Leistungselektronik

Ausbildungsziel

Dieses Tutorial ist für Studierende gedacht, die später fertige Module der Leistungselektronik zu Anlagen zusammenbauen. Sie entwickeln keine neuen Module und optimieren nicht die Module. Sie sind in der Lage, geeignete Module für Anlagen auszuwählen. Sie verbinden Module und berücksichtigen dabei Wirkungsgrad, Kosten, Dimensionierung und EMV. Sie finden Fehler in Anlagen und erkennen bei einem Ausfall, an welcher Stelle der Fehler liegt. Insbesondere das Schaltverhalten der Bauelemente; Kommutierung und die Wirkung der parasitären Induktivitäten werden betrachtet, da dies beim Zusammenschalten von Modulen wichtig ist.

Die Bauelemente der Leistungselektronik werden nur oberflächlich behandelt. Das Verhalten der Bauelemente wird erklärt, es wird aber nicht aus der Physik abgeleitet. Es wird z. B. nicht erklärt, warum eine Spule ein Feld aufweist und durch welche Maßnahmen innerhalb der Spule das Feld reduziert werden kann. Es wird besprochen, wie Felder wirken und insbesondere wie magnetische Kopplung funktioniert, damit in der Anlage EMV-Maßnahmen ergriffen werden können.

Sie kennen Grundschaltungen der Leistungselektronik und wissen, an welcher Stelle in einer Anlage Sie welche Schaltung benötigen.

Sie können am Ende des Tutorials die Verlustleistung von Komponenten der Leistungselektronik berechnen. Dabei betrachten Sie nicht nur einzelne Komponenten, sondern deren Zusammenspiel als Gesamtsystem. Sie können Wirkungsgrade bestimmen. Sie haben ein Gespür für Kosten. Anhand dieser Parameter können Sie Lösungen beurteilen und optimieren. Sie kennen Grundschaltungen für Leistungssteller wie z. B. Wechselrichter und Hochsetzsteller.

Das Tutorial fokussiert auf eine kleine bis mittlere Leistungsklasse im Bereich unterhalb von 1MW. Sie arbeiten später in Unternehmen, die Energiewende für Haushalte wie z. B. Elektroautos oder PV-Anlagen entwickeln oder installieren.

Leistungselektronik und Energiewende

Leistungselektronik ist für die Energiewende eine Schlüsseltechnologie. Sie beschäftigt sich mit dem Verändern von Spannung und Strom bei hohem Wirkungsgrad. Das ist für alle Formen der Energieumwandlung und -Verteilung wichtig. Sie finden Leistungselektronik in nahezu allen Bereichen der Energiewende, wie z. B. Windkraftanlagen, PV-Anlagen, Elektromobilität, Netze etc.

Herausforderung

In diesem Tutorial betrachten wir Schaltungen mit einer Eingangsspannung und einer Ausgangsspannung. Dabei ist die Eingangsspannung oft vorgegeben, z. B. in Form des Netzes oder einer Hochvolt-Batterie im Elektroauto. Die Ausgangsspannung unterscheidet sich je nach Applikation und je nach Betriebspunkt. Wir brauchen Schaltungen, deren Ausgangsspannung sich von der Eingangsspannung unterscheidet. Die Ausgangsspannungen müssen während des Betriebs i. A. veränderlich sein.

Generell können sowohl Ausgangs- als auch Eingangsspannung Gleichspannungen oder Wechselspannungen sein. Die Höhe der Gleichspannung oder der Spitzenwert der Wechselspannung können zwischen Eingang und Ausgang unterschiedlich sein. Auch die Frequenz der Wechselsignale ist an Eingang und Ausgang nicht immer gleich. Wir betrachten insgesamt 4 Fälle für Leistungssteller:

In der Leistungselektronik ist ein entscheidendes Kriterium für eine gute Lösung der Wirkungsgrad. Er gibt an, wie viel der Eingangsleistung aus der Quelle an der Last verfügbar ist. In einer guten Leistungssteller geht nur etwa 1% der Eingangsleistung in Form von Wärme verloren. Wir sprechen dann von einer Verlustleistung im Leistungssteller von 1% oder von einem Wirkungsgrad von 99%. Dies wird folgendermaßen berechnet:

Wie man es nicht machen sollte

Was haben wir bisher an Lösungen zur Veränderung einer Spannung aus einer Quelle kennengelernt? Betrachten wir den einfachen Fall, dass eine Ausgangsspannung kleiner als die Eingangsspannung sein soll. In Grundlagen der Elektrotechnik haben wir solche Probleme mit Spannungsteilern gelöst. Die Leistungsbilanz von Widerständen zur Anpassung von Spannungen ist allerdings ernüchternd. Dies zeigt folgendes Rechenbeispiel:

Eine Last mit R = 250mΩ benötigt 5V für den Betrieb. Sie zieht dann einen Strom von 20A. Als Quelle steht eine ideale Spannungsquelle mit UEin = 10V zur Verfügung. Für den Betrieb der Last muss die Eingangsspannung halbiert werden. Wir nutzen die uns bekannten Schaltungen aus den Grundlagen der Elektrotechnik zur Reduktion einer Spannung: Den Spannungsteiler bzw. Vorwiderstand (der einen Spannungsteiler bildet).

Der Vorwiderstand R1 muss auf den gleichen Wert wie der Lastwiderstand R2 gesetzt werden, dann wird die Eingangsspannung an der Last halbiert. Es fließt in der Reihenschaltung der gleiche Strom durch beide Widerstände. Betrachten wir zur Bewertung der Lösung die Leistungsbilanz zwischen Quelle und Last:

Eine Lösung mit einem Wirkungsgrad von nur 50% ist völlig inakzeptabel, wenn richtig viel Leistung bewegt wird. Das können Sie in einer kleinen Arduino-Schaltung machen, nicht in der Leistungselektronik. Stellen Sie sich einmal vor, dass in einem Umspannwerk von 10kV auf 230V 50% der Eingangsleistung verloren ginge. Mit solch einem Umspannwerk wird eine kleine Siedlung mit Energie versorgt. Dann würde das halbe Kraftwerk nur für das Umspannwerk arbeiten und nur die Hälfte der Energie käme in den Haushalten an.

Es muss bessere Lösungen geben. Die gibt es auch, und um die geht es in diesem Tutorial. Die Leistungselektronik beschäftigt sich vorwiegend mit der Veränderung von Strom und Spannung zwischen Quelle und Last in Systemen mit hoher Leistung. Klassische Kriterien zur Beurteilung dieser Lösungen sind:

– Wirkungsgrad

– Kosten

– Systemkosten (z. B. Kühlung)

– Bauraum

– Leistungsfaktor / Blindleistung

– Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)

Wir werden Lösungen nach diesen Kriterien beurteilen und nach diesen Kriterien optimieren.

Eine gute Quelle für das Verständnis der Schaltungen der Leistungselektronik finden Sie auf den Seiten der ETH Zürich.

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