Leistungselektronik

Schnellreferenz

Elektrotechnik, Elektronik, Liste elektronischer Bauteile, Frequenzumrichter, Antriebstechnik

Geschichte

1902 wurde der erste Gleichrichter erfunden. Dies war ein Gasentladungsgefäß mit flüssiger Quecksilberkathode. Diese Quecksilberdampfstromrichter konnten Ströme bis zu einigen Kilo Ampère gleichrichten. Ab 1930 waren diese Quecksilberstromrichter mit einer Gittersteuerung analog zur Röhrentechnik versehen und so ließ sich ein steuerbarer Gleichstrom erzeugen.

1958 wurde bei General Electrics der erste steuerbare Leistungshalbleiter entwickelt und später als Thyristor bezeichnet. Die folgende Entwicklung brachte eine Vielzahl von weiteren steuerbaren und passiven Leistungshalbleitern hervor, die heute in weiten Teilen der Antriebstechnik Verwendung finden.

Anwendungsgebiete

In der Antriebstechnik dient die Leistungselektronik zur Bereitstellung der elektrischen Energie für die Elektromotoren. Über die Steuerelektroniken lassen sich hier die benötigten Bedingungen sehr flexibel herstellen.
Auch in Bereichen der Energieerzeugung findet die Leistungselektronik immer größere Einsatzgebiete. Gerade in Anlagen mit geringerer Leistung oder Anlagen mit Bedingungen unter denen der klassische Synchrongenerator als Energieerzeuger nicht eingesetzt werden kann, werden Frequenzumrichter eingesetzt, um die erzeugte elektrische Energie ins Stromnetz einzuspeisen.
In der Energieübertragung wird die Leistungselektronik in sogenannten Kurzkupplungen zur Frequenzentkopplung zwischen Verbundnetzen eingesetzt. Die gleiche Technik kommt bei der HGÜ (Hochspannungsgleichstromübertragung auch Langkupplung genannt), zum Einsatz.

Bauelemente und Schaltungen

Bauelemente

Leistungsdiode
Thyristor
Abschaltthyristor (GTO)
Bipolarer Leistungstransistor
Power MOSFET
IGBT
IGBT-Module
Diac
Triac

Gleichrichterschaltungen

dienen dazu um (aus ein oder dreiphasigem) Wechselstrom Gleichstrom zu generieren. Je nach verwendeter Schaltung gibt es hier unterschiedliche Restwelligkeiten. Diese können durch Glättungsmaßnahmen zusätzlich vermindert werden.

Zweipulsige Brückenschaltung (B2)
Dreipulsige Mittelpunktschaltung (M3)
Sechspulsige Drehstrombrückenschaltung (B6)

Gesteuerte Stromrichter

Als Gesteuerte Stromrichter werden Steuerungen mit einschaltbaren Ventilen bezeichnet. Nach dem Verfahren der Anschnittsteuerung lässt sich die Ausgangspannung einer Brückenschaltung stufenlos verstellen.

Wirkleistung, Steuerblindleistung

Die Wirkleistung P ist die Leistung, die ein Stromrichter aus dem Netz bezieht und an die Gleichstromseite weitergibt:
P= Udialpha *Id = Udi*Id*cos(alpha)
Die Wirkleistung ist also eine mittlere Leistung, die sich aus der mittleren Spannung und dem Gleichstrom ergibt.

Ein größerer Steuerwinkel alpha ergibt auch eine größere Phasenverschiebung zwischen Netzstrom und Netzspannung. Die Phasenverschiebung ist identisch mit dem Zündverzögerungswinkel alpha. Das Netz wird also mit Blindleistung belastet. Diese heisst Q1: Steuerblindleistung oder Grundschwingungsblindleistung:
Q1= Udi*Id*sin(alpha)

Ein Thyristor belastet das Netz immer mit induktiver Blindleistung. Als Kompensation können netzseits entsprechende Kondensatoren eingesetzt werden.
Die Steuerblindleistung ist nur ein Teil der Blindleistung, da sie die Oberschwingungen des Netzstromes nicht berücksichtigt.

Weitere Leistungsdefinitionen

• S: (gesamte) Scheinleistung
• S1: Grundschwingungsscheinleistung
• P: (gesamte) Wirkleistung
• Q: (gesamte) Blindleistung
• Q1: Steuerblindleistung oder Grundschwingungsblindleistung
• Qv: Oberschwingungsblindleistung oder Verzerrungsblindleistung

Anwendungen

Frequenzumrichter
Untersynchrone Stromrichterkaskade (USK)
Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ)

Wechselstromsteller

Wechselstromstellerschaltungen werden verwendet, um Helligkeitssteuerungen von Lampen, Temperaturregelungen von Heizwiderständen oder Ansteuerungen von Magnetspulen zu realisieren. Da meist beide Stromrichtungen benötigt werden, werden hier meist Schaltungen mit zwei antiparallelen Thyristoren oder ein bidirektionaler Thyristor, ein sogenannter Triac eingesetzt.

Gleichtromsteller

auch DC-DC Wandler genannt

• Serienregler und Schaltregler
• Tiefsetzsteller (Step Down Converter, Buck Converter)
• Hochsetzsteller (Step Up Converter, Boost Converter)
• Invertierender Wandler (Up Down Converter)
• Schaltnetzteil mit Sperrwandler (Flyback Converter)
• Schaltnetzteil mit Durchflusswandler (Forward Converter)