISE 81
5.2 KENNLINIE 83
5.3 DAS EINSCHALTVERHALTEN 83
5.3.1 UEBERSCHREITEN DER ZULAESSIGEN BLOCKIERSPANNUNG 83
5.3.2 UEBERSCHREITEN DER ZULAESSIGEN SPANNUNGSSTEILHEIT 84
5.3.3 GATESTROMZUENDUNG 84
5.4 AUSSCHALTEN 87
5.4.1 NETZGEFUEHRTER BETRIEB 87
5.4.2 SELBSTGEFUEHRTER BETRIEB 87
5.5 AUSFUEHRUNGSFORMEN 90
5.5.1 AMPLIFYING GATE-STRUKTUR 90
5.5.2 ZWEIRICHTUNGS-THYRISTOREN 90
5.5.3 DER ASYMMETRISCH SPERRENDE THYRISTOR 91
5.5.4 DER LICHTZUENDBARE THYRISTOR 91
5.6 ABSCHALTBARER THYRISTOR (GTO) 91
5.6.1 DER ASYMMETRISCH SPERRENDE GTO 91
5.6.2 ANSTEUERUNG : 92
5.6.2.1 EINSCHALTEN 92
5.6.2.2 AUSSCHALTEN 92
5.6.3 BETRIEBSBEDINGUNGEN FUER EINEN GTO 93
5.6.4 DER IGCT 94
5.7 AUSWAHL VON LEISTUNGSBAUELEMENTEN 94
6 WAERME-MANAGEMENT 95
6.1 DIE VERLUSTLEISTUNG 95
6.2 DAS THERMISCHE ERSATZSCHALTBILD 97
6.2.1 DER INNERE WAERMEWIDERSTAND JC 98
6.2.2 DER AEUSSERE WAERMEWIDERSTAND ^TH.CA 98
6.2.3 DER WAERMEWIDERSTAND DES KUEHLKOERPERS 99
6.2.4 DIE WAERMEKAPAZITAET C
T
(, 100
X
INHALTSVERZEICHNIS
6.3 KUEHLMEDIEN 104
6.3.1 LUFTKUEHLUNG 104
6.3.2 WASSERKUEHLUNG 105
6.3.3 SIEDEKUEHLUNG 105
7 STROMRICHTERSCHALTUNGEN 107
7.1 GRUNDFUNKTIONEN 107
7.2 KENNZEICHNUNG VON STROMRICHTERSCHALTUNGEN 107
7.3 EINTEILUNG NACH DER INNEREN WIRKUNGSWEISE 108
7.4 LEISTUNGSSTEUERVERFAHREN 109
7.5 MITTELPUNKTSCHALTUNG ML 109
7.5.1 BAULEISTUNG DES TRANSFORMATORS 113
7.5.2 KAPAZITIVE LAST 114
7.5.3 OHMSCH-INDUKTIVE LAST 116
7.5.4 OHMSCH-INDUKTIVE LAST MIT FREILAUFDIODE 117
7.6 WECHSELWEGSCHALTUNG W1 118
7.6.1 STELLERBETRIEB MIT OHMSCHER LAST 119
7.6.2 STELLERBETRIEB MIT OHMSCH-INDUKTIVER LAST 121
7.6.3 SCHALTBETRIEB MIT OHMSCH-INDUKTIVER LAST 122
8 WECHSELSTROMSCHALTUNGEN 123
8.1 DIE MITTELPUNKTSCHALTUNG M2U 123
8.2 DIE GESTEUERTE MITTELPUNKTSCHALTUNG M2C 124
8.2.1 DIE WIRKUNGSWEISE DES STEUERGENERATORS 124
8.2.2 GLEICHSPANNUNGSBILDUNG 125
8.2.2.1 OHMSCHE LAST 125
8.2.2.2 OHMSCH-INDUKTIVE LAST 126
8.2.2.3 AKTIVE LAST 128
8.2.3 VENTILBELASTUNG 131
8.2.4 TRAFO-UND NETZGROESSEN 132
8.2.5 BEMESSUNG EINER GLAETTUNGSINDUKTIVITAET 133
8.2.6 DIE KOMMUTIERUNG 135
8.2.6.1 UEBERLAPPUNG ^ 136
8.2.6.2 DIE INDUKTIVE GLEICHSPANNUNGSAENDERUNG 139
8.3 DIE BRUECKENSCHALTUNG B2 141
8.3.1 DIE HALBGESTEUERTE BRUECKENSCHALTUNG B2H 142
8.3.2 VENTILBELASTUNG 144
8.3.3 BAULEISTUNG DES TRANSFORMATORS 144
INHALTSVERZEICHNIS XI
9 DREHSTROMSCHALTUNGEN 145
9.1 DIE MITTELPUNKTSCHALTUNG M3 145
9.1.1 GLEICHSPANNUNGSBILDUNG 146
9.1.1.1 OHMSCHE LAST 147
9.1.1.2 AKTIVE LAST 149
9.1.2 VENTILBELASTUNG 150
9.1.2.1 SPANNUNG 150
9.1.2.2 STROM 152
9.1.3 NETZSTROM 153
9.1.4 DIE KOMMUTIERUNG 154
9.1.4.1 EINFLUSS AUF DIE GLEICHSPANNUNG 155
9.1.4.2 BERECHNUNG DES INDUKTIVEN GLEICHSPANNUNGSABFALLS 157
9.1.4.3 EINFLUSS AUF DIE VENTILSPANNUNG 159
9.2 DIE BRUECKENSCHALTUNG B6 160
9.2.1 GLEICHSPANNUNGSBILDUNG 160
9.2.2 LEITZUSTAENDE DER VENTILE 161
9.2.3 STEUERKENNLINIE 163
9.2.4 STROMRICHTEREINGANGSSTROM 164
9.2.5 NETZSTROM 164
9.2.6 BAULEISTUNG DES TRANSFORMATORS 165
9.3 ZUENDIMPULSE 166
9.3.1 GLEICHSPANNUNGSBILDUNG 168
9.3.2 EINFLUSS DER KOMMUTIERUNGEN 171
9.3.3 AUSWIRKUNGEN NICHT IDEALER GLAETTUNG AUF DIE GLEICHSPANNUNG 174
9.4 12-PULSIGE SCHALTUNGEN 176
9.4.1 STROMRICHTER-REIHENSCHALTUNG 177
9.4.2 STROMRICHTER-PARALLELSCHALTUNG 178
9.5 HOEHERPULSIGE SCHALTUNGEN 180
10 NETZRUECKWIRKUNGEN 181
10.1 BLINDLEISTUNGSVERHALTEN 181
10.1.1 DIE KENNLINIE DER STEUERBLINDLEISTUNG 182
10.1.2 OBERSCHWINGUNGSBLINDLEISTUNG 183
10.2 STROMOBERSCHWINGUNGEN 184
10.2.1 STROMGLAETTUNG 184
10.2.2 SPANNUNGSGLAETTUNG 187
XII INHALTSVERZEICHNIS
10.2.2.1 PASSIVE PFC-SCHALTUNG 189
10.2.2.2 AKTIVE PFC-SCHALTUNG 190
10.3 SPANNUNGSOBERSCHWINGUNGEN 193
10.3.1 B2-SCHALTUNG R 193
10.3.2 B6-SCHALTUNG 195
11 LASTGEFUEHRTE STROMRICHTER 201
11.1 SCHWINGKREISWECHSELRICHTER 201
11.1.1 BETRIEB MIT EINGEPRAEGTER GLEICHSPANNUNG 201
11.1.2 BETRIEB MIT EINGEPRAEGTEM GLEICHSTROM 204
11.2 VERGLEICH DER WECHSELRICHTERTYPEN 206
11.3 SCHWINGKREISWECHSELRICHTER MIT ABSCHALTBAREN VENTILEN 206
11.3.1 STROM- UND SPANNUNGSLOSES SCHALTEN 208
11.3.2 ANWENDUNGSBEISPIEL ZUM STROMLOSEN SCHALTEN (ZCS) 209
12 SELBSTGEFUEHRTE STROMRICHTER 211
12.1 WECHSELRICHTER MIT EINGEPRAEGTER SPANNUNG (UWR) 211
12.1.1 MITTELPUNKTSCHALTUNG MIT AC-SEITIGEM MITTELPUNKT 212
12.1.2 AUSFLIHRUNGSBEISPIEL MIT THYRISTORSCHALTER 213
12.1.3 3-PHASIGE BRUECKENSCHALTUNGEN 216
12.1.3.1 BETRIEB MIT PASSIVER LAST 218
12.1.3.2 BETRIEB MIT EINER DREHFELDMASCHINE . 218
12.1.3.3 WECHSELRICHTER MIT PHASENFOLGELOESCHUNG 220
12.2 WECHSELRICHTER MIT EINGEPRAEGTEM STROM (IWR) 222
12.2.1 PRINZIP 222
12.2.2 WECHSELRICHTER MIT PHASENFOLGELOESCHUNG 225
12.2.2.1 DIE WECHSELRICHTERVORLADUNG 228
12.2.2.2 ANFAHRVERHALTEN 229
13 DIE WIRKUNGSWEISE SELBSTGEFUEHRTER UWR 231
13.1 SCHALTUNGEN IN ZWEIPUNKTTECHNIK (2-LEVEL-INVERTER) 232
13.1.1 SCHALTFTINKTIONEN 233
13.1.2 KURZZEIT-MITTELWERT 234
13.1.3 DER MODULATOR 235
13.1.4 MODULATIONSFIINKTION 236
13.1.5 AUSSTEUERUNG 237
13.1.6 1-PHASIGE BRUECKENSCHALTUNG 238
INHALTSVERZEICHNIS XIII
13.1.6.1 GRUNDFREQUENZTAKTUNG 239
13.1.6.2 SCHWENKSTEUERUNG 240
13.1.6.3 PULSWEITENMODULATION 241
13.1.7 3-PHASIGE BRUECKENSCHALTUNG .- 242
13.1.7.1 DIE SPANNUNGSBILDUNG 243
13.1.7.2 DER ZWISCHENKREISSTROM 246
13.2 SCHALTUNGEN IN MEHRPUNKTTECHNIK (MULTI-LEVEL-INVERTER) 250
13.2.1 SCHALTUNGEN IN DREIPUNKTTECHNIK (3-LEVEL-INVERTER) 252
13.2.1.1 1-PHASIGE BRUECKENSCHALTUNG 255
13.2.1.2 3-PHASIGE BRUECKENSCHALTUNG 256
13.2.2 SCHALTUNGEN IN VIERPUNKTTECHNIK (4-LEVEL-INVERTER) 259
14 DREHSTROMGROESSEN IN RAUMZEIGERDARSTELLUNG 261
14.1 RAUMZEIGERTRANSFORMATION 261
14.2 STROMRICHTERSPEISUNG 265
15 STEUERVERFAHREN FUER UWR 267
15.1 BEGRIFFE 267
15.2 DIE GRUNDFREQUENZSTEUERUNG 272
15.3 DIE PULSWEITENMODULATION (PWM) 273
15.3.1 1-PHASIGE MITTELPUNKTSCHALTUNG 274
15.3.2 1-PHASIGE BRUECKENSCHALTUNG 277
15.4 SCHALTFUNKTIONEN FUER 3-PHASIGE SCHALTUNGEN 279
15.4.1 TAKTSTEUERUNG 279
15.4.2 PULSSTEUERUNG 280
15.4.3 STEUERKENNLINIE 282
15.4.4 OFF-LINE OPTIMIERTE SCHALTFUNKTIONEN 284
15.4.5 ELIMINATIONSMETHODE 284
15.4.6 OPTIMIERTE PULSMUSTER..... 285
15.4.7 RAUMZEIGERMODULATION 286
16 STROMRICHTER UND MASCHINEN 289
16.1 GLEICHSTROMMASCHINEN 289
16.2 ELEKTRONIKMOTOR 292
16.3 DER GESCHALTETE RELUKTANZMOTOR 293
16.4 STROMRICHTERMOTOR 296
16.5 DREHFELDMASCHINEN 300
16.6 ZUSATZVERLUSTE DURCH STROMRICHTERSPEISUNG 304
XIV INHALTSVERZEICHNIS
16.7 LEISTUNGSSTEUERUNG BEI KONSTANTER STAENDERFREQUENZ 305
16.7.1 DREHSTROMSTELLER W3 306
16.7.2 PULSGESTEUERTER LAEUFERWIDERSTAND 307
16.7.3 STROMRICHTERKASKADE :* 308
16.7.3.1 AUSFUHRUNG MIT STROMZWISCHENKREIS 309
16.7.3.2 AUSFUHRUNG MIT SPANNUNGSZWISCHENKREIS 310
16.8 LEISTUNGSSTEUERUNG BEI VARIABLER STAENDERFREQUENZ 312
16.8.1 PRINZIP DES DIREKTUMRICHTERS 312
16.8.2 3-PHASIGER DIREKTUMRICHTER 315
16.8.3 FREQUENZUMRICHTER 315
16.8.3.1 U/F-KENNLINIENSTEUERUNG 318
16.8.3.2 FELDORIENTIERTE REGELUNG 319
16.8.4 ABSCHAETZUNG DER ZWISCHENKREISGROESSEN 321
16.9 ENERGIEEFFIZIENZ VON ELEKTRISCHEN ANTRIEBEN 323
17 LEISTUNGSELEKTRONIK UND EMV 327
17.1 GRUNDBEGRIFFE 327
17.2 STOERGROESSEN - URSACHEN 328
17.2.1 STOERGROESSE SPANNUNGSSTEILHEIT 328
17.2.2 STOERGROESSE STROMSTEILHEIT 330
17.3 STOERFESTIGKEIT 332
17.4 STOERVERMOEGEN 332
17.4.1 LEITUNGSGEBUNDENE STOERUNGEN 332
17.4.2 NICHT LEITUNGSGEBUNDENE STOERUNGEN 332
17.4.2.1 KAPAZITIVE BEEINFLUSSUNGEN 332
17.4.2.2 INDUKTIVE BEEINFLUSSUNGEN 333
17.4.2.3 ELEKTROMAGNETISCHE BEEINFLUSSUNGEN 333
17.4.3 PSOPHOMETRISCHER STOERSTROM 334
17.5 NETZFILTER 334
17.6 MOTORANPASSUNG AN DEN STROMRICHTER 338
17.6.1 LAGERSTROEME 338
17.6.2 WANDERWELLENPROBLEME 338
17.6.3 AUSGANGSFILTER 341
17.7 WEITERE MASSNAHMEN 342
18 GLEICHSPANNUNGSWANDLER 345
18.1 TIEFSETZSTELLER 345
18.2 AUSFUHRUNGSBEISPIEL ZUM TIEFSETZSTELLER 345
INHALTSVERZEICHNIS XV
18.3 GLEICHSTROMSTELLER 346
18.4 GLEICHSTROMSTELLER MIT AKTIVER LAST 349
18.5 LUECKBETRIEB 351
18.6 HOCHSETZSTELLER ^ 354
18.7 HOCH-TIEFSETZSTELLER 357
18.8 SPERRWANDLER 359
18.9 DURCHFLUSSWANDLER 361
18.9.1 EINTAKTWANDLER 361
18.9.2 GEGENTAKTWANDLER 362
18.9.3 VOLLBRUECKENWANDLER 363
18.10 SCHALTNETZTEILE 365
18.10.1 SEKUNDAER GETAKTETES NETZTEIL (AC-DC-WANDLER) 366
18.10.2 PRIMAER GETAKTETES NETZTEIL (AC-DC-WANDLER) 366
18.10.3 ELEKTRONISCHER TRANSFORMATOR (AC-AC-WANDLER) 367
18.10.4 PULSGLEICHRICHTER 367
18.10.5 KONTAKTLOSE ENERGIEUEBERTRAGUNGSSYSTEME 369
18.10.6 ENERGIESPARLAMPEN 370
18.10.6.1 KOMPAKT-LEUCHTSTOFFLAMPE 370
18.10.6.2 LEUCHTDIODEN (LEDS) 371
19 STROMVERSORGUNGEN 373
19.1 UNTERBRECHUNGSFREIE STROMVERSORGUNGEN 373
19.1.1 ONLINE-SYSTEME 374
19.1.2 OFFLINE-SYSTEME 374
19.2 PHOTOVOLTAISCHE STROMVERSORGUNGEN 375
19.2.1 W ECHSELRICHTER-WIRKUNGSGRAD 376
19.2.2 EINFLUSS DER NETZIMPEDANZ 377
19.2.3 LEISTUNGSFLUSSSTEUERUNG MIT FACTS 378
19.3 BRENNSTOFFZELLEN-STROM
VERSORGUNGEN
379
19.4 ENERGIESPEICHER 380
19.4.1 KONZEPTE FUER AKKUGESTUETZTE FAHRZEUGANTRIEBE 386
19.4.2 SPEICHERTECHNOLOGIEN FUER ELEKTROFAHRZEUGE 388
FORMELZEICHEN 393
WEITERFUEHRENDE LITERATUR 396
SACHWORTVERZEICHNIS 398
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