Hochleistungsstromrichter für die Elektrische Energieversorgung - Cheatsheet

Prinzipien der Halbleitertechnik

Definition:

Grundlagen der Halbleitertechnik, die für das Verständnis von Hochleistungsstromrichtern essentiell sind.

Details:

• Halbleitermaterialien: Silizium (Si), Galliumarsenid (GaAs)
• Doping zur Erzeugung von p- und n-Typ Materialien
• p-n-Übergang: Basis für Dioden, Transistoren
• Halbleiterbauelemente: Dioden, Bipolare Transistoren (BJT), Feldeffekttransistoren (FET)
• Leistungsfähigkeit durch Halbleiterparameter wie Durchbruchspannung, Schaltgeschwindigkeit
• Thermisches Management: Kühlung und Effizienz
• Verluste: Schaltverluste, Durchgangsverluste

Bauformen und Typen von Leistungsschaltern

Definition:

Verschiedene Bauformen und Typen zur Unterbrechung elektrischer Stromkreise bei Überlast oder Kurzschluss.

Details:

• Mechanische Leistungsschalter: Trennen Strom physisch durch bewegliche Kontakte.
• Vakuumschalter: Nutzen Vakuum als Löschmedium.
• SF6-Schalter: Verwenden Schwefelhexafluoridgas zur Lichtbogenlöschung.
• Ölschalter: Nutzen Öl zur Lichtbogenlöschung und Isolierung.
• Hybridschalter: Kombination aus verschiedenen Technologien zur Optimierung der Schalteigenschaften.
• Wichtigste Parameter: Schaltvermögen, Betriebsstrom, Betriebs- und Umgebungsbedingungen.
• Normen: IEC 60947 (Niederspannung), IEC 62271 (Hochspannung).

Mehrstufige Wandlerstrukturen

Definition:

Mehrstufige Wandlerstrukturen beschreiben die Konfiguration von Stromrichtern, bei denen mehrere Stufen zur Wandlung von elektrischer Energie verwendet werden.

Details:

• Erhöhte Spannungsqualität und geringere Oberwellen
• Verwendung in Hochleistungsanwendungen
• Verbesserte Effizienz und Zuverlässigkeit
• Beispiele: MMC (Modular Multilevel Converter)
• Mathematische Modelle umfassen Reihen- und Parallelschaltungen
• Typisch: Kombination aus mehreren H-Brücken

Modulationstechniken wie PWM

Definition:

Ansteuerungstechnik für Halbleiter im Hocheistungsstromrichter; wandelt analoge Signale in Pulsinformationen um; regelt Ausgangsspannung/-strom.

Details:

• Pulsweitenmodulation (PWM): Verändert die Pulsbreite zur Steuerung des Energieflusses.
• Vorteile: Effizienter Betrieb, reduzierte Verluste.
• \[ V_{out} = V_{in} \times \frac{t_{on}}{T} \]
• Mehrphasen-PWM: Verwendet mehrere PWM-Signale für gleichmäßigere Leistung.
• Schlüsselparameter: Trägerfrequenz, Modulationsindex.

Matrixwandler und deren Anwendungen

Definition:

Matrixwandler: direkte AC-AC Wandler ohne Zwischenkreis, konvertieren Eingangsfrequenz und -spannung zu gewünschter Ausgangsfrequenz und -spannung.

Details:

• Bestehen aus bidirektionalen Schaltern.
• Eliminieren Notwendigkeit von Gleichstromzwischenkreis.
• Hohe Leistungsdichte und Effizienz.
• Anwendungen: Motorsteuerungen, Windkraftanlagen, Stromnetzumwandlung.
• Mathematische Beschreibung der Umwandlungen durch Schaltzustandsmatrizen und Transformationen.
• Frequenzregelung durch Pulsweitenmodulation (PWM).
• Geringerer Oberschwingungsgehalt im Vergleich zu traditionellen Wechselrichtern.

Regelungsverfahren in Echtzeitsystemen

Definition:

Regelungsverfahren in Echtzeitsystemen zur Sicherstellung schneller und präziser Reaktionen auf Veränderungen in Hochleistungsstromrichtern.

Details:

• Wichtige Regelkreise: Spannung, Strom und Frequenz.
• Echtzeitfähige Algorithmen wie PID-Regler (Proportional-Integral-Derivative).
• Implementierung in FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) oder DSPs (Digital Signal Processors) für schnelle Verarbeitung.
• Störungsresistenz und Stabilität im Fokus.
• Mathematische Modellierung durch Zustandsraumdarstellung und Differenzialgleichungen.
• Spezielles Augenmerk auf Zeitsynchronisation und Prioritätensteuerung zur Vermeidung von Latenzen.

Antriebsysteme für elektrische Maschinen

Definition:

Antriebsysteme für elektrische Maschinen transformieren elektrische Energie in mechanische Bewegung.

Details:

• Besteht aus: Stromrichter, Motor, Steuerungen, und Sensoren
• Verwendete Motoren: Gleichstrommotoren, Asynchronmotoren, Synchronmotoren
• Stromrichter: Phasenanschnittsteuerung, Frequenzumrichter
• Regelung: Drehzahl- und Drehmomentsteuerung
• Typische Anwendungen: Industrieantriebe, Elektrofahrzeuge, Haushaltsgeräte

Einsatz in der erneuerbaren Energieversorgung

Definition:

Integration von Hochleistungsstromrichtern zur effizienten Nutzung erneuerbarer Energiequellen

Details:

• Hochleistungsstromrichter konvertieren elektrische Energie für Anwendungsbedarf
• Optimierung der Energieumwandlung von PV, Windturbinen, etc.
• Verbesserung der Netzstabilität und Lastmanagement
• Wirkungsgrad- und Verlustoptimierungen durch moderne Halbleitertechnologien
• Bedeutung der harmonischen Dämpfung und Leistungsfaktorkorrektur
• Einsatzmöglichkeiten: netzgebundene und netzunabhängige Anwendungen