Leistungselektronik

Leistungselektronik bezeichnet ein Teilgebiet der Elektrotechnik, in dem elektrische Energie in Form hoher elektrische Ströme und Spannungen mit elektronischen Bauelementen umgeformt, gesteuert oder geschaltet wird. Dagegen wird in der übrigen Elektronik (früher als Schwachstromtechnik bezeichnet) die elektrische Leistung nur zur Signal- und Datenverarbeitung benutzt. Audioverstärker oder auch Senderendstufen dienen ebenfalls der Signalübertragung, sie werden daher nicht zur Leistungselektronik gezählt, obwohl auch hier die elektrische Leistung erheblich sein kann.

Geschichte

Mit der Erfindung des ersten Gleichrichters 1902 nahm die Leistungselektronik ihren Anfang, bekam jedoch erst später diese Bezeichnung. Der Gleichrichter war ein Gasentladungsgefäß mit flüssiger Quecksilber-Kathode. Diese Quecksilberdampfgleichrichter konnten Wechselströme bis zu einigen Kiloampere gleichrichten und vertrugen Spannungen bis über 10 kV. Ab 1930 waren diese Quecksilberstromrichter mit einer Gittersteuerung analog zur Röhrentechnik versehen und so ließ sich ein steuerbarer Gleichstrom erzeugen (Ignitron, Thyratron). Wegen der hohen Durchlassspannungen von etwa 20 V und der aufwändigen Bauweise und die dadurch bedingten hohen Anschaffungs- und Betriebskosten wurden diese Stromrichter nicht in dem Umfang wie die heutige Leistungselektronik verwendet. Die ersten Halbleiter zur Stromrichtung waren Selen- und Kupferoxydul-Gleichrichter.

1957 wurde bei General Electric der erste steuerbare Leistungs-Halbleiter 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.

Arten und Anwendungsgebiete

Die Leistungselektronik ermöglicht vor allem die Umformung elektrischer Energie in Bezug auf die Spannungsform, die Höhe von Spannung und Strom sowie der Frequenz. Die Anordnungen zu dieser Umformung werden Stromrichter genannt. Sie werden je nach ihrer Funktion in Gleich-, Wechsel- und Umrichter unterschieden.

Weiterhin gibt es leistungselektronische Bauelemente und Baugruppen, die lediglich dem Zu- und Abschalten elektrischer Verbraucher dienen. Diese umfassen neben der Schaltfunktion häufig weitere Schutz- und Überwachungsfunktionen. Sie unterscheiden sich von Relais und Schützen dadurch, dass sie ohne bewegte Teile arbeiten.

• Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung durch Gleichrichter
• Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung durch Wechselrichter
• Umwandlung von Gleichspannung in eine höhere oder niedrigere Gleichspannung durch Gleichstromsteller (DC/DC-Wandler)
• Umwandlung von Wechselspannung in Wechselspannung mit einer anderen Frequenz oder Amplitude z. B. durch Wechselstromsteller oder Frequenzumrichter

Fortschritte der Mikroelektronik führten auch im Bereich der leistungselektronischen Bauelemente zu weiter verbesserten Steuerungs- und Regelungsmöglichkeiten und haben die Leistungselektronik damit weiter an Bedeutung gewinnen lassen.

In der Antriebstechnik lassen sich durch die Steuerungsmöglichkeiten der Leistungselektronik die Betriebspunkte von elektrischen Maschinen sehr flexibel einstellen. So sind heute auch große Maschinenantriebe und Elektrolokomotiven mit leistungselektronischen Steuerungen ausgestattet.

Auch in Bereichen der Energieerzeugung und -übertragung findet die Leistungselektronik immer größere Einsatzgebiete. 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 so genannten Kurzkupplungen zur Frequenzentkopplung zwischen Verbundnetzen eingesetzt. Die gleiche Technik kommt bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ, auch Langkupplung genannt), zum Einsatz. Unterwerke zur Bahnstrom- und Straßenbahn-Oberleitungs-Speisung arbeiten mit Leistungselektronik.

Leistungselektronik gewinnt zunehmend auch im Automobilbau an Bedeutung. Hier wird eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern mit leistungselektronischen Bauelementen geschaltet und gesteuert. Eine der ersten Anwendungen im KFZ waren die Lichtmaschinenregler, die es unter anderem gestatteten, statt der Gleichstromgeneratoren die effektiveren, kleineren und wartungsärmeren Drehstrom-Lichtmaschinen einzusetzen. Weitere Anwendungen sind die elektronische Zündung (Thyristorzündung) und die elektronische Einspritzung.

In Hybridfahrzeugen (z. B. Toyota Prius) wird ein Teil der, bei Elektrofahrzeugen (Gabelstapler, „E-Car“) die gesamte, Antriebsleistung mit einem Elektromotor erzeugt. Die elektrische Energie muss mittels Leistungselektronik auf die für den elektrischen Antriebsmotor passende Spannung und Frequenz umgewandelt werden. Dafür werden leistungsstarke Gleichstromsteller verwendet, welche bei Hybridfahrzeugen die Energie bei Generatorbetrieb des Motors auch zur Zwischenspeicherung in Akkumulatoren oder Doppelschicht-Kondensatoren („SuperCaps“) aufbereiten.

In der Hochfrequenztechnik löst die Leistungselektronik die langsam veraltende Röhrensstechnik nach und nach ab. Bei sehr hohen Frequenzen und Leistungen werden aber weiterhin immer noch Elektronenröhren (Klystron, Magnetrons) eingesetzt. Bei der Induktionserwärmung existieren dank der Leistungselektronik heutzutage kleine, effektive, wartungsfreie und langlebige Geräte.

Weitere Beispiele sind Schweiß-Inverter für das Lichtbogenschweißen sowie Mittelfrequenz-Umrichter für das Widerstandsschweißen.

Bauelemente und Schaltungen

Thyristoren sind Schaltelemente, bei denen sich der Einschaltzeitpunkt durch eine Steuerspannung an der Steuerelektrode, dem Gate, einstellen lässt. Zwei Thyristorelemente in einem Bauteil, die gegenläufig parallelgeschaltet sind und gemeinsam gesteuert werden, werden als Triac bezeichnet.

Gleichrichter dienen dazu, aus Wechselstrom Gleichstrom zu generieren. Sie bestehen aus mehreren Dioden, die durch ihre Zusammenschaltung zu Gleichrichtern werden. Die Dioden lenken die jeweiligen Halbwellen des Wechselstromes in eine gemeinsame Richtung, daraus entsteht pulsierender Gleichstrom, der ggf. durch Drosseln geglättet werden kann.

Als Gesteuerte Stromrichter werden Gleichrichter-Schaltungen bezeichnet, die mit Thyristoren, GTO oder IGBT arbeiten und es gestatten, die Ausgangsspannung stufenlos zu verstellen. Hier verschiebt eine Phasenanschnittsteuerung das Einschalten der elektronischen Ventile innerhalb der Periode um einen einstellbaren Winkel. Sie sind oft in der Lage, den Strom von der Gleichstromseite auch zurück ins Netz zu speisen (Vierquadrantenbetrieb).

Als Wechselstromsteller werden Schaltungen mit Thyristoren oder Triacs bezeichnet, mit denen Helligkeitssteuerungen von Lampen (Dimmer), Temperaturregelungen von Heizwiderständen oder Ansteuerungen von Magnetspulen oder Motoren realisiert werden. Zwei gegenläufig parallel geschaltete Thyristoren oder ein Triac schalten hier ebenfalls mit einer Phasenanschittsteuerung beide Halbschwingungen des Wechselstromes in einem bestimmten Phasenwinkel durch.

Halbleiterrelais (engl. solid state relay) sind elektronische Wechselspannungsschalter und arbeiten ebenfalls mit Thyristoren oder Triac, sie verfügen über eine eingebaute Potentialtrennung zwischen Netz- und Signalstromkreis und schalten entweder sofort oder stets im Nulldurchgang der Wechselspannung, um so Störemissionen zu verhindern.

Gleichstromsteller werden bei Gleichstromspeisung mit Aufwärtswandlernn (Hochsetzstellern engl. step up converter, boost converter) und Abwärtswandler (Tiefsetzstellern, buck-Regler, step down converter). Auch die sogenannte „aktive PFC“ (Leistungsfaktorkorrektur) arbeitet mit einem dem Netzgleichrichter nachgeschalteten Aufwärtswandler. Diese Gleichstromsteller arbeiten mit Bipolartransistoren, MOSFET oder IGBT. Oft werden bei Gleichstromstellern statt Dioden Synchrongleichrichter realisiert, sodass es prizipiell auch hier möglich ist, Strom zurückzuspeisen.

Schaltnetzteile wandeln Netzspannung in potentialgetrennte, geregelte Gleichspanungen um und arbeiten mit einem gesteuerten Wechselrichter, der aus der gleichgerichteten Netzwechselspannung zunächst eine Wechselspannung hoher Frequenz erzeugt, die anschließend transformiert und gleichgerichtet wird. Schaltnetzteile arbeiten mit Bipolartransistoren, MOSFET oder IGBT.

Folgende Bauelemente sind charakteristisch für die Leistungselektronik :

• Diac (zur Ansteuerung von Thyristoren)
• bipolarer Leistungstransistor (Schaltnetzteile und DC/DC-Wandler)
• Leistungs-MOSFET (Schaltnetzteile und DC/DC-Wandler)
• GTO-Thyristor (Integrated Gate-Commutated Thyristor, IGCT) (Stromrichter großer Leistung)
• IGBT (Schaltnetzteile, Motorsteuerungen, Umrichter)
• Thyristor (Stromrichter, Halbleiterrelais, Impulsstromquellen)
• Triac (Dimmer, Halbleiterrelais)
• Diodenn zur Gleichrichtungnn (Schottkydiode für kleine Spannungen bis etwa 200 V, Siliziumdioden für Spannungen bis einige Kilovolt)

Leistungsaufnahme und Effizienz

Wegen des hohen Wirkungsgrades der Leistungselektronik kann oft vereinfacht die Leistung vor und nach der Umformung gleichgesetzt werden. Dennoch führen leistungselektronische Baugruppen zu Störemissionen, Blindleistung und Verzerrungen (Oberwellen) im Stromnetz. Geringe Stromflusswinkel von Gleichrichterschaltungen führen zu einem hohen Crestfaktor (Verhältnis von Effektiv- zu Spitzenstrom).

Gesteuerter Gleichrichter

Die gleichstromseitige Leistung bei der gesteuerten zweipulsigen Brückenschaltung mit einem Steuerwinkel $\backslash alpha$ ergibt sich bei ohmscher Last ohne Berücksichtigung der Verluste zu:

$P\; \backslash \; =\backslash \; U\_\{di\backslash alpha\}\; \backslash cdot\; I\_d\; \backslash \; =\backslash \; U\_\{di\}\; \backslash cdot\; I\_d\; \backslash cdot\; \backslash cos\; \backslash alpha\; \backslash \; =\; \backslash \; U\_1\; \backslash cdot\; I\_1\; \backslash cdot\; \backslash cos\; \backslash varphi\_1$

Darin sind $U\_\{di\backslash alpha\}$ die Gleichspannung, $I\_d$ der Gleichstrom,, $U\_1$ der Effektivwert der speisenden, sinusförmigen Wechselspannung, $I\_1$ der Effektivwert der Stromgrundschwingung und $\backslash varphi\_1$ der Phasenwinkel der Stromgrundschwingung.
Für Gleichrichtung allgemein gilt $U\_\{di\}\; =\; 0\{,\}9\; \backslash cdot\; U\_1$.

Ein größerer Steuerwinkel $\backslash alpha$ ergibt auch eine größere Phasenverschiebung $\backslash varphi\_1$ zwischen aufgenommenem Strom und Netzspannung. Sie bewirkt bei $\backslash alpha$ > 0 Blindleistung im Netz und ist unerwünscht. Auch der nicht sinusförmige Stromverlauf bewirkt eine Blindleistung, sie wird Verzerrungsleistung genannt.
Daher sind auch in der Leistungselektronik Blind- und Scheinleistung von besonderer Bedeutung - die Scheinstromaufnahme bzw. der aufgenommene Effektivstrom eines Gleichrichters oder Schaltnetzteiles ist trotz hoher Effizienz oft wesentlich höher als der Quotient aus Nutzleistung und Speisespannung (P_nutz / U₁), was zu höherer thermischer Belastung (Stromwärme) des Netzes oder speisender Transformatoren führt.

Leistungsfaktor-Korrektur

Blind- und Verzerrungsleistung leistungselektronischer Baugruppen können durch vorgeschaltete Leistungsfaktorkorrektur-Baugruppen (engl. power factor correction, PFC) beseitigt werden.

Maßnahmen zur PFC sind notwendig, um der „Verunreinigung“ des Netzes durch immer mehr leistungselektronisch arbeitende Geräte zu begegnen und sind für bestimmte Leistungsklassen und Verbraucher gesetzlich vorgeschrieben (EN 61000-3-2).

Weblinks

ProMoLeS - Forschungsprojekt zur Montage leistungselektronischer Systeme

Simulationstool zur Leistungsberechnung und zum Designen von Leistungselektronischen Bauteilen