Leistungselektronik - Power electronics
Leistungselektronik ist die Anwendung von Festkörperelektronik zur Steuerung und Umwandlung von elektrischem Strom.
Die ersten elektronischen Hochleistungsgeräte wurden mit Quecksilber-Lichtbogenventilen hergestellt . In modernen Systemen wird die Wandlung mit Halbleiterschaltgeräten wie Dioden , Thyristoren und Leistungstransistoren wie dem Leistungs-MOSFET und IGBT durchgeführt . Im Gegensatz zu elektronischen Systemen zur Übertragung und Verarbeitung von Signalen und Daten werden in der Leistungselektronik erhebliche Mengen an elektrischer Energie verarbeitet. Ein AC/DC-Wandler ( Gleichrichter ) ist das typischste leistungselektronische Gerät in vielen Unterhaltungselektronikgeräten, zB Fernsehgeräten , PCs , Batterieladegeräten usw. Der Leistungsbereich reicht typischerweise von einigen zehn Watt bis zu mehreren hundert Watt. In der Industrie ist eine häufige Anwendung der Frequenzumrichter (VSD) , der zur Steuerung eines Induktionsmotors verwendet wird . Der Leistungsbereich von VSDs beginnt bei einigen hundert Watt und endet bei mehreren zehn Megawatt .
Die Leistungsumwandlungssysteme können nach der Art der Eingangs- und Ausgangsleistung klassifiziert werden
- AC zu DC ( Gleichrichter )
- DC zu AC ( Wechselrichter )
- DC zu DC ( DC-zu-DC-Wandler )
- AC zu AC ( AC-zu-AC-Wandler )
Geschichte
Die Leistungselektronik begann mit der Entwicklung des Quecksilber-Lichtbogengleichrichters. Es wurde 1902 von Peter Cooper Hewitt erfunden und wurde verwendet, um Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) umzuwandeln. Ab den 1920er Jahren wurde an der Anwendung von Thyratronen und gittergesteuerten Quecksilberbogenventilen zur Stromübertragung weiter geforscht . Uno Lamm hat ein Quecksilberventil mit Abstufungselektroden entwickelt, das sie für die Hochspannungs-Gleichstrom- Leistungsübertragung geeignet macht . 1933 wurden Selengleichrichter erfunden.
Julius Edgar Lilienfeld schlug 1926 das Konzept eines Feldeffekttransistors vor , aber es war damals noch nicht möglich, ein funktionierendes Gerät zu bauen. 1947 wurde der bipolare Punktkontakttransistor von Walter H. Brattain und John Bardeen unter der Leitung von William Shockley in den Bell Labs erfunden . 1948 verbesserte Shockleys Erfindung des Bipolar-Junction-Transistors (BJT) die Stabilität und Leistung von Transistoren und senkte die Kosten. In den 1950er Jahren, höhere Leistungshalbleiterdioden verfügbar wurden und begannen zu ersetzen Vakuumröhren . 1956 wurde der siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCR) von General Electric eingeführt , der das Anwendungsspektrum der Leistungselektronik erheblich erweitert. In den 1960er Jahren hatte die verbesserte Schaltgeschwindigkeit von Bipolartransistoren Hochfrequenz-DC/DC-Wandler ermöglicht.
RD Middlebrook leistete wichtige Beiträge zur Leistungselektronik. 1970 gründete er die Power Electronics Group bei Caltech . Er entwickelte die State-Space-Averaging-Analysemethode und andere Werkzeuge, die für das moderne Design von Leistungselektronik entscheidend sind.
Leistungs-MOSFET
Ein Durchbruch in der Leistungselektronik gelang 1959 mit der Erfindung des MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) durch Mohamed Atalla und Dawon Kahng in den Bell Labs . Generationen von MOSFET-Transistoren ermöglichten es Leistungsdesignern, Leistungs- und Dichteniveaus zu erreichen, die nicht möglich waren mit Bipolartransistoren. Aufgrund von Verbesserungen in der MOSFET-Technologie (ursprünglich zur Herstellung integrierter Schaltungen verwendet ) wurde der Leistungs-MOSFET in den 1970er Jahren verfügbar.
1969 stellte Hitachi den ersten vertikalen Leistungs-MOSFET vor, der später als VMOS (V-Groove-MOSFET) bekannt wurde. Ab 1974 begannen Yamaha , JVC , Pioneer Corporation , Sony und Toshiba mit der Herstellung von Audioverstärkern mit Leistungs-MOSFETs. 1978 stellte International Rectifier einen Leistungs-MOSFET mit 25 A und 400 V vor. Dieser Baustein ermöglicht den Betrieb bei höheren Frequenzen als ein Bipolartransistor, ist jedoch auf Niederspannungsanwendungen beschränkt.
Der Leistungs-MOSFET ist aufgrund seiner geringen Gate-Treiberleistung, schnellen Schaltgeschwindigkeit, einfachen erweiterten Parallelschaltfähigkeit, großer Bandbreite , Robustheit, einfachen Ansteuerung, einfachen Vorspannung, einfachen Anwendung und einfachen Reparatur das am häufigsten verwendete Leistungsgerät der Welt . Es verfügt über eine breite Palette von leistungselektronischen Anwendungen, wie tragbare Informationsgeräte , integrierte Leistungsschaltungen, Mobiltelefone , Notebook-Computer und die Kommunikationsinfrastruktur , die das Internet ermöglicht .
1982 wurde der Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) eingeführt. Es wurde in den 1990er Jahren weit verbreitet. Diese Komponente hat die Leistungsfähigkeit des Bipolartransistors und die Vorteile der isolierten Gate-Ansteuerung des Leistungs-MOSFET.
Geräte
Die Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit eines leistungselektronischen Systems werden durch die verfügbaren aktiven Geräte bestimmt. Ihre Eigenschaften und Grenzen sind ein Schlüsselelement beim Design von leistungselektronischen Systemen. Früher wurden in der Leistungselektronik häufig das Quecksilberbogenventil , die Hochvakuum- und gasgefüllten Dioden-Glühgleichrichter und getriggerte Geräte wie Thyratron und Ignitron verwendet. Da sich die Nennwerte von Festkörpergeräten sowohl in Bezug auf die Spannungs- als auch Strombelastbarkeit verbessert haben, wurden Vakuumgeräte fast vollständig durch Festkörpergeräte ersetzt.
Leistungselektronische Geräte können als Schalter oder als Verstärker verwendet werden. Ein idealer Schalter ist entweder offen oder geschlossen und verbraucht daher keine Energie; es hält einer angelegten Spannung stand und lässt keinen Strom durch oder lässt jede Strommenge ohne Spannungsabfall durch. Halbleiterbauelemente, die als Schalter verwendet werden, können sich dieser idealen Eigenschaft annähern, und daher verlassen sich die meisten leistungselektronischen Anwendungen auf das Ein- und Ausschalten von Bauelementen, was Systeme sehr effizient macht, da sehr wenig Energie im Schalter verschwendet wird. Im Gegensatz dazu variiert beim Verstärker der Strom durch das Gerät kontinuierlich entsprechend einer gesteuerten Eingabe. Spannung und Strom an den Geräteklemmen folgen einer Lastlinie , und die Verlustleistung im Inneren des Geräts ist im Vergleich zur an die Last abgegebenen Leistung groß.
Mehrere Attribute bestimmen, wie Geräte verwendet werden. Geräte wie Dioden leiten beim Anlegen einer Durchlassspannung und haben keine externe Steuerung des Leitungsbeginns. Leistungsbauelemente wie siliziumgesteuerte Gleichrichter und Thyristoren (sowie das Quecksilberventil und das Thyratron ) ermöglichen die Steuerung des Leitungsbeginns, verlassen sich jedoch auf eine periodische Umkehr des Stromflusses, um sie abzuschalten. Bauelemente wie Gate-Abschalt-Thyristoren, BJT- und MOSFET- Transistoren bieten volle Schaltsteuerung und können unabhängig vom Stromfluss durch sie ein- oder ausgeschaltet werden. Transistorbauelemente ermöglichen auch eine proportionale Verstärkung, die jedoch selten für Systeme mit einer Nennleistung von mehr als einigen hundert Watt verwendet wird. Die Steuereingangseigenschaften eines Geräts wirken sich ebenfalls stark auf das Design aus; manchmal liegt am Steuereingang eine sehr hohe Spannung in Bezug auf Masse an und muss von einer isolierten Quelle gespeist werden.
Da die Effizienz bei einem leistungselektronischen Wandler an erster Stelle steht, sollten die Verluste, die ein leistungselektronisches Gerät erzeugt, so gering wie möglich sein.
Geräte variieren in der Schaltgeschwindigkeit. Einige Dioden und Thyristoren eignen sich für relativ langsame Geschwindigkeiten und sind nützlich zum Schalten und Steuern der Netzfrequenz ; bestimmte Thyristoren sind bei einigen Kilohertz nützlich. Geräte wie MOSFETS und BJTs können in Leistungsanwendungen mit mehreren zehn Kilohertz bis zu einigen Megahertz schalten, jedoch mit abnehmenden Leistungspegeln. Vakuumröhrengeräte dominieren Anwendungen mit hoher Leistung (Hunderte Kilowatt) bei sehr hoher Frequenz (Hunderte oder Tausende von Megahertz). Schneller schaltende Geräte minimieren den Energieverlust bei den Übergängen von ein zu aus und zurück, können jedoch Probleme mit abgestrahlten elektromagnetischen Störungen verursachen. Gate-Ansteuerschaltungen (oder gleichwertige) müssen so ausgelegt sein, dass sie ausreichend Ansteuerstrom liefern, um die mit einem Gerät mögliche volle Schaltgeschwindigkeit zu erreichen. Ein Gerät ohne ausreichenden Antrieb zum schnellen Schalten kann durch Überhitzung zerstört werden.
Praktische Geräte haben einen Spannungsabfall ungleich Null und verbrauchen Energie, wenn sie eingeschaltet sind, und brauchen einige Zeit, um einen aktiven Bereich zu durchlaufen, bis sie den "Ein"- oder "Aus"-Zustand erreichen. Diese Verluste machen einen erheblichen Teil der gesamten Verlustleistung in einem Umrichter aus.
Die Belastbarkeit und Verlustleistung von Geräten ist ebenfalls ein kritischer Faktor beim Design. Leistungselektronische Geräte müssen möglicherweise Dutzende oder Hunderte von Watt Abwärme abführen und sogar so effizient wie möglich zwischen leitenden und nichtleitenden Zuständen umschalten. Im Schaltmodus ist die gesteuerte Leistung viel größer als die im Schalter verbrauchte Leistung. Der Durchlassspannungsabfall im leitenden Zustand führt zu Wärme, die abgeführt werden muss. Hochleistungshalbleiter erfordert spezielles Wärmesenken oder aktive Kühlsysteme ihre Verbindung zu verwalten Temperatur ; exotische halbleiter wie siliziumcarbid haben hier gegenüber reinem silizium einen vorteil, und germanium, einst die hauptstütze der festkörperelektronik, wird aufgrund seiner ungünstigen hochtemperatureigenschaften kaum noch verwendet.
Halbleiterbauelemente gibt es mit Nennleistungen von bis zu einigen Kilovolt in einem einzelnen Bauelement. Wenn sehr hohe Spannungen gesteuert werden müssen, müssen mehrere Geräte in Reihe verwendet werden, mit Netzwerken, um die Spannung über alle Geräte hinweg auszugleichen. Auch hier ist die Schaltgeschwindigkeit ein kritischer Faktor, da das am langsamsten schaltende Gerät einen überproportionalen Anteil an der Gesamtspannung aushalten muss. Quecksilberventile waren früher mit Nennleistungen bis 100 kV in einer einzigen Einheit erhältlich, was ihre Anwendung in HGÜ- Systemen vereinfachte .
Die Nennstromstärke eines Halbleiterbauelements wird durch die in den Chips erzeugte Wärme und die im Widerstand der Verbindungsleitungen entwickelte Wärme begrenzt. Halbleiterbauelemente müssen so ausgelegt sein, dass der Strom innerhalb des Bauelements gleichmäßig über seine internen Verbindungen (oder Kanäle) verteilt wird; Sobald sich ein "Hot Spot" entwickelt, können Durchschlagseffekte das Gerät schnell zerstören. Bestimmte SCRs sind mit Stromnennwerten bis 3000 Ampere in einem einzigen Gerät erhältlich.
DC/AC-Wandler (Wechselrichter)
DC-AC-Wandler erzeugen eine AC-Ausgangswellenform von einer DC-Quelle. Zu den Anwendungen gehören drehzahlgeregelte Antriebe (ASD), unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), flexible AC-Übertragungssysteme (FACTS), Spannungskompensatoren und Photovoltaik-Wechselrichter. Topologien für diese Wandler können in zwei verschiedene Kategorien unterteilt werden: Spannungsquellen-Wechselrichter und Stromquellen-Wechselrichter. Spannungsquelleninverter (VSIs) werden so genannt, weil der unabhängig gesteuerte Ausgang eine Spannungswellenform ist. In ähnlicher Weise unterscheiden sich Stromquellen-Wechselrichter (CSIs) dadurch, dass der gesteuerte AC-Ausgang eine Stromwellenform ist.
Die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom ist das Ergebnis von Leistungsschaltvorrichtungen, bei denen es sich im Allgemeinen um vollständig steuerbare Halbleiterleistungsschalter handelt. Die Ausgangswellenformen bestehen daher aus diskreten Werten, die eher schnelle als glatte Übergänge erzeugen. Für einige Anwendungen ist sogar eine grobe Annäherung an die sinusförmige Wellenform des Wechselstroms ausreichend. Wenn eine nahezu sinusförmige Wellenform erforderlich ist, werden die Schaltvorrichtungen viel schneller betrieben als die gewünschte Ausgangsfrequenz, und die Zeit, die sie in jedem Zustand verbringen, wird so gesteuert, dass der gemittelte Ausgang nahezu sinusförmig ist. Gängige Modulationstechniken umfassen die trägerbasierte Technik oder Pulsbreitenmodulation , die Raumvektortechnik und die selektive harmonische Technik.
Spannungsquellen-Wechselrichter haben praktische Anwendungen sowohl in einphasigen als auch in dreiphasigen Anwendungen. Einphasige VSIs verwenden Halbbrücken- und Vollbrückenkonfigurationen und werden häufig für Stromversorgungen, einphasige USVs und ausgeklügelte Hochleistungstopologien verwendet, wenn sie in Mehrzellenkonfigurationen verwendet werden. Dreiphasige VSIs werden in Anwendungen verwendet, die sinusförmige Spannungswellenformen erfordern, wie z. B. ASDs, USVs und einige Arten von FACTS-Geräten wie STATCOM . Sie werden auch dort eingesetzt, wo beliebige Spannungen benötigt werden, wie bei aktiven Leistungsfiltern und Spannungskompensatoren.
Stromquellen-Wechselrichter werden verwendet, um einen AC-Ausgangsstrom aus einer DC-Stromversorgung zu erzeugen. Dieser Wechselrichtertyp ist praktisch für dreiphasige Anwendungen, bei denen hochwertige Spannungswellenformen erforderlich sind.
Eine relativ neue Klasse von Wechselrichtern, sogenannte Multilevel-Wechselrichter, hat breites Interesse gefunden. Der normale Betrieb von CSIs und VSIs kann aufgrund der Tatsache, dass Leistungsschalter entweder mit dem positiven oder mit dem negativen DC-Bus verbunden sind, als zweistufige Wechselrichter klassifiziert werden. Wenn mehr als zwei Spannungspegel an den Wechselrichter-Ausgangsklemmen verfügbar wären, könnte sich der AC-Ausgang besser einer Sinuswelle annähern. Aus diesem Grund bieten Multilevel-Wechselrichter, obwohl komplexer und teurer, eine höhere Leistung.
Jeder Umrichtertyp unterscheidet sich in den verwendeten Zwischenkreisen und darin, ob sie Freilaufdioden benötigen oder nicht . Beide können je nach Verwendungszweck im Rechteckwellen- oder Pulsweitenmodulationsmodus (PWM) betrieben werden. Der Rechteckwellenmodus bietet Einfachheit, während PWM auf verschiedene Arten implementiert werden kann und qualitativ hochwertigere Wellenformen erzeugt.
Spannungsquellen-Wechselrichter (VSI) speisen den Ausgangs-Wechselrichterabschnitt aus einer annähernd konstanten Spannungsquelle.
Die gewünschte Qualität der Stromausgangswellenform bestimmt, welche Modulationstechnik für eine bestimmte Anwendung ausgewählt werden muss. Die Ausgabe eines VSI besteht aus diskreten Werten. Um eine glatte Stromwellenform zu erhalten, müssen die Lasten bei den ausgewählten harmonischen Frequenzen induktiv sein. Ohne eine Art induktive Filterung zwischen Quelle und Last führt eine kapazitive Last dazu, dass die Last eine abgehackte Stromwellenform mit großen und häufigen Stromspitzen erhält.
Es gibt drei Haupttypen von VSIs:
- Einphasiger Halbbrückenwechselrichter
- Einphasiger Vollbrückenwechselrichter
- Wechselrichter mit dreiphasiger Spannungsquelle
Einphasiger Halbbrückenwechselrichter
Die einphasigen Spannungsquellen-Halbbrücken-Wechselrichter sind für Niederspannungsanwendungen gedacht und werden häufig in Stromversorgungen verwendet. Abbildung 9 zeigt das Schaltbild dieses Wechselrichters.
Stromoberschwingungen niedriger Ordnung werden durch den Betrieb des Wechselrichters in die Quellenspannung zurückgespeist. Dies bedeutet, dass in dieser Ausführung zwei große Kondensatoren für Filterzwecke benötigt werden. Wie Abbildung 9 zeigt, kann in jedem Zweig des Wechselrichters jeweils nur ein Schalter eingeschaltet sein. Wenn beide Schalter in einem Zweig gleichzeitig eingeschaltet waren, wird die DC-Quelle kurzgeschlossen.
Wechselrichter können verschiedene Modulationstechniken verwenden, um ihre Schaltschemata zu steuern. Die Träger-basierte PWM - Technik vergleicht die AC - Ausgangswellenform, v c , an ein Trägerspannungssignal, v Δ . Wenn V c größer als v ist , Δ , ist S + auf, und wenn v c kleiner als V ist , Δ , ist S- auf. Wenn der AC - Ausgang bei der Frequenz fc mit seiner Amplitude bei v c , und das dreieckige Trägersignal bei der Frequenz f Δ mit seiner Amplitude bei V Δ , wird die PWM ein Sonderfall sinus des Carriers auf Basis PWM. Dieser Fall wird als sinusförmige Pulsweitenmodulation (SPWM) bezeichnet. Dazu wird der Modulationsindex oder das Amplitudenmodulationsverhältnis als m a = v c /v ∆ definiert .
Die normierte Trägerfrequenz oder Frequenz-Modulationsverhältnis wird berechnet unter Verwendung der Gleichung m w = f Δ / f c .
Wenn der Übermodulationsbereich ma eins überschreitet, wird eine höhere Grund-AC-Ausgangsspannung beobachtet, jedoch auf Kosten der Sättigung. Für SPWM liegen die Oberwellen der Ausgangswellenform bei wohldefinierten Frequenzen und Amplituden. Dies vereinfacht die Auslegung der Filterkomponenten, die für die Einspeisung von Stromoberschwingungen niedriger Ordnung aus dem Betrieb des Wechselrichters benötigt werden. Die maximale Ausgangsamplitude in dieser Betriebsart beträgt die Hälfte der Quellenspannung. Wenn die maximale Ausgangsamplitude m a 3,24 überschreitet, wird die Ausgangswellenform des Wechselrichters eine Rechteckwelle.
Wie bei der Pulsweitenmodulation (PWM) können nicht beide Schalter in einem Zweig für die Rechteckwellenmodulation gleichzeitig eingeschaltet werden, da dies einen Kurzschluss an der Spannungsquelle verursachen würde. Das Schaltschema erfordert, dass sowohl S+ als auch S- für einen halben Zyklus der AC-Ausgangsperiode eingeschaltet sind. Die grundlegende AC-Ausgangsamplitude ist gleich v o1 = v aN = 2v i /π .
Seine Harmonischen haben eine Amplitude von v oh = v o1 /h .
Daher wird die AC-Ausgangsspannung nicht durch den Wechselrichter gesteuert, sondern durch die Größe der DC-Eingangsspannung des Wechselrichters.
Die Verwendung der selektiven Oberwellenbeseitigung (SHE) als Modulationstechnik ermöglicht das Schalten des Wechselrichters, um intrinsische Oberwellen selektiv zu eliminieren. Auch die Grundschwingung der AC-Ausgangsspannung kann innerhalb eines gewünschten Bereichs eingestellt werden. Da die AC-Ausgangsspannung, die von dieser Modulationstechnik erhalten wird, eine ungerade Halb- und eine ungerade Viertelwellensymmetrie aufweist, existieren keine geraden Oberwellen. Alle unerwünschten ungeraden (N-1) intrinsischen Harmonischen aus der Ausgangswellenform können eliminiert werden.
Einphasiger Vollbrückenwechselrichter
Der Vollbrücken-Wechselrichter ähnelt dem Halbbrücken-Wechselrichter, hat jedoch einen zusätzlichen Schenkel, um den Sternpunkt mit der Last zu verbinden. Bild 3 zeigt das Schaltbild des einphasigen Spannungsquellen-Vollbrückenwechselrichters.
Um einen Kurzschluss der Spannungsquelle zu vermeiden, können S1+ und S1- nicht gleichzeitig eingeschaltet sein, und S2+ und S2- können auch nicht gleichzeitig eingeschaltet sein. Bei jeder Modulationstechnik, die für die Vollbrückenkonfiguration verwendet wird, sollte entweder der obere oder der untere Schalter jedes Zweigs zu einem bestimmten Zeitpunkt eingeschaltet sein. Aufgrund des zusätzlichen Zweigs beträgt die maximale Amplitude der Ausgangswellenform Vi und ist doppelt so groß wie die maximal erreichbare Ausgangsamplitude für die Halbbrückenkonfiguration.
Die Zustände 1 und 2 aus Tabelle 2 werden verwendet, um die AC-Ausgangsspannung mit bipolarem SPWM zu erzeugen. Die AC-Ausgangsspannung kann nur zwei Werte annehmen, entweder Vi oder –Vi. Um dieselben Zustände unter Verwendung einer Halbbrückenkonfiguration zu erzeugen, kann eine trägerbasierte Technik verwendet werden. Wenn S+ für die Halbbrücke eingeschaltet ist, entspricht S1+ und S2-, die für die Vollbrücke eingeschaltet sind. In ähnlicher Weise entspricht S-, das für die Halbbrücke eingeschaltet ist, S1- und S2+, die für die Vollbrücke eingeschaltet sind. Die Ausgangsspannung für diese Modulationstechnik ist mehr oder weniger sinusförmig, mit einer Grundschwingung, die eine Amplitude im linearen Bereich von kleiner oder gleich eins hat v o1 = v ab1 = v i • m a .
Im Gegensatz zur bipolaren PWM-Technik verwendet der unipolare Ansatz die Zustände 1, 2, 3 und 4 aus Tabelle 2, um seine AC-Ausgangsspannung zu erzeugen. Daher kann die AC-Ausgangsspannung die Werte Vi, 0 oder –V [1]i annehmen. Um diese Zustände zu erzeugen, werden zwei sinusförmige Modulationssignale, Vc und –Vc, benötigt, wie in Abbildung 4 zu sehen ist.
Vc wird verwendet, um VaN zu erzeugen, während –Vc verwendet wird, um VbN zu erzeugen. Die folgende Beziehung wird als unipolare trägerbasierte SPWM v o1 = 2 · v aN1 = v i · m a bezeichnet .
Die Phasenspannungen VaN und VbN sind identisch, jedoch um 180 Grad phasenverschoben. Die Ausgangsspannung ist gleich der Differenz der beiden Phasenspannungen und enthält keine geraden Oberwellen. Daher erscheinen, wenn mf genommen wird, sogar die Oberwellen der AC-Ausgangsspannung bei normalisierten ungeraden Frequenzen fh. Diese Frequenzen sind auf den doppelten Wert der normalisierten Trägerfrequenz zentriert. Diese besondere Funktion ermöglicht kleinere Filterkomponenten, wenn versucht wird, eine qualitativ hochwertigere Ausgangswellenform zu erhalten.
Wie beim Halbbrücken-SHE enthält die AC-Ausgangsspannung aufgrund ihrer ungeraden Halb- und ungeraden Viertelwellensymmetrie keine geraden Oberwellen.
Wechselrichter mit dreiphasiger Spannungsquelle
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Einphasige VSIs werden hauptsächlich für Anwendungen im niedrigen Leistungsbereich verwendet, während dreiphasige VSIs sowohl Anwendungen im mittleren als auch im hohen Leistungsbereich abdecken. Abbildung 5 zeigt den Schaltplan für einen dreiphasigen VSI.
Schalter in einem der drei Zweige des Wechselrichters können nicht gleichzeitig ausgeschaltet werden, was dazu führt, dass die Spannungen von der Polarität des jeweiligen Netzstroms abhängig sind. Die Zustände 7 und 8 erzeugen Null-AC-Leitungsspannungen, was dazu führt, dass AC-Leitungsströme entweder durch die oberen oder die unteren Komponenten freilaufen. Die Netzspannungen für die Zustände 1 bis 6 erzeugen jedoch eine Netzwechselspannung bestehend aus den diskreten Werten von Vi, 0 oder –Vi.
Für dreiphasige SPWM werden drei Modulationssignale verwendet, die zueinander um 120 Grad phasenverschoben sind, um phasenverschobene Lastspannungen zu erzeugen. Um die PWM-Merkmale mit einem einzigen Trägersignal zu erhalten, muss die normalisierte Trägerfrequenz mf ein Vielfaches von drei sein. Dadurch bleibt die Größe der Phasenspannungen identisch, jedoch um 120 Grad phasenverschoben. Die maximal erreichbare Phasenspannungsamplitude im linearen Bereich, ma kleiner oder gleich eins, beträgt v Phase = v i / 2 . Die maximal erreichbare Netzspannungsamplitude beträgt V ab1 = v ab • √ 3 / 2
Die einzige Möglichkeit, die Lastspannung zu steuern, besteht darin, die Eingangsgleichspannung zu ändern.
Stromquellen-Wechselrichter
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Stromquellen-Wechselrichter wandeln Gleichstrom in eine Wechselstromwellenform um. Bei Anwendungen, die sinusförmige Wechselstromwellenformen erfordern, sollten Betrag, Frequenz und Phase alle kontrolliert werden. CSIs weisen im Laufe der Zeit hohe Stromänderungen auf, daher werden auf der AC-Seite üblicherweise Kondensatoren verwendet, während auf der DC-Seite üblicherweise Induktoren verwendet werden. Aufgrund des Fehlens von Freilaufdioden ist der Leistungskreis in Größe und Gewicht reduziert und tendenziell zuverlässiger als VSIs. Obwohl einphasige Topologien möglich sind, sind dreiphasige CSIs praktischer.
In seiner allgemeinsten Form verwendet ein dreiphasiger CSI die gleiche Leitungsfolge wie ein Sechspulsgleichrichter. Zu jeder Zeit sind nur ein Schalter mit gemeinsamer Kathode und ein Schalter mit gemeinsamer Anode eingeschaltet.
Als Ergebnis nehmen Leitungsströme diskrete Werte von –ii, 0 und ii an. Zustände werden so gewählt, dass eine gewünschte Wellenform ausgegeben wird und nur gültige Zustände verwendet werden. Diese Auswahl basiert auf Modulationstechniken, die trägerbasierte PWM, selektive Oberwellenbeseitigung und Raumvektortechniken umfassen.
Für VSIs verwendete trägerbasierte Techniken können auch für CSIs implementiert werden, was zu CSI-Leitungsströmen führt, die sich wie VSI-Leitungsspannungen verhalten. Die zum Modulieren von Signalen verwendete digitale Schaltung enthält einen Schaltimpulsgenerator, einen Kurzschlussimpulsgenerator, einen Kurzschlussimpulsverteiler und einen Schalt- und Kurzschlussimpulskombinierer. Ein Gate-Signal wird basierend auf einem Trägerstrom und drei Modulationssignalen erzeugt.
Wenn keine oberen Schalter und keine unteren Schalter angesteuert werden, wird diesem Signal ein Kurzschlussimpuls hinzugefügt, wodurch die Effektivströme in allen Zweigen gleich sind. Für jede Phase werden die gleichen Verfahren verwendet, jedoch sind die Schaltvariablen relativ zueinander um 120 Grad phasenverschoben und die Stromimpulse sind in Bezug auf die Ausgangsströme um eine Halbwelle verschoben. Wenn ein Dreiecksträger mit sinusförmigen Modulationssignalen verwendet wird, verwendet der CSI eine synchronisierte Pulsweitenmodulation (SPWM). Bei voller Übermodulation in Verbindung mit SPWM spricht man von einem Rechteckbetrieb des Wechselrichters.
Die zweite CSI-Modulationskategorie, SHE, ähnelt ebenfalls ihrem VSI-Gegenstück. Die Verwendung der für einen VSI entwickelten Durchschaltsignale und eines Satzes von synchronisierenden sinusförmigen Stromsignalen führt zu symmetrisch verteilten Kurzschlussimpulsen und daher zu symmetrischen Durchschaltmustern. Dadurch können beliebig viele Oberwellen eliminiert werden. Es ermöglicht auch die Steuerung des Grundwellenstroms durch die richtige Auswahl der primären Schaltwinkel. Optimale Schaltmuster müssen Viertelwellen- und Halbwellensymmetrie sowie eine Symmetrie von etwa 30 Grad und 150 Grad aufweisen. Schaltmuster zwischen 60 Grad und 120 Grad sind niemals erlaubt. Die Stromwelligkeit kann durch den Einsatz größerer Ausgangskondensatoren oder durch Erhöhung der Schaltimpulszahl weiter reduziert werden.
Die dritte Kategorie, die raumvektorbasierte Modulation, erzeugt PWM-Lastleitungsströme, die im Durchschnitt den Lastleitungsströmen entsprechen. Gültige Schaltzustände und Zeitauswahlen werden digital basierend auf der Raumvektortransformation vorgenommen. Modulationssignale werden als komplexer Vektor unter Verwendung einer Transformationsgleichung dargestellt. Für symmetrische dreiphasige Sinussignale wird dieser Vektor zu einem festen Modul, das mit einer Frequenz rotiert. Diese Raumvektoren werden dann verwendet, um das Modulationssignal anzunähern. Wenn das Signal zwischen beliebigen Vektoren liegt, werden die Vektoren mit den Nullvektoren I7, I8 oder I9 kombiniert. Die folgenden Gleichungen werden verwendet, um sicherzustellen, dass die erzeugten Ströme und die Stromvektoren im Durchschnitt äquivalent sind.
Multilevel-Wechselrichter
Eine relativ neue Klasse namens Multilevel-Wechselrichter hat breites Interesse gefunden. Der normale Betrieb von CSIs und VSIs kann als zweistufige Wechselrichter klassifiziert werden, da die Leistungsschalter entweder mit dem positiven oder dem negativen DC-Bus verbunden sind. Wenn mehr als zwei Spannungspegel an den Wechselrichter-Ausgangsklemmen verfügbar wären, könnte sich der AC-Ausgang besser einer Sinuswelle annähern. Aus diesem Grund bieten Multilevel-Wechselrichter, obwohl komplexer und kostspieliger, eine höhere Leistung. Abbildung 10 zeigt einen dreistufigen Neutralleiter-Wechselrichter.
Steuerverfahren für einen dreistufigen Wechselrichter erlauben nur zwei Schaltern der vier Schalter in jedem Zweig, gleichzeitig die Leitungszustände zu ändern. Dies ermöglicht eine reibungslose Kommutierung und vermeidet ein Durchschießen, indem nur gültige Zustände ausgewählt werden. Es ist auch anzumerken, dass, da die DC-Busspannung von mindestens zwei Leistungsventilen geteilt wird, ihre Nennspannungen niedriger sein können als die eines zweistufigen Gegenstücks.
Für mehrstufige Topologien werden trägerbasierte und Raumvektor-Modulationstechniken verwendet. Die Methoden für diese Techniken folgen denen klassischer Wechselrichter, jedoch mit zusätzlicher Komplexität. Die Raumvektormodulation bietet eine größere Anzahl fester Spannungsvektoren, die bei der Annäherung des Modulationssignals verwendet werden können, und ermöglicht daher die Ausführung effektiverer Raumvektor-PWM-Strategien auf Kosten aufwendigerer Algorithmen. Aufgrund der zusätzlichen Komplexität und Anzahl von Halbleiterbauelementen sind Multilevel-Wechselrichter derzeit besser für Hochleistungs-Hochspannungsanwendungen geeignet. Diese Technologie reduziert die Oberwellen und verbessert somit die Gesamteffizienz des Systems.
AC/AC-Wandler
Die Umwandlung von Wechselstrom in Wechselstrom ermöglicht die Steuerung der Spannung, Frequenz und Phase der Wellenform, die an eine Last von einem versorgten Wechselstromsystem angelegt wird. Die zwei Hauptkategorien, die verwendet werden können, um die Arten von Wandlern zu trennen, sind, ob die Frequenz der Wellenform geändert wird. AC/AC-Wandler , die es dem Benutzer nicht ermöglichen, die Frequenzen zu ändern, werden als AC-Spannungsregler oder AC-Regler bezeichnet. Wechselstromwandler, die es dem Benutzer ermöglichen, die Frequenz zu ändern, werden einfach als Frequenzumrichter zur Umwandlung von Wechselstrom in Wechselstrom bezeichnet. Unter Frequenzumrichtern gibt es drei verschiedene Arten von Wandlern, die typischerweise verwendet werden: Zyklokonverter, Matrixwandler, Zwischenkreiswandler (auch bekannt als AC/DC/AC-Wandler).
AC-Spannungsregler: Der Zweck eines AC-Spannungsreglers oder AC- Reglers besteht darin, die Effektivspannung an der Last bei konstanter Frequenz zu variieren. Drei allgemein akzeptierte Steuerverfahren sind EIN/AUS-Steuerung, Phasenwinkelsteuerung und Pulsweitenmodulation AC-Chopper-Steuerung (PWM AC-Chopper-Steuerung). Alle drei dieser Verfahren lassen sich nicht nur in einphasigen, sondern auch in dreiphasigen Schaltungen implementieren.
- EIN/AUS-Steuerung: Diese Regelmethode wird normalerweise zum Heizen von Lasten oder zur Drehzahlregelung von Motoren verwendet und umfasst das Einschalten des Schalters für n Integralzyklen und das Ausschalten des Schalters für m Integralzyklen. Da durch das Ein- und Ausschalten der Schalter unerwünschte Oberwellen erzeugt werden, werden die Schalter bei Nullspannungs- und Nullstrombedingungen (Nulldurchgang) ein- und ausgeschaltet, wodurch die Verzerrung effektiv reduziert wird.
- Phasenwinkelsteuerung: Es gibt verschiedene Schaltungen, um eine Phasenwinkelsteuerung für verschiedene Wellenformen zu implementieren, wie z. B. Halbwellen- oder Vollwellenspannungssteuerung. Die typischerweise verwendeten leistungselektronischen Komponenten sind Dioden, SCRs und Triacs. Durch die Verwendung dieser Komponenten kann der Benutzer den Zündwinkel in einer Welle verzögern, wodurch nur ein Teil der Welle ausgegeben wird.
- PWM-AC-Chopper-Steuerung: Die anderen beiden Steuerungsmethoden haben oft schlechte Oberwellen, Ausgangsstromqualität und Eingangsleistungsfaktor. Um diese Werte zu verbessern, kann PWM anstelle der anderen Verfahren verwendet werden. Der PWM AC Chopper hat Schalter, die sich innerhalb abwechselnder Halbzyklen der Eingangsspannung mehrmals ein- und ausschalten.
Matrixkonverter und Zyklokonverter : Zyklokonverter werden in der Industrie häufig zur Umwandlung von Wechselstrom in Wechselstrom verwendet, da sie in Hochleistungsanwendungen verwendet werden können. Es handelt sich um kommutierte Direkt-Frequenzumrichter, die über eine Zuleitung synchronisiert werden. Die Ausgangsspannungswellenformen der Zyklokonverter weisen komplexe Oberwellen auf, wobei die Oberwellen höherer Ordnung durch die Maschineninduktivität gefiltert werden. Dadurch hat der Maschinenstrom weniger Oberschwingungen, während die verbleibenden Oberschwingungen Verluste und Drehmomentpulsationen verursachen. Beachten Sie, dass es in einem Zyklokonverter im Gegensatz zu anderen Konvertern keine Induktivitäten oder Kondensatoren, dh keine Speichergeräte gibt. Aus diesem Grund sind die momentane Eingangsleistung und die Ausgangsleistung gleich.
- Einphasen -zu-Einphasen - Zyklokonverter : Einphasig-zu-Einphasen-Zyklokonverter haben in letzter Zeit aufgrund des Rückgangs sowohl der Größe als auch des Preises der Leistungselektronikschalter mehr Interesse auf sich gezogen. Die einphasige hochfrequente Wechselspannung kann entweder sinusförmig oder trapezförmig sein. Dies können Nullspannungsintervalle für Steuerzwecke oder Nullspannungskommutierung sein.
- Dreiphasen-zu- Einphasen - Zyklokonverter : Es gibt zwei Arten von Dreiphasen-zu-Einphasen-Zyklokonvertern: 3φ zu 1φ Halbwellen-Zyklokonverter und 3φ zu 1φ Brücken-Zyklokonverter. Sowohl positive als auch negative Wandler können Spannung bei jeder Polarität erzeugen, was dazu führt, dass der positive Wandler nur positiven Strom liefert und der negative Wandler nur negativen Strom liefert.
Mit den jüngsten Fortschritten bei den Vorrichtungen werden neuere Formen von Direktumrichtern entwickelt, wie beispielsweise Matrixumrichter. Die erste Änderung, die zuerst bemerkt wird, ist, dass Matrixwandler bidirektionale, bipolare Schalter verwenden. Ein Einphasen-Einphasen-Matrixwandler besteht aus einer Matrix von 9 Schaltern, die die drei Eingangsphasen mit der Baumausgangsphase verbinden. Jede Eingangsphase und Ausgangsphase können jederzeit miteinander verbunden werden, ohne gleichzeitig zwei Schalter derselben Phase anzuschließen; andernfalls führt dies zu einem Kurzschluss der Eingangsphasen. Matrixwandler sind leichter, kompakter und vielseitiger als andere Wandlerlösungen. Als Ergebnis sind sie in der Lage, einen höheren Integrationsgrad, einen Betrieb bei höheren Temperaturen, eine breite Ausgangsfrequenz und einen natürlichen bidirektionalen Leistungsfluss zu erreichen, der geeignet ist, Energie zurück zum Versorgungsunternehmen zu regenerieren.
Die Matrixwandler werden in zwei Typen unterteilt: direkte und indirekte Wandler. Bei einem direkten Matrixwandler mit dreiphasigem Eingang und dreiphasigem Ausgang müssen die Schalter eines Matrixwandlers bidirektional sein, dh sie müssen in der Lage sein, Spannungen jeder Polarität zu sperren und Strom in beide Richtungen zu leiten. Diese Schaltstrategie ermöglicht eine höchstmögliche Ausgangsspannung und reduziert den netzseitigen Blindstrom. Daher ist der Leistungsfluss durch den Umrichter reversibel. Wegen seines Kommutierungsproblems und seiner komplexen Steuerung verhindert es eine breite Anwendung in der Industrie.
Im Gegensatz zu den direkten Matrixwandlern haben die indirekten Matrixwandler die gleiche Funktionalität, verwenden jedoch separate Eingangs- und Ausgangsabschnitte, die ohne Speicherelemente über eine Gleichstromverbindung verbunden sind. Das Design umfasst einen Vierquadranten-Stromquellen-Gleichrichter und einen Spannungsquellen-Wechselrichter. Die Eingangssektion besteht aus bidirektionalen bipolaren Schaltern. Die Kommutierungsstrategie kann angewendet werden, indem der Schaltzustand des Eingangsabschnitts geändert wird, während sich der Ausgangsabschnitt in einem Freilaufmodus befindet. Dieser Kommutierungsalgorithmus ist im Vergleich zu einem herkömmlichen Direkt-Matrix-Umsetzer deutlich weniger komplex und zuverlässiger.
Zwischenkreiswandler: Zwischenkreiswandler , auch AC/DC/AC-Wandler genannt, wandeln unter Verwendung eines Zwischenkreises in der Mitte einen AC-Eingang in einen AC-Ausgang um. Dies bedeutet, dass die Leistung im Umrichter mit Hilfe eines Gleichrichters in Gleichstrom von Wechselstrom und dann mit einem Wechselrichter von Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt wird. Das Endergebnis ist ein Ausgang mit niedrigerer Spannung und variabler (höherer oder niedrigerer) Frequenz. Aufgrund ihres breiten Anwendungsgebietes sind die AC/DC/AC-Wandler die gängigste zeitgemäße Lösung. Weitere Vorteile von AC/DC/AC-Wandlern sind, dass sie bei Überlast- und Leerlaufbedingungen stabil sind und ohne Beschädigung von einer Last getrennt werden können.
Hybrid-Matrix-Wandler: Hybrid-Matrix-Wandler sind relativ neu für AC/AC-Wandler. Diese Wandler kombinieren das AC/DC/AC-Design mit dem Matrix-Converter-Design. In dieser neuen Kategorie wurden mehrere Arten von Hybridwandlern entwickelt, ein Beispiel ist ein Wandler, der unidirektionale Schalter und zwei Wandlerstufen ohne den Zwischenkreis verwendet; Ohne die für einen Zwischenkreis benötigten Kondensatoren oder Induktivitäten werden Gewicht und Größe des Wandlers reduziert. Von den Hybridwandlern gibt es zwei Unterkategorien, die als Hybrid-Direkt-Matrix-Wandler (HDMC) und Hybrid-Indirekt-Matrix-Wandler (HIMC) bezeichnet werden. HDMC wandelt Spannung und Strom in einer Stufe um, während der HIMC wie der AC/DC/AC-Wandler separate Stufen verwendet, jedoch ohne Zwischenspeicher.
Anwendungen: Nachfolgend finden Sie eine Liste gängiger Anwendungen, in denen jeder Konverter verwendet wird.
- AC-Spannungsregler: Beleuchtungssteuerung; Heizung für Haushalte und Industrie; Drehzahlregelung von Lüfter-, Pumpen- oder Hubwerksantrieben, Sanftanlauf von Induktionsmotoren, statische Wechselstromschalter (Temperaturregelung, Transformatorstufenschaltung usw.)
- Cycloconverter: Reversible AC-Motorantriebe mit hoher Leistung und niedriger Geschwindigkeit; Konstantfrequenz-Netzteil mit variabler Eingangsfrequenz; Steuerbare VAR-Generatoren zur Leistungsfaktorkorrektur; Wechselstromsystem-Interties, die zwei unabhängige Stromversorgungssysteme verbinden.
- Matrixwandler: Derzeit ist die Anwendung von Matrixwandlern aufgrund der Nichtverfügbarkeit von bilateralen monolithischen Schaltern, die bei hoher Frequenz arbeiten können, der Implementierung komplexer Steuergesetze, der Kommutierung und anderer Gründe eingeschränkt. Mit diesen Entwicklungen könnten Matrix-Umrichter in vielen Bereichen Zyklo-Umrichter ersetzen.
- DC Link: Einsetzbar für Einzel- oder Mehrfachlastanwendungen im Maschinen- und Anlagenbau.
Simulationen leistungselektronischer Systeme
Leistungselektronische Schaltungen werden mit Computersimulationsprogrammen wie PLECS , PSIM und MATLAB /simulink simuliert. Schaltungen werden vor der Produktion simuliert, um zu testen, wie die Schaltungen unter bestimmten Bedingungen reagieren. Außerdem ist das Erstellen einer Simulation sowohl billiger als auch schneller als das Erstellen eines Prototyps zum Testen.
Anwendungen
Anwendungen der Leistungselektronik in einem Größenbereich von einem Schaltnetzteil in einem AC - Adapter , Ladegeräte, Audio-Verstärker, Leuchtstofflampe Vorschaltgeräte, durch Frequenzumrichter und DC - Motorantriebe Pumpen, Ventilatoren und Maschinen , Herstellung, bis zu Gigawatt bedienen -große Hochspannungs-Gleichstrom- Stromübertragungssysteme, die zur Verbindung von Stromnetzen verwendet werden. Leistungselektronische Systeme finden sich in praktisch jedem elektronischen Gerät. Zum Beispiel:
- DC/DC-Wandler werden in den meisten mobilen Geräten (Mobiltelefone, PDA usw.) verwendet, um die Spannung unabhängig vom Spannungspegel der Batterie auf einem festen Wert zu halten. Diese Wandler werden auch zur elektronischen Trennung und Leistungsfaktorkorrektur verwendet . Ein Leistungsoptimierer ist eine Art DC/DC-Wandler, der entwickelt wurde, um die Energiegewinnung aus Photovoltaik- oder Windkraftanlagen zu maximieren .
- AC/DC-Wandler ( Gleichrichter ) werden immer dann verwendet, wenn ein elektronisches Gerät an das Stromnetz angeschlossen wird (Computer, Fernseher usw.). Diese können einfach Wechselstrom in Gleichstrom ändern oder auch den Spannungspegel als Teil ihres Betriebs ändern.
- AC/AC-Wandler werden verwendet, um entweder die Spannungsebene oder die Frequenz zu ändern (internationale Netzteile, Lichtdimmer). In Stromverteilungsnetzen können AC/AC-Wandler verwendet werden, um Strom zwischen Netzen mit einer Netzfrequenz von 50 Hz und 60 Hz auszutauschen .
- DC/AC-Wandler ( Wechselrichter ) werden vor allem in USV- oder Erneuerbare-Energien-Anlagen oder Notbeleuchtungsanlagen eingesetzt. Netzstrom lädt die DC-Batterie. Bei Netzausfall erzeugt ein Wechselrichter Wechselstrom mit Netzspannung aus der DC-Batterie. Solar-Wechselrichter , sowohl kleinere String- als auch größere Zentral-Wechselrichter, sowie Solar-Mikro-Wechselrichter werden in der Photovoltaik als Bestandteil einer PV-Anlage eingesetzt.
Motorantriebe finden sich in Pumpen, Gebläsen und Mühlenantrieben für Textil-, Papier-, Zement- und ähnliche Einrichtungen. Antriebe können zur Leistungsumwandlung und zur Bewegungssteuerung verwendet werden. Zu den Anwendungen für Wechselstrommotoren gehören Antriebe mit variabler Frequenz , Motorsanftstarter und Erregersysteme.
In Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEVs) wird Leistungselektronik in zwei Formaten verwendet: Serienhybrid und Parallelhybrid. Der Unterschied zwischen einem Serien-Hybrid und einem Parallel-Hybrid liegt im Verhältnis des Elektromotors zum Verbrennungsmotor ( Verbrennungsmotor ). In Elektrofahrzeugen verwendete Geräte bestehen meist aus DC/DC-Wandlern zum Laden der Batterie und DC/AC-Wandlern zum Antrieb des Antriebsmotors. Elektrische Züge verwenden leistungselektronische Geräte, um Leistung zu gewinnen, sowie für die Vektorsteuerung unter Verwendung von Pulsweitenmodulations- (PWM)-Gleichrichtern. Die Züge beziehen ihren Strom aus Stromleitungen. Eine weitere neue Anwendung für Leistungselektronik ist in Aufzugsanlagen. Diese Systeme können Thyristoren , Wechselrichter, Permanentmagnetmotoren oder verschiedene Hybridsysteme verwenden, die PWM-Systeme und Standardmotoren enthalten.
Wechselrichter
Im Allgemeinen werden Wechselrichter in Anwendungen verwendet, die eine direkte Umwandlung von elektrischer Energie von Gleichstrom in Wechselstrom oder eine indirekte Umwandlung von Wechselstrom in Wechselstrom erfordern. Die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom ist für viele Bereiche nützlich, darunter Leistungskonditionierung, Oberwellenkompensation, Motorantriebe und Netzintegration erneuerbarer Energien.
In Stromversorgungssystemen ist es oft erwünscht, den Oberwellengehalt, der in Leitungsströmen gefunden wird, zu eliminieren. VSIs können als aktive Leistungsfilter verwendet werden, um diese Kompensation bereitzustellen. Basierend auf gemessenen Leitungsströmen und -spannungen bestimmt ein Steuerungssystem Referenzstromsignale für jede Phase. Dies wird durch eine äußere Schleife rückgekoppelt und von tatsächlichen Stromsignalen subtrahiert, um Stromsignale für eine innere Schleife zum Wechselrichter zu erzeugen. Diese Signale bewirken dann, dass der Wechselrichter Ausgangsströme erzeugt, die den Oberwellengehalt kompensieren. Diese Konfiguration erfordert keinen wirklichen Stromverbrauch, da sie vollständig von der Leitung gespeist wird; Der Zwischenkreis ist einfach ein Kondensator, der von der Steuerung auf konstanter Spannung gehalten wird. In dieser Konfiguration sind die Ausgangsströme mit den Netzspannungen in Phase, um einen Leistungsfaktor von eins zu erzeugen. Umgekehrt ist eine VAR-Kompensation in einer ähnlichen Konfiguration möglich, bei der die Ausgangsströme den Leitungsspannungen vorauseilen, um den Gesamtleistungsfaktor zu verbessern.
In Einrichtungen, die ständig Energie benötigen, wie Krankenhäuser und Flughäfen, kommen USV-Systeme zum Einsatz. In einem Standby-System wird ein Wechselrichter zugeschaltet, wenn das normalerweise versorgende Netz unterbrochen wird. Der Strom wird augenblicklich aus den Batterien vor Ort bezogen und vom VSI in nutzbare Wechselspannung umgewandelt, bis die Netzversorgung wiederhergestellt ist oder Backup-Generatoren ans Netz gehen. In einem Online-USV-System wird ein Gleichrichter-Zwischenkreis-Wechselrichter verwendet, um die Last vor Transienten und Oberwellenanteilen zu schützen. Eine parallel zum Zwischenkreis geschaltete Batterie wird im Falle einer Netzunterbrechung vom Ausgang voll geladen gehalten, während der Ausgang des Wechselrichters über einen Tiefpassfilter zur Last geführt wird. Es wird eine hohe Netzqualität und Unabhängigkeit von Störungen erreicht.
Zur Drehzahl-, Drehmoment- und Positionssteuerung von AC-Motoren wurden verschiedene AC-Motorantriebe entwickelt. Diese Antriebe lassen sich in Low-Performance oder High-Performance kategorisieren, je nachdem ob sie skalar- bzw. vektorgesteuert sind. Bei skalargesteuerten Antrieben sind nur der Grundschwingungsstrom oder die Spannungsfrequenz und -amplitude steuerbare Größen. Daher werden diese Antriebe in Anwendungen eingesetzt, bei denen keine hohe Qualitätskontrolle erforderlich ist, wie z. B. Lüfter und Kompressoren. Andererseits ermöglichen vektorgeregelte Antriebe die stufenlose Regelung von momentanen Strom- und Spannungswerten. Diese hohe Leistung ist für Anwendungen wie Aufzüge und Elektroautos erforderlich.
Wechselrichter sind auch für viele erneuerbare Energieanwendungen von entscheidender Bedeutung. Bei Photovoltaik-Zwecken wird der Wechselrichter, bei dem es sich normalerweise um einen PWM-VSI handelt, durch die elektrische Gleichstromleistung eines Photovoltaikmoduls oder -arrays gespeist. Der Wechselrichter wandelt diese dann in eine Wechselspannung um, die entweder mit einer Last oder dem öffentlichen Stromnetz verbunden wird. Wechselrichter können auch in anderen erneuerbaren Systemen wie Windkraftanlagen eingesetzt werden. Bei diesen Anwendungen variiert die Turbinendrehzahl normalerweise, was zu Änderungen der Spannungsfrequenz und manchmal der Größe führt. In diesem Fall kann die erzeugte Spannung gleichgerichtet und dann invertiert werden, um Frequenz und Größe zu stabilisieren.
Intelligentes Stromnetz
Ein Smart Grid ist ein modernisiertes Stromnetz , das mithilfe von Informations- und Kommunikationstechnologie Informationen wie Informationen über das Verhalten von Lieferanten und Verbrauchern automatisiert sammelt und darauf reagiert, um die Effizienz, Zuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit der Produktion zu verbessern und Stromverteilung.
Elektrischer Strom, der von Windturbinen und Wasserkraftturbinen unter Verwendung von Induktionsgeneratoren erzeugt wird, kann Schwankungen in der Frequenz verursachen, mit der Strom erzeugt wird. In diesen Systemen werden leistungselektronische Geräte eingesetzt, um die erzeugten Wechselspannungen in Hochspannungs-Gleichstrom ( HGÜ ) umzuwandeln . Der HGÜ-Strom kann leichter in dreiphasigen Strom umgewandelt werden, der mit dem Strom des bestehenden Stromnetzes kohärent ist. Durch diese Geräte ist die von diesen Systemen gelieferte Leistung sauberer und hat einen höheren zugehörigen Leistungsfaktor. Das optimale Drehmoment von Windkraftanlagen wird entweder durch ein Getriebe oder durch Direktantriebstechnologien erreicht, die die Größe der leistungselektronischen Vorrichtung reduzieren können.
Elektrische Energie kann durch photovoltaische Zellen unter Verwendung von leistungselektronischen Geräten erzeugt werden. Der produzierte Strom wird dann meist durch Solarwechselrichter umgewandelt . Wechselrichter werden in drei verschiedene Typen unterteilt: zentral, modulintegriert und String. Zentrale Umrichter können auf der DC-Seite des Systems entweder parallel oder in Reihe geschaltet werden. Für Photovoltaik-„Farmen“ wird ein einziger zentraler Umrichter für das gesamte System verwendet. Modulintegrierte Umrichter werden entweder auf der DC- oder AC-Seite in Reihe geschaltet. Normalerweise werden mehrere Module innerhalb einer Photovoltaikanlage verwendet, da das System diese Wandler sowohl an DC- als auch an AC-Klemmen benötigt. Ein String-Konverter wird in einem System verwendet, das Photovoltaikzellen verwendet, die in unterschiedliche Richtungen weisen. Es wird verwendet, um den erzeugten Strom in jeden String oder jede Linie umzuwandeln, in der die Photovoltaikzellen interagieren.
Leistungselektronik kann verwendet werden, um Versorgungsunternehmen dabei zu unterstützen, sich an die schnelle Zunahme der dezentralen privaten/gewerblichen Solarstromerzeugung anzupassen . In Deutschland und Teilen von Hawaii, Kalifornien und New Jersey müssen vor der Zulassung neuer Solaranlagen kostspielige Studien durchgeführt werden. Relativ kleine boden- oder mastmontierte Geräte schaffen das Potenzial für eine verteilte Steuerungsinfrastruktur, um den Stromfluss zu überwachen und zu verwalten. Herkömmliche elektromechanische Systeme wie Kondensatorbatterien oder Spannungsregler in Umspannwerken können Minuten brauchen, um die Spannung anzupassen, und können von den Solaranlagen entfernt sein, in denen die Probleme entstehen. Wenn die Spannung in einem Nachbarstromkreis zu hoch wird, kann dies die Besatzung des Versorgungsunternehmens gefährden und Schäden an Versorgungs- und Kundengeräten verursachen. Darüber hinaus führt ein Netzfehler dazu, dass Photovoltaikgeneratoren sofort abgeschaltet werden, was die Nachfrage nach Netzstrom erhöht. Smart Grid-basierte Regler sind besser kontrollierbar als weit mehr Verbrauchergeräte.
In einem anderen Ansatz forderte eine Gruppe von 16 westlichen Energieversorgern, die sogenannten Western Electric Industry Leaders, die obligatorische Verwendung von „intelligenten Wechselrichtern“. Diese Geräte wandeln Gleichstrom in Haushalts-Wechselstrom um und können auch bei der Stromqualität helfen. Solche Geräte könnten teure Nachrüstungen von Versorgungseinrichtungen zu viel niedrigeren Gesamtkosten überflüssig machen.
Siehe auch
Anmerkungen
Verweise
- Issa Batarseh, "Power Electronic Circuits" von John Wiley, 2003.
- SK Mazumder, "High-Frequency Inverters: From Photovoltaic, Wind, and Fuel-Cell based Renewable- and Alternative-Energy-DER/DG Systems to Battery based Energy-Storage Applications", Buchkapitel im Handbuch Leistungselektronik, Herausgeber MH Rashid, Academic Presse, Burlington, Massachusetts, 2010.
- V. Gureich "Electronic Devices on Discrete Components for Industrial and Power Engineering", CRC Press, New York, 2008, 418 p.
- Herausgeber: Semikron, Autoren: Dr. Ulrich Nicolai, Dr. Tobias Reimann, Prof. Jürgen Petzoldt, Josef Lutz: Anwendungshandbuch IGBT- und MOSFET-Leistungsmodule , 1. Auflage, ISLE Verlag, 1998, ISBN 3-932633-24- 5 Online-Version
- RW Erickson, D. Maksimovic, Grundlagen der Leistungselektronik, 2. Aufl. , Springer, 2001, ISBN 0-7923-7270-0 [1]
- Arendt Wintrich; Ulrich Nicolai; Werner Türsky; Tobias Reimann (2010), Applikationshandbuch 2010 (PDF-Version ) (2. Aufl.), ISLE Verlag, ISBN 978-3-938843-56-7
- Arendt Wintrich; Ulrich Nicolai; Werner Türsky; Tobias Reimann (2011), Anwendungshandbuch 2011 (PDF ) (2. Aufl.), ISLE Verlag, ISBN 978-3-938843-66-6, archiviert vom Original (PDF-Version) am 03.09.2013