Leistungselektronik
Leistungselektronik bezeichnet ein Teilgebiet der Elektrotechnik in dem besonders hohe elektrische Ströme und Spannungen mit elektronischen Bauelementen umgeformt, gesteuert oder geschaltet werden. Während bei der reinen Elektronik die elektrische Leistung nur Mittel zum Zweck der Signal- und Datenverarbeitung ist, steht bei der Leistungselektronik die Umwandlung und Steuerung elektrischer Energie im Vordergrund.
Das Typische an den elektronischen Bauelementen ist, daß sie selbst von elektrischen Signalen aktiviert oder gesteueret werden. Die klassische Elektrotechnik arbeitete demgegenüber mit mechanisch oder elektromagnetisch betätigten Schalt- und Steuerelementen.
Mit der Erfindung des ersten Gleichrichters 1902 nahm auch die Leistungselektronik ihren Anfgang, bekam jedoch erst später diese Bezeichnung. Dieser Gleichrichter war ein Gasentladungsgefäß mit flüssiger Quecksilber-Kathode. Diese Quecksilberdampfstromrichter konnten Wechselströme bis zu einigen Kiloampere gleichrichten. Ab 1930 waren diese Quecksilberstromrichter mit einer Gittersteuerung analog zur Röhrentechnik versehen und so ließ sich ein steuerbarer Gleichstrom erzeugen.
1958 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.
Anwendungsgebiete
Die Leistungselektronik ermöglicht vor allem die Umwandlung elektrischer Energie einer Spannung und Frequenz in eine andere Spannungsamplitude oder Frequenz:
- 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
- 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 Hochleistungs-Bauelemente zu weiter verbesserten Steuerungs- und Regelungsmöglichkeiten und haben die Leistungselektronik damit weiter an Bedeutung gewinnen lassen.
In der Antriebstechnik lassen die Steuerungsmöglichkeiten der Leistungselektronik die Arbeitsbedingungen von Elektromotoren sehr flexibel einstellen.
Auch in Bereichen der Energieerzeugung findet die Leistungselektronik immer größere Einsatzgebiete. Gerade 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.
Bauelemente und Schaltungen
Thyristoren sind Schaltelemente, die den Schaltpunkt durch eine steuerbare Spannung an einer Steuerelektrode beliebig und flexibel einstellen lassen. Sie sind neben dem Gleichrichter die typischsten Bauteile der Leistungselektronik.
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 im Grunde aus einzelnen Dioden, die erst durch ihre besondere Schaltung gemeinsam zu "Gleichrichtern" werden. Die einzelnen Dioden lenken die jeweiligen Halbwellen der Wechselstromphase in eine gemeinsame Richtung, daraus entsteht zunächst "gepulster Gleichstrom", der durch weitere elektronische Bauelemente "geglättet" werden kann.
Als "Gesteuerte Stromrichter" werden Gleichrichter-Schaltungen bezeichnet, die statt der Dioden mit unveränderbarer Durchbruchspannung einen flexibel steuerbaren Schaltpunkt wie beim Thyristor haben. Damit lässt sich die Ausgangspannung einer Gleichrichter-Brückenschaltung stufenlos verstellen. Hier verschiebt eine "Anschnittsteuerung" das Einschalten des elektroinischen Ventils vom Nulldurchgang zu einem anderen Punkt der der Versorgungsspannung.
thumb|300px|Verlauf der Wechselstromwelle bei einer PhasenanschnittsteuerungAls "Wechselstromsteller" werden Schaltungen mit Thyristoren bezeichnet, mit denen Helligkeitssteuerungen von Lampen, Temperaturregelungen von Heizwiderständen oder Ansteuerungen von Magnetspulen realisiert werden. Zwei gegenläufig parallel geschaltete Thyristoren oder ein Triac schalten jeweils eine Halbwelle der Wechselstromphase zum angewählten Zeitpunkt ("Phasenanschnitt") durch.
Als Gleichstromsteller werden Schaltnetzteile und Hochsetzsteller (Step Up Converter, Boost Converter) bezeichnet.
Weitere Bauteile sind:
Leistungsverhalten
Die Wirkleistung P ist die Leistung, die ein Stromrichter aus dem Netz bezieht und an die Gleichstromseite weitergibt:
Die Wirkleistung ist also eine mittlere Leistung, die sich aus der mittleren Spannung und dem Gleichstrom ergibt.
Ein größerer Steuerwinkel α ergibt auch eine größere Phasenverschiebung zwischen Netzstrom und Netzspannung. Die Phasenverschiebung ist identisch mit dem Zündverzögerungswinkel α. Das Netz wird also mit Blindleistung belastet. Diese heißt Q1: Steuerblindleistung oder Grundschwingungsblindleistung:
Ein Thyristor belastet das Netz immer mit induktiver Blindleistung. Als Kompensation können netzseits entsprechende Kondensatoren eingesetzt werden. Die Steuerblindleistung ist nur ein Teil der Blindleistung, da sie die Oberschwingungen des Netzstromes nicht berücksichtigt.
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