Computersimulation und rechnergestützte Systemanalyse der leistungselektronischen Komponenten

Die Leistungselektronik spielt heute eine wichtige Rolle in den Bereichen: Antriebtechnik, Industrielle Elektronik, Elektrofahrzeuge und Energie Systeme. Die Lehrbücher bezüglich Leistungselektronik haben bisher nur die Schaltung dargestellt und die Funktionsweise erklärt. Dieses ist nicht ausreichend, weil die Schaltungen von Leistungselektronik sehr stark zeitlich diskret und nicht linear. Außerdem verändert die Schaltungstopologie sich sehr häufig für die verschiedenen Anwendungen. Deswegen ist die Simulation ein wichtiges Verfahren, um Schaltungstopologie im Bereich der Leistungselektronik zu analysieren. Das Anliegen dieser Studie besteht darin, durch Simulationen am Rechner zum Verständnis der physikalisch-technischen Zusammenhänge einiger Grundschaltungen aus der Leistungselektronik beizutragen. Gleichzeitig wird der Umgang mit modernen Simulationstools geübt. Die physikalischen Zusammenhänge der Schaltvorgänge in der Leistungselektronik bereiten oft Verständnisschwierigkeiten, da es sich um Abläufe handelt, die relativ undurchschaubar sind. Durch den Einsatz von Simulationsprogrammen können theoretische Kenntnisse am Rechner überprüft und so die Einflüsse unterschiedlicher Parameter auf das Verhalten der Schaltungen untersucht werden. Alle wichtigen Leistungselektronik-Schaltungen und Steuerungsverfahren werden nicht nur durch Simulationen, sondern auch mit mathematischen Verfahren analysiert. Diese sind: Schaltvorgänge, Kommutierung, Gleichstromrichter (B6), Direktumrichter, 2-stufige Umrichter, 3-stufige Umrichter, Matrixumrichter, Raumzeiger-Darstellung, Raumzeigermodulation. Die wichtigen Eigenschaften werden in der Studie erläutert. Diese sind: EMV des Umrichters, Netzrückwirkung. Die Grundlagen der Simulation bzw. Petri-Netzmodelle, Formalismen und Numerische Verfahren werden in der Arbeit dargestellt.
Diese Studie kann als Grundlage für die Forschung im Leistungsbereich, für das Selbststudium und die Prüfungsvorbereitung in Leistungselektronik und für die Programmierung von Steuerungsverfahren in Schaltungstechnik genutzt werden.

1;Computersimulation und rechnergestützte Systemanalyse der leistungselektronischen Komponenten;1 2;Inhaltsverzeichnis;3 3;Abbildungsverzeichnis;6 4;Tabelleverzeichnis;10 5;1 Einführung;17 5.1;1.1 Allgemeine Zielstellung;17 5.2;1.2 Aufgaben der Leistungselektronik;17 5.3;1.3 Programme SIMPLORER;19 5.4;1.4 Programme MATHCAD;21 6;2 Grundlagen der Leistungselektronik;23 6.1;2.1 Schaltungselemente;23 6.1.1;2.1.1 Ideale Ventile;23 6.1.2;2.1.2 Mechanische Schalter;24 6.1.3;2.1.3 Halbleiterschalter;25 6.2;2.2 Schaltvorgänge von Wechselströmen;28 6.2.1;2.2.1 Einschalten einer RL-Reihenschaltung;28 6.2.2;2.2.2 Einschalten eines Reihenschwingkreises;31 6.3;2.3 Kommutierung und Stromübergang;33 6.3.1;2.3.1 Funktionsprinzip;33 6.3.2;2.3.2 Natürliche Kommutierung;35 6.3.3;2.3.3 Zwangskommutierung;37 7;3 Simulationstechnik;42 7.1;3.1 Digitale Simulation;44 7.2;3.2 Steuerung mittels PETRI-Netzmodelle;47 7.3;3.3 Formalismen und Systeme;50 7.3.1;3.3.1 Atomare Systeme;50 7.3.2;3.3.2 Gekoppelte Systeme;55 7.4;3.4 Numerische Verfahren;57 7.4.1;3.4.1 Numerische Integration;58 7.4.2;3.4.2 Explizite und implizite Verfahren;60 7.4.3;3.4.3 Ein- und Mehrschrittverfahren;62 7.4.4;3.4.4 Behandlung von Ereignissen;67 8;4 Simulation und Modellanalyse;73 8.1;4.1 Strategien der Modellbildung;73 8.2;4.2 Netzgelöschter Stromrichter;74 8.2.1;4.2.1 Drehstrombrückenschaltung - B6;75 8.2.2;4.2.2 Zwölfpuls-Brückenschaltung;82 8.3;4.3 Direktumrichter;85 8.3.1;4.4.1 Trapezansteuerung;87 8.3.2;4.4.2 Sinusansteuerung;88 8.3.3;4.4.3 Matrixumrichter;90 8.4;4.4 Selbstgelöschter Stromrichter;103 8.4.1;4.4.1 Zweistufige Stromrichter mit Spannungszwischenkreis;103 8.4.2;4.4.2 Dreistufige Stromrichter mit Spannungszwischenkreis;120 8.4.3;4.4.3 Stromzwischenkreis-Stromrichter;126 9;5 Mathematische Verhältnisse in der Leistungselekronik;135 9.1;5.1 Analyse der Gleichstromrichters;135 9.1.1;5.1.1 Grundlagen der mathematischen Modellbildung;136 9.1.2;5.1.2 Analyse der vollgesteuerten B2-Stromrichterschaltung;149 9.2;5.
2 EMV des Umrichters;160 9.2.1;5.2.1 Eigenschaften modulierter Signale;162 9.2.2;5.2.2 Störung und Entstörung von IGBT-Umrichter;171 9.3;5.3 Mathematische Rechnung vom Raumzeiger;179 10;6 Systembewertung: Netzrückwirkung von netzgeführten Stromrichtern;183 10.1;6.1 Symmetrische Steuerung;184 10.2;6.2 Asymmetrische Steuerung;188 10.3;6.3 Der Einsatz von Freilaufdioden;191 10.3.1;6.3.1 Eine Freilaufdiode am Stromrichterausgang;192 10.3.2;6.3.2 Zwei Freilaufdioden zum Sternpunkt;194 11;7 Zusammenfassung;197 12;Anhang;201 13;Literaturverzeichnis;207 14;Autorenprofil;209