Schaltungen der Leistungselektronik

Schaltungen der Leistungselektronik: Kernpunkte

Leistungshalbleiter allein können keine elektrische Leistung umformen. Erst wenn Dioden, Thyristoren, MOSFETs und IGBTs mit Spulen, Kondensatoren und Transformatoren zu Schaltungen kombiniert und zu festgelegten Zeitpunkten geschaltet werden, lässt sich Wechselstrom in Gleichstrom, Gleichstrom in Gleichstrom anderer Spannung und Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln. Dieses Thema behandelt die Grundlagen solcher Stromrichterschaltungen und der Motoren, die mit ihnen angetrieben werden.

Es beginnt mit ein- und dreiphasigen Gleichrichterschaltungen, dem Mittelwert der Vollweggleichrichtung, der Abschätzung der Welligkeit mit Glättungskondensator, der Phasenanschnittsteuerung mit Thyristoren und dem Zündwinkel, der Netzkommutierung und dem Leistungsfaktor verzerrter Ströme. Anschließend werden die Spannungsübersetzungen von Tiefsetzsteller, Hochsetzsteller und Hoch-Tiefsetzsteller aus dem Spannungs-Zeit-Gleichgewicht der Spule hergeleitet, und die Welligkeit des Spulenstroms, die Grenze zwischen nichtlückendem und lückendem Betrieb, die Welligkeit der Ausgangsspannung, der Strom während der Totzeit bei Synchrongleichrichtung, Schaltverluste und der Wirkungsgrad bei geringer Last werden mit Rechnungen erarbeitet. Galvanisch getrennte Wandler werden nur einführend anhand der Funktionsweise von Sperr- und Durchflusswandlern behandelt. Der zweite Teil behandelt Halb- und Vollbrücken-Wechselrichter, Sinus-PWM und Modulationsgrad, die Leiterspannung dreiphasiger Wechselrichter, Übermodulation, die Wahl der Trägerfrequenz, den Spannungsfehler durch die Totzeit, den Kondensator der Bootstrap-Schaltung und die Leistungsfaktorkorrektur mit Hochsetzsteller und schließt mit Synchrondrehzahl und Schlupf von Asynchronmotoren, der V/f-Steuerung, Gegen-EMK und Drehmoment von Gleichstrommotoren, bürstenlosen Gleichstrommotoren, der Rückspeisung beim Abbremsen und dem Stromverhältnis eines idealen Transformators. Das Thema eignet sich auch als Einstieg in Leistungselektronik und elektrische Maschinen, wie sie im Fach Maschinen der japanischen Prüfung zum Elektroingenieur dritter Klasse (Denken 3), in der Elektrotheorie der schriftlichen japanischen Elektroinstallateurprüfung (Denki Kōjishi) und im Fach Elektrische Maschinen der koreanischen Prüfung „Engineer Electricity“ (jeongi gisa) verlangt werden. Die Werte der Rechenaufgaben, auch die der falschen Antworten, wurden mit Python (NumPy) nachgerechnet. Aufbau und Eigenschaften von Bauelementen wie MOSFET, IGBT, SiC und GaN, Gate-Treiber, Snubber-Schaltungen und Soft Switching werden in „Leistungshalbleiter“ behandelt, der Vergleich von LDOs und Schaltreglern in „Analog- und Elektronikschaltungen“, Wechselstromkreise, Drehstrom, das Spannungsverhältnis von Transformatoren und die Impedanztransformation in „Grundlagen elektrischer Schaltungen und des Elektromagnetismus“, die Regelkreise von DC-DC-Wandlern und die Kaskadenregelung von Motoren in „Grundlagen der Regelungstechnik“, PWM und Tastverhältnis in „Embedded Systems und Firmware“ und Wechselrichter für Elektrofahrzeuge in „Automobilhalbleiter und Funktionale Sicherheit“.