Hochleistungsstromrichter für die Elektrische Energieversorgung - Exam

Aufgabe 1)

Eine wichtige Grundlage für Hochleistungsstromrichter ist das tiefe Verständnis der Halbleitertechnik, insbesondere in Bezug auf Halbleitermaterialien, Doping, p-n-Übergänge und Halbleiterbauelemente. Diese Grundlagen sind entscheidend für die Leistungsfähigkeit und das thermische Management von Stromrichtern. Berücksichtige bei Deinen Antworten die Materialien Silizium (Si) und Galliumarsenid (GaAs).

a)

Erkläre den Prozess des Doping in Halbleitern und wie dieser zur Bildung von p- und n-Typ Materialien führt. Vergleiche die spezifischen Vorteile von Silizium (Si) und Galliumarsenid (GaAs) als Halbleitermaterialien in Hochleistungsstromrichtern.

Lösung:

Erklärung des Doping-Prozesses in Halbleitern und Bildung von p- und n-Typ Materialien:Halbleiter, wie Silizium (Si) und Galliumarsenid (GaAs), können durch den Prozess des Doping in ihre elektrischen Eigenschaften modifiziert werden. Doping bezeichnet das absichtliche Einbringen von Verunreinigungen in einen reinen Halbleiter, um dessen Leitfähigkeit zu erhöhen. Abhängig von der Art der verwendeten Verunreinigungen entstehen dabei entweder p-Typ oder n-Typ Materialien:

• n-Typ Halbleiter: Bei der Herstellung eines n-Typ Halbleiters wird ein Element aus der Gruppe V des Periodensystems (z.B. Phosphor oder Arsen) in den Halbleiter eingebracht. Diese Elemente haben ein Elektron mehr als Silizium in ihrer äußeren Schale. Dadurch entsteht ein Überschuss an freien Elektronen im Halbleiter, die als Majoritätsträger fungieren. Die zusätzliche negative Ladung gibt dem Material seinen Namen.
• p-Typ Halbleiter: Um einen p-Typ Halbleiter zu erzeugen, wird ein Element aus der Gruppe III des Periodensystems (z.B. Bor oder Aluminium) eingebracht. Diese Elemente haben ein Elektron weniger als Silizium, wodurch ein Defizit an Elektronen, auch Löcher genannt, entsteht. Diese Löcher wirken als Majoritätsträger und tragen positive Ladung. Daher der Name p-Typ.

Vergleich der spezifischen Vorteile von Silizium (Si) und Galliumarsenid (GaAs) als Halbleitermaterialien:Beide Materialien haben besondere Eigenschaften, die sie für den Einsatz in Hochleistungsstromrichtern vorteilhaft machen.

• Silizium (Si):
  • Kosten: Silizium ist reichlich verfügbar und einfacher zu verarbeiten, was es kostengünstiger macht.
  • Thermische Stabilität: Silizium verfügt über eine hohe thermische Stabilität, was besonders bei Hochleistungskomponenten wichtig ist.
  • Oxidschicht: Silizium bildet eine stabile und schützende Oxidschicht (SiO₂), die für die Herstellung von MOSFETs und anderen Bauelementen nützlich ist.
• Galliumarsenid (GaAs):
  • Elektronenmobilität: GaAs weist eine höhere Elektronenmobilität auf, was zu schnelleren Schaltgeschwindigkeiten führt und die Effizienz von Hochfrequenzanwendungen erhöht.
  • Direkte Bandlücke: GaAs hat eine direkte Bandlücke, die es effizienter im Umgang mit Lichtsignalen und bei optoelektronischen Anwendungen macht.
  • Strahlenbeständigkeit: GaAs zeigt eine höhere Strahlenbeständigkeit, was es für den Einsatz in Raumfahrttechniken und anderen extremen Umgebungen geeignet macht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl Silizium als auch Galliumarsenid einzigartige Vorteile für Hochleistungsstromrichter bieten, und die Wahl des Materials hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab.

b)

Berechne anhand eines fiktiven Beispiels die Schaltverluste eines Silizium (Si)-basierten Feldeffekttransistors (FET) unter Berücksichtigung der Schaltgeschwindigkeit und der Durchbruchspannung. Gegeben sind:

• Schaltgeschwindigkeit (\tau): 20 ns
• Durchbruchspannung (V_{BR}): 600 V
• Schaltfrequenz (f): 50 kHz
• Strom (I): 10 A

Nutze die Formel für die Schaltverluste \[ P_{sw} = \frac{1}{2} V_{BR} \times I \times f \times \tau \]und bestimme die durch die Schaltverluste verursachte Leistung P_{sw}.

Lösung:

Berechnung der Schaltverluste eines Silizium (Si)-basierten Feldeffekttransistors (FET) unter Berücksichtigung der Schaltgeschwindigkeit und der DurchbruchspannungUm die Schaltverluste ( P_{sw} ) zu berechnen, nutzen wir die gegebene Formel:\[ P_{sw} = \frac{1}{2} V_{BR} \times I \times f \times \tau \]Gegeben sind:

• Schaltgeschwindigkeit ( \tau ): 20 ns = 20 \times 10^{-9} s
• Durchbruchspannung ( V_{BR} ): 600 V
• Schaltfrequenz ( f ): 50 kHz = 50 \times 10^{3} Hz
• Strom ( I ): 10 A

Setzen wir die gegebenen Werte in die Formel ein:\[ P_{sw} = \frac{1}{2} \times 600 \text{ V} \times 10 \text{ A} \times 50 \times 10^{3} \text{ Hz} \times 20 \times 10^{-9} \text{ s} \]Nun berechnen wir Schritt für Schritt:

• Berechne \ 600 \text{ V} \times 10 \text{ A} = 6000 \text{ W}\
• Berechne \ 50 \times 10^{3} \text{ Hz} = 50000 \text{ Hz} \
• Berechne \ 20 \times 10^{-9} \text{ s} = 0,00000002 \text{ s}\

Setzen wir alle diese berechneten Werte zusammen ein:\[ P_{sw} = \frac{1}{2} \times 6000 \text{ W} \times 50000 \text{ Hz} \times 0,00000002 \text{ s}\]Nun führen wir die Endberechnung durch:\[ P_{sw} = \frac{1}{2} \times 6000 \times 50000 \times 0,00000002\]\[ P_{sw} = \frac{1}{2} \times 6 \times 50\]\[ P_{sw} = \frac{1}{2} \times 300 = 150 \text{ W}\]Daher beträgt die durch die Schaltverluste verursachte Leistung P_{sw} 150 W.

Aufgabe 2)

Bauformen und Typen von Leistungsschaltern Leistungsschalter sind essentielle Komponenten in elektrischen Stromkreisen, die entwickelt wurden, um den Stromfluss bei Überlast oder Kurzschluss zu unterbrechen und so die Anlagen- und Personensicherheit zu gewährleisten. Verschiedene Typen und Bauformen wurden im Laufe der Zeit entwickelt, um spezifische Anforderungen und Einsatzbedingungen zu erfüllen.

• Mechanische Leistungsschalter trennen den Strom physisch durch bewegliche Kontakte. Sie sind weit verbreitet und meist kostengünstig, aber sie können verschleißen und Funkenbildung verursachen.
• Vakuumschalter nutzen ein Vakuum als Löschmedium. Sie bieten schnelles Schalten und sind wartungsarm, können aber bei sehr hohen Strömen weniger effektiv sein.
• SF6-Schalter verwenden Schwefelhexafluoridgas zur Lichtbogenlöschung. Sie zeichnen sich durch hohe Schaltzuverlässigkeit und Wirksamkeit in Hochspannungsanwendungen aus, haben jedoch Umweltbedenken aufgrund der Treibhauswirkung von SF6.
• Ölschalter nutzen Öl zur Lichtbogenlöschung und Isolierung. Sie sind robust und können hohe Ströme schalten, aber sie benötigen regelmäßige Wartung und das Öl birgt Brandrisiken.
• Hybridschalter kombinieren verschiedene Technologien, um die Schalteigenschaften zu optimieren. Sie bieten umfassende Vorteile, jedoch können sie komplexer und teurer sein.
• Zu den wichtigsten Parametern, die bei der Wahl eines Leistungsschalters berücksichtigt werden müssen, gehören Schaltvermögen, Betriebsstrom, sowie Betriebs- und Umgebungsbedingungen. Normen wie die IEC 60947 für Niederspannung und IEC 62271 für Hochspannung stellen sicher, dass diese Geräte sicher und zuverlässig funktionieren.

a)

Beschreibe detailliert die Funktionsweise eines mechanischen Leistungsschalters und erläutere, welche Vor- und Nachteile diese Art von Leistungsschalter im Vergleich zu Vakuumschaltern und SF6-Schaltern hat.

Lösung:

Funktionsweise eines mechanischen Leistungsschalters Ein mechanischer Leistungsschalter unterbricht den Stromfluss physisch durch das Trennen von beweglichen Kontakten. Wenn der Schalter ausgelöst wird, bewegen sich die Kontakte auseinander und erzeugen dadurch einen Lichtbogen. Dieser Lichtbogen wird dann durch verschiedene Methoden gelöscht, um einen sicheren Abstand zwischen den Kontakten zu schaffen und somit den Stromfluss zu unterbrechen.

• Vor- und Nachteile mechanischer Leistungsschalter im Vergleich zu Vakuumschaltern
• Vorteile:
  • Kostengünstig
  • Weit verbreitet und gut erprobt
  • Verschiedene Typen und Bauweisen verfügbar
• Nachteile:
  • Können Verschleiß und Funkenbildung verursachen
  • Regelmäßige Wartung erforderlich
  • Relativ langsame Schaltgeschwindigkeit
• Vor- und Nachteile mechanischer Leistungsschalter im Vergleich zu SF6-Schaltern
• Vorteile:
  • Kostengünstiger im Vergleich zu SF6-Schaltern
  • Keine Umweltbelastungen durch Treibhausgase
• Nachteile:
  • Weniger effektiv bei Hochspannungsanwendungen
  • Höherer Verschleiß der Kontakte

b)

Angenommen, Du musst einen Leistungsschalter für eine Hochspannungsanlage auswählen. Lege unter Berücksichtigung der Norm IEC 62271 dar, welche weiteren technischen Parameter bei dieser Entscheidung wichtig sind und warum.

Lösung:

Auswahl eines Leistungsschalters für eine Hochspannungsanlage unter Berücksichtigung der Norm IEC 62271 Bei der Auswahl eines Leistungsschalters für eine Hochspannungsanlage sind verschiedene technische Parameter von großer Bedeutung. Diese Parameter gewährleisten den sicheren und zuverlässigen Betrieb der Anlage. Hier sind einige wichtige Aspekte, die Du berücksichtigen solltest:

• Bemessungsspannung (Rated Voltage) Die Bemessungsspannung gibt die maximale Spannung an, die der Leistungsschalter dauerhaft handhaben kann. Sie muss größer oder gleich der Betriebsspannung der Hochspannungsanlage sein, um eine sichere Isolierung und den Schutz der Anlage zu gewährleisten.
• Bemessungsstrom (Rated Current) Der Bemessungsstrom ist der maximale Strom, den der Leistungsschalter bei normalem Betrieb führen kann, ohne dass eine Überhitzung oder Beschädigung auftritt. Dieser Parameter stellt sicher, dass der Schalter den täglichen Strömen in der Anlage standhält.
• Schaltvermögen (Breaking Capacity) Das Schaltvermögen gibt an, wie viel Kurzschlussstrom der Leistungsschalter unterbrechen kann. Es ist wichtig, dieses Schaltvermögen stets über dem höchsten möglichen Kurzschlussstrom in der Anlage zu wählen, um im Fehlerfall die Sicherheit zu gewährleisten.
• Schaltfolge (Switching Sequence) Die Schaltfolge spezifiziert die Anzahl der Schaltungen (Ein-Aus-Zyklen), die der Leistungsschalter in kurzer Zeit ausführen kann, ohne zu versagen. Dies ist insbesondere bei häufigen Schaltvorgängen oder bei Anwendungen mit hoher Betriebsfrequenz wichtig.
• Isolationsfähigkeit (Dielectric Withstand Voltage) Die Isolationsfähigkeit bezieht sich auf die Spannungsfestigkeit des Schalters unter unterschiedlichen Umweltbedingungen. Ein Leistungsschalter muss auch bei Feuchtigkeit, Verschmutzung und extremen Temperaturen sicher isolieren können.
• Mechanische Lebensdauer (Mechanical Endurance) Diese Kennzahl gibt an, wie viele mechanische Schaltzyklen der Leistungsschalter durchführen kann, bevor er verschleißt. Eine hohe mechanische Lebensdauer ist besonders wichtig für Anlagen, die häufig schalten.
• Schaltzeit (Operating Time) Die Schaltzeit ist die Zeit, die der Leistungsschalter benötigt, um von der Ein- in die Aus-Position zu gelangen. In Hochspannungsanlagen ist eine kurze Schaltzeit oft erforderlich, um Fehler schnell zu isolieren und Schäden zu minimieren.
• Umgebungsbedingungen (Ambient Conditions) Neben den elektrischen Parametern sind auch die Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen, in denen der Leistungsschalter betrieben wird. Dies umfasst Temperatur, Feuchtigkeit, Höhenlage und mögliche Umweltverschmutzungen.

Weitere Anforderungen nach IEC 62271: Die Norm IEC 62271 legt spezifische Anforderungen und Prüfverfahren für Leistungsschalter in Hochspannungsanlagen fest. Diese Anforderungen umfassen unter anderem:

• Dielektrische Prüfungen zur Verifizierung der Isolationsfähigkeit
• Schaltleistungsprüfungen zur Bestimmung des Schaltvermögens
• Thermische Prüfungen zur Überprüfung der Erwärmung unter Betriebsstrom
• Mechanische Prüfungen zur Sicherstellung der mechanischen Lebensdauer
• Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse durch Klimaprüfungen

Die Berücksichtigung all dieser Parameter und Anforderungen gewährleistet die Auswahl eines geeigneten Leistungsschalters für den sicheren und zuverlässigen Betrieb einer Hochspannungsanlage gemäß den Richtlinien der IEC 62271.

c)

Betrachte die Umweltauswirkungen von SF6-Schaltern und diskutiere alternative Methoden oder Technologien zur Lichtbogenlöschung, welche umweltfreundlicher sind, aber ähnliche technische Eigenschaften bieten könnten. Verwende dazu ein praktisches Beispiel.

Lösung:

Umweltauswirkungen von SF6-Schaltern und umweltfreundlichere Alternativen SF6-Schalter verwenden Schwefelhexafluoridgas zur Lichtbogenlöschung und zeichnen sich durch hohe Schaltzuverlässigkeit und Wirksamkeit aus, insbesondere in Hochspannungsanwendungen. Allerdings ist SF6 ein extrem starkes Treibhausgas, das signifikante Umweltauswirkungen hat. SF6 hat ein Treibhauspotenzial (GWP) von 23.500, was bedeutet, dass es 23.500-mal wirksamer ist als CO2 in Bezug auf die Erwärmung der Erdatmosphäre. Daher ist es wichtig, alternative Methoden oder Technologien zu betrachten, die umweltfreundlicher sind, aber ähnliche technische Eigenschaften bieten.

• Alternative Methoden und Technologien:
• Luftisolierte Schalter (AIS): Diese verwenden gewöhnliche Luft zur Isolierung und Löschung des Lichtbogens. Sie haben den Vorteil, dass sie keine schädlichen Gase emittieren, benötigen jedoch größere Raumvolumina für die Isolation, was die Installation komplexer und teurer machen kann.
• Vakuumschalter: Diese verwenden ein Vakuum als Löschmedium. Vakuumschalter sind wartungsarm und bieten eine schnelle Schaltzeit. Sie sind umweltfreundlicher als SF6-Schalter, da kein gasförmiges Medium verwendet wird. Allerdings sind sie bei sehr hohen Strömen weniger effektiv.
• CO2-basierte Schalter: Eine aufkommende Alternative zu SF6-Systemen ist die Verwendung von CO2 als Löschmedium. CO2 hat ein viel geringeres Treibhauspotenzial als SF6 und kann in Kombination mit neuen Konstruktionsmerkmalen eine ähnliche Leistung erbringen.
• Praktisches Beispiel:
Betrachten wir ein Unternehmen, das eine Hochspannungsanlage betreibt und einen neuen Leistungsschalter installieren muss. Anstatt einen SF6-Schalter zu wählen, könnte das Unternehmen einen Vakuumschalter in Erwägung ziehen. Diese Vakuumschalter sind in der Lage, Hochspannungsströme sicher zu unterbrechen, ohne die Umweltauswirkungen von SF6 zu verursachen. Die Anlage könnte beispielsweise einen Vakuumschalter installieren, der für Spannungsebenen bis zu 36 kV ausgelegt ist. Dieser Schalter bietet eine hohe Schaltgeschwindigkeit und ist nahezu wartungsfrei. Ein Beispiel für einen solchen Vakuumschalter könnte der „Siemens 3AH37“ sein, der für Mittelspannungsanwendungen ausgelegt ist und eine gute Alternative zu SF6-Schaltern darstellt. Zwar kann seine Effektivität bei extrem hohen Strömen begrenzt sein, aber für viele Installationen im Bereich der Mittel- und Hochspannung bietet er eine umweltfreundlichere Lösung.
• Fazit: Während SF6-Schalter aufgrund ihrer technischen Vorteile weit verbreitet sind, haben sie erhebliche Umweltauswirkungen. Alternativen wie Luftisolierte Schalter, Vakuumschalter und CO2-basierte Schalter können umweltfreundlichere Optionen bieten und dabei ähnliche technische Eigenschaften gewährleisten. Die Wahl der richtigen Alternative hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab, aber durch die Berücksichtigung umweltfreundlicherer Optionen können Unternehmen ihren Beitrag zum Umweltschutz leisten.

Aufgabe 3)

Du arbeitest als Ingenieur in einem Unternehmen, das sich auf die Entwicklung von Hochleistungs-Mehrstufen-Wandlern für die elektrische Energieversorgung spezialisiert hat. Deine aktuelle Aufgabe ist es, die Eigenschaften und Vorteile von Mehrstufen-Wandlerstrukturen zu analysieren und deren mathematische Modelle zu verstehen. Es handelt sich dabei insbesondere um die Konfiguration und Funktion von Modularen Multilevel Convertern (MMC).

a)

Beschreibe zwei Hauptvorteile von Mehrstufen-Wandlerstrukturen hinsichtlich der Spannungsqualität und der Effizienz. Verwende dabei konkrete Beispiele und erläutere, wie diese Vorteile in Hochleistungsanwendungen genutzt werden können.

Lösung:

Mehrstufen-Wandlerstrukturen, insbesondere Modularen Multilevel Convertern (MMC), bieten erhebliche Vorteile hinsichtlich der Spannungsqualität und der Effizienz. Hier sind zwei Hauptvorteile detailliert erklärt:

• Verbesserte Spannungsqualität: Mehrstufen-Wandlerstrukturen können durch ihre Fähigkeit, eine nahezu sinusförmige Ausgangsspannung zu erzeugen, die Spannungsqualität erheblich verbessern. Dies wird durch die Erzeugung mehrerer Spannungsstufen erreicht, die dazu beitragen, die harmonischen Verzerrungen zu minimieren. Ein konkretes Beispiel dafür ist der Einsatz von MMCs in Hochspannungs-Gleichstromübertragungen (HVDC). Hier kann die verbesserte Spannungsqualität dazu beitragen, die Übertragungseffizienz zu erhöhen und gleichzeitig die Belastung auf die Transformatoren und Leitungen zu reduzieren. In Hochleistungsanwendungen führt dies zu einer geringeren Erwärmung der elektrischen Komponenten und einer längeren Lebensdauer sowie geringeren Wartungskosten.
• Höhere Effizienz: Ein weiterer wesentlicher Vorteil von Mehrstufen-Wandlerstrukturen ist ihre höhere Effizienz. Durch die Verteilung der Spannungswandlung auf mehrere Stufen wird der Schaltverlust erheblich reduziert. Dies bedeutet, dass weniger Energie in Form von Wärme verloren geht, was in einer höheren Gesamtwirkungsgrad resultiert. Ein Beispiel dafür ist der Einsatz von Mehrstufen-Wandlern in industriellen Antrieben. Hier kann die höhere Effizienz dazu beitragen, den Energieverbrauch zu senken, was wiederum die Betriebskosten reduziert und die Umweltbelastung verringert. Zudem kann die reduzierte Wärmeentwicklung dazu führen, dass kleinere und kostengünstigere Kühlsysteme eingesetzt werden können, was die Gesamtsystemkosten weiter senkt.

Insgesamt bieten Mehrstufen-Wandlerstrukturen sowohl bei der Spannungsqualität als auch bei der Effizienz deutliche Vorteile, die in Hochleistungsanwendungen umfassend genutzt werden können.

b)

Ein Modularer Multilevel-Konverter (MMC) wird häufig aus mehreren H-Brücken aufgebaut. Erkläre das grundlegende Funktionsprinzip einer H-Brücke und wie sie in einem MMC integriert wird.

Lösung:

Das grundlegende Funktionsprinzip einer H-Brücke besteht darin, eine Wechselrichtung der Spannung und damit des Stromes zu ermöglichen. Eine H-Brücke besteht typischerweise aus vier Schaltern (Transistoren oder IGBTs), die in einer Konfiguration angeordnet sind, die einem 'H' ähnelt. Die grundlegende Funktion einer H-Brücke kann wie folgt beschrieben werden:

• H-Brücke Funktionsprinzip:
  • Die vier Schalter in einer H-Brücke werden so gesteuert, dass zwei Schalter diagonal gegenüberliegend eingeschaltet sind, während die anderen beiden ausgeschaltet sind.
  • Im ersten Schaltzustand werden der obere linke Schalter (S1) und der untere rechte Schalter (S4) eingeschaltet. Dadurch fließt der Strom vom positiven Eingang zum negativen Eingang über die Last in eine Richtung.
  • Im zweiten Schaltzustand werden der obere rechte Schalter (S2) und der untere linke Schalter (S3) eingeschaltet. Dadurch fließt der Strom in die entgegengesetzte Richtung durch die Last.
  • Durch das Wechseln der Schaltzustände kann die Richtung des Stroms und somit die Polarität der Ausgangsspannung geändert werden.
• Integration der H-Brücke in einem MMC:
  • Ein Modularer Multilevel-Konverter (MMC) besteht aus mehreren Untermodulen, die typischerweise als H-Brücken konfiguriert sind.
  • Jedes Untermodul erzeugt eine Teilspannung und durch die serielle Verschaltung der Untermodule kann eine nahezu sinusförmige Ausgangsspannung erzeugt werden.
  • Durch die modulare Struktur können Spannungspegel der einzelnen Module variiert und präzise gesteuert werden, um die gewünschte Ausgangsspannung zu erzielen.
  • Die H-Brücken in den Untermodulen schalten selektiv, um die Spannungsstufen zu addieren oder zu subtrahieren und dadurch die gewünschte Gesamtausgangsspannung zu erzeugen.
  • In einem MMC können hunderte solcher H-Brücken integriert sein, was eine sehr feine Abstufung und somit eine hochqualitative Spannungsquelle ermöglicht.

Insgesamt ermöglichen H-Brücken in einem MMC eine flexible und effiziente Erzeugung und Steuerung von Spannungen, die in Hochleistungsanwendungen genutzt werden können.

c)

Für einen einfachen MMC mit vier Stufen sind die einzelnen Zellspannungen wie folgt gegeben:

• U1 = 100 V
• U2 = 150 V
• U3 = 100 V
• U4 = 150 V
Berechne die Gesamtausgangsspannung des MMC, wenn alle Zellen in Reihe geschaltet sind.

Lösung:

Um die Gesamtausgangsspannung eines Modularen Multilevel Converters (MMC) zu berechnen, wenn alle Zellen in Reihe geschaltet sind, müssen die Spannungen der einzelnen Zellen addiert werden. Die gegebenen Zellspannungen sind:

• U1 = 100 V
• U2 = 150 V
• U3 = 100 V
• U4 = 150 V

Die Gesamtspannung, U_gesamt, ergibt sich durch Summation der Spannungen:

\( U_{gesamt} = U1 + U2 + U3 + U4 \)

Setzen wir die gegebenen Werte ein:

\( U_{gesamt} = 100 \text{ V} + 150 \text{ V} + 100 \text{ V} + 150 \text{ V} \)

Berechnen wir die Summe:

\( U_{gesamt} = 500 \text{ V} \)

Die Gesamtausgangsspannung des MMC beträgt somit 500 V.

d)

Mathematische Modelle von MMCs umfassen oft sowohl Reihen- als auch Parallelschaltungen. Angenommen, ein System besteht aus zwei parallelen Zweigen (A und B) mit jeweils zwei in Reihe geschalteten Zellen:

• Zweig A: U1 = 200 V, U2 = 150 V
• Zweig B: U3 = 100 V, U4 = 250 V
Berechne die kombinierte Ausgangsspannung des gesamten Systems unter der Annahme, dass die parallelen Zweige elektrisch identisch behandelt werden können.

Lösung:

Um die kombinierte Ausgangsspannung des gesamten Systems zu berechnen, müssen wir zuerst die Ausgangsspannung der einzelnen Zweige berechnen und dann die Gesamtspannung bestimmen, wenn die Zweige parallel geschaltet sind. Die gegebenen Spannungen für die Zellen sind:

• Zweig A: U1 = 200 V, U2 = 150 V
• Zweig B: U3 = 100 V, U4 = 250 V

Schrittweise Vorgehensweise:

1. Berechnung der Spannungen in den jeweiligen ZweigenFür Zweig A ist die Spannung: \( U_A = U1 + U2 \)\( U_A = 200 \text{ V} + 150 \text{ V} = 350 \text{ V} \)
2. Für Zweig B ist die Spannung: \( U_B = U3 + U4 \)\( U_B = 100 \text{ V} + 250 \text{ V} = 350 \text{ V} \)

Da die Zweige parallel geschaltet sind und gleiche Spannungspegel haben (\( U_A = U_B = 350 \text{ V} \)), ist die kombinierte Ausgangsspannung des Systems gleich der Spannung eines der Zweige.

Die kombinierte Ausgangsspannung des gesamten Systems beträgt somit 350 V.

Aufgabe 4)

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

• Pulsweitenmodulation (PWM): Verändert die Pulsbreite zur Steuerung des Energieflusses.
• Vorteile: Effizienter Betrieb, reduzierte Verluste.
• Formel:
• Mehrphasen-PWM: Verwendet mehrere PWM-Signale für gleichmäßigere Leistung.
• Schlüsselparameter: Trägerfrequenz, Modulationsindex.

a)

Erkläre die Funktionsweise der Pulsweitenmodulation (PWM) und wie sie zur Steuerung des Energieflusses in einem Hocheistungsstromrichter verwendet wird. Diskutiere dabei die Vorteile dieser Technik im Vergleich zu herkömmlichen Methoden.

Lösung:

Erklärung der Funktionsweise der Pulsweitenmodulation (PWM) und ihre Anwendung in Hocheistungsstromrichtern

Pulsweitenmodulation (PWM) ist eine Technik zur Steuerung des Energieflusses durch Veränderung der Dauer, während der ein Signal eingeschaltet ist, innerhalb eines festen Zeitraums.

• Grundprinzip: Bei PWM wird die Pulsbreite (die Dauer, während der das Signal aktiv ist) verändert, während die Periodendauer konstant bleibt. Dies führt zu einer Variation des Mittelwertes der Ausgangsspannung.
• Ansteuerung: Ein Schalter (z. B. ein Transistor) wird schnell ein- und ausgeschaltet. Die Zeit, die der Schalter eingeschaltet bleibt (Duty Cycle), bestimmt die durchschnittliche Energiemenge, die an die Last weitergegeben wird.
• Regelung des Energieflusses: In einem Hocheistungsstromrichter kann durch Anpassung des Duty Cycles die Ausgangsspannung und damit der Energiefluss reguliert werden. Dies geschieht durch eine Steuerungselektronik, die kontinuierlich den Sollwert mit dem Istwert vergleicht und entsprechend den Duty Cycle anpasst.
• Schlüsselparameter: Zwei wichtige Parameter bei der PWM sind die Trägerfrequenz (Frequenz des Modulationssignals) und der Modulationsindex (Verhältnis zwischen Eingangsspannung und dem PWM-Signal).

Vorteile der PWM-Technik:

• Effizienz: Da die Schalter entweder vollständig ein- oder ausgeschaltet sind, sind die Verluste minimal. Dies führt zu hohen Wirkungsgraden, insbesondere im Vergleich zu linearen Regeltechniken, wo kontinuierlich Energie verbrannt wird.
• Verringerte Verluste: Durch die hohe Geschwindigkeit des Schalters sowie die Tatsache, dass die Schalterverluste hauptsächlich in den Ein- und Ausschaltphasen auftreten, sind die Gesamtsystemverluste gering.
• Flexibilität: Verschiedene Spannungs- und Strompegel können leicht gesteuert werden, was die PWM für viele Anwendungen geeignet macht, einschließlich Motorsteuerungen und Spannungswandlern.
• Störungsverringerung: Mit Mehrphasen-PWM können mehrere PWM-Signale verwendet werden, um ein gleichmäßigeres Leistungsprofil zu erzeugen und unerwünschte Schaltgeräusche sowie elektromagnetische Störungen (EMI) zu verringern.

Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden bietet die PWM-Technik daher eine wesentlich effizientere und flexiblere Möglichkeit zur Steuerung des Energieflusses in Hocheistungsstromrichtern.

b)

Ein Hocheistungsstromrichter verwendet eine PWM-Technik zur Regelung der Ausgangsspannung. Gegeben seien die Eingangsspannung und ein Tastverhältnis von . Berechne die resultierende Ausgangsspannung des Stromrichters. Diskutiere, wie die Trägerfrequenz und der Modulationsindex die Leistung des Stromrichters beeinflussen.

Lösung:

Berechnung der Ausgangsspannung und Diskussion der Einflussfaktoren

Ein Hocheistungsstromrichter verwendet die PWM-Technik zur Regelung der Ausgangsspannung. Gegeben sind:

• Die Eingangsspannung (\textit{V_in})
• Ein Tastverhältnis (\textit{D})

Die resultierende Ausgangsspannung (\textit{V_out}) eines Stromrichters kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

\[V_{out} = V_{in} \times D\]

Beispiel: Angenommen, die Eingangsspannung betrage 200 V und das Tastverhältnis sei 0,6 (60%). Die Ausgangsspannung (\textit{V_out}) berechnet sich dann wie folgt:

\[V_{out} = 200 \text{ V} \times 0,6 = 120 \text{ V}\]

Einfluss von Trägerfrequenz und Modulationsindex:

• Trägerfrequenz: Die Trägerfrequenz ist die Frequenz des PWM-Signals. Eine höhere Trägerfrequenz führt zu einer besseren Auflösung der Ausgangsspannung und kann die Filteranforderungen an den Ausgang reduzieren. Allerdings bedeutet eine höhere Frequenz auch höhere Schaltverluste und elektromagnetische Störungen (EMI). Die Wahl der optimalen Trägerfrequenz ist daher ein Kompromiss zwischen Effizienz und Leistungsqualität.
• Modulationsindex: Der Modulationsindex (\textit{m}) beschreibt das Verhältnis der Amplitude des Modulationssignals zur Trägeramplitude und beeinflusst die Qualität der Ausgangsspannung. Ein hoher Modulationsindex kann die Ausnutzung der DC-Spannung verbessern, kann jedoch auch das Risiko von Oberschwingungen erhöhen, die zu zusätzlichen Verlusten und Störungen führen können.

Zusammengefasst beeinflussen sowohl die Trägerfrequenz als auch der Modulationsindex die Effizienz und die Qualität der Energiesteuerung im Hocheistungsstromrichter. Eine sorgfältige Abstimmung dieser Parameter ist erforderlich, um eine optimale Leistung zu gewährleisten.