Teledyne LeCroy-Applikationsschrift - Power-1 - Grundlagen der Leistungselektronik Teil I (D)

Bitten Sie eine beliebige Anzahl von Ingenieuren, "Leistung" zu definieren, und Sie erhalten eine beliebige Anzahl von Antworten, und keine von ihnen wäre unbedingt falsch. Manchmal ist es nur eine Frage der Perspektive.

Für den Ingenieur, der für ein Versorgungsunternehmen arbeitet, ist "Power" beispielsweise die 50/60-Hz sinusförmige Spannungs-/Stromstärke, die Haushalte und Unternehmen antreibt. Das Tool du jour in diesem Szenario ist ein Kilowattstundenzähler. Aber für jemanden, der ein Netzteil entwirft, geht es bei "Power" um den Verbrauch von MOSFETs oder IGBTs beim Schalten, Leiten und/oder Ausschalten. In dieser Serie von Leistungselektronik- Beiträgen werden wir uns mit dem beschäftigen, was typischerweise als "Leistung" oder "Netz" bezeichnet wird.

Es gibt drei wichtige Phasen für Strom: Erzeugung, Übertragung und Verteilung sowie Verbrauch. In der Vergangenheit wurde el. Strom in zentralen Kraftwerken erzeugt. Heutzutage gibt es einen Trend zur dezentralen Erzeugung aus lokalen Quellen wie Solar-PV-Modulen oder Windparks.

Die Übertragung und Verteilung zu Haushalten, gewerblichen Einrichtungen und industriellen Anwendungen schafft die Voraussetzungen für den Konsum. Der Verbrauch erfolgt entweder direkt aus der Versorgungsleitung ohne Leistungsumwandlung (wie z.B. bei einem Toaster) oder mit einer Art Umwandlung durch den Einsatz von Leistungselektronik. Dies kann die AC-AC-Wandlung durch frequenzgeregelte Motorantriebe, die AC-DC-Wandlung durch Schaltnetzteile, die DC-AC-Wandlung durch Wechselrichter oder die DC-DC-Wandlung bedeuten.

In der Vergangenheit ist Strom aus dem zentralen Kraftwerk in eine Richtung zum Verbraucher geflossen. Was einige Leser überraschen mag, ist der schlechte Gesamtwirkungsgrad der Energieversorgung, der bei etwa 32% liegt. Der Input/Output-Wirkungsgrad des Kraftwerks selbst beträgt nur etwa 35%, und etwas mehr geht bei Übertragung und Verteilung verloren. Insgesamt handelt es sich um ein äusserst ineffizientes System.

Infolgedessen haben sich die Versorgungsunternehmen seit langem darauf konzentriert, die Verluste zu reduzieren, die sie kontrollieren können, wie sie in Transformatoren und anderen Geräten vorkommen. Leistungsanalysatoren wurden entwickelt, um die Effizienz in diesen Elementen der Energieversorgungskette zu messen. Transformatoren werden sowohl für Erregungs- (oder Kern-) Verluste als auch für Lastverluste (Kupfer oder I2R) sowie für den Gesamtwirkungsgrad gemessen. Diese Messungen können als Design- oder Validierungstests durchgeführt werden, oder das Versorgungsunternehmen kann vor der Lieferung eines Transformators einen Bericht anfordern, um sicherzustellen, dass er seinen Anforderungen entspricht.

Weltweit speisen 45% aller erzeugten Leistungen Motoren (Abbildung 1).

    9% dieser Leistung treibt kleine Motoren an (diese bis 750W, das sind 90% aller Motoren).
    68% treiben mittlere Motoren an (bis 350kW, das sind 9,9% aller Motoren).
    23% antreiben große Motoren (bis zu 1000kW; 0,03% aller Motoren)

Die Zahlen zeigen, dass kleine Motoren nur einen kleinen Teil des Gesamtverbrauchs von Motoren ausmachen, aber die grösste Gruppe nach Volumeneinheit bilden, während das Gegenteil für die grossen Motoren gilt. Vor den 90er Jahren bezogen Motoren ihren Strom grösstenteils direkt aus dem Netz. Seitdem haben sich die Motorantriebe stark ausgeweitet und die Regierungen haben begonnen, höhere Wirkungsgrade zu fordern.

In früheren Tagen vor 1990 wurden Motoren typischerweise auf einem Prüfstand getestet (Abbildung 2). Der Schwerpunkt dieser Tests lag auf diesen mittelgrossen bis grossen Motoren, die mit einer Lastzelle, einem Dynamometer oder einem Leistungsanalysator durchgeführt worden wären. Diese rudimentären Tests waren typischerweise statische Belastungstests mit konstanter Last, Drehzahl und Drehmoment. Die Instrumentierung würde Drehzahl- und Drehmomentsensorsignale erfassen und die Berechnung der Eingangs- und Ausgangsleistung bis hin zum Ausgang der Motorwelle ermöglichen. Auf diese Weise konnte man den Wirkungsgrad des Motors bestimmen, allerdings nur für eine Drehzahl-, Last- und Drehmomentbedingung.

In der Zwischenzeit hat es eine Revolution gegeben in der Welt der Leistungselektronik und Leistungsumwandlung. Im Gegensatz zu den 1980er Jahren, als Schaltnetzteile im Kommen waren, sind Motorantriebe heutzutage allgegenwärtig. Sie haben im Laufe der Jahre an Designkomplexität und Leistungsstärke stetig zugenommen (Abbildung 3). Heute sehen wir sehr komplexe Antriebe, bis hin zu den regenerativen Systemen, die beispielsweise in den Antriebssystemen von Elektro- und Hybridfahrzeugen zu finden sind.

Für die Antriebs- und/oder Motoranalyse eignen sich eine Reihe von Werkzeugen. Der vorgenannte traditionelle AC-Leistungsanalysator kann nur statische (stationäre), mittlere Leistungswerte berechnen. Einige Instrumente dieser Klasse integrieren keine Motordrehmoment- und Drehzahldaten.

Ein universelles, vierkanaliges 8-Bit-Oszilloskop ist auf der Steuerseite der Gleichung nützlich; die meisten modernen Instrumente verfügen zu diesem Zweck über eine serielle Trigger-/Decodiersoftware. Ein solches Instrument ist auch nützlich, um die Geräteverluste eines einzelnen Leistungshalbleiters zu testen. Den meisten Vierkanal-Oszilloskopen fehlen jedoch genügend Kanäle und/oder Auflösungen, um Dreiphasensysteme auszumessen.

Mehr Kanäle sind bei der Prüfung von Motorantrieben nützlich. Der Motor-Drive Analyzer MDA800 von Teledyne LeCroy bringt acht analoge Eingangskanäle in die Mess-Tabelle ein für eine vollständige dreiphasige Leistungsanalyse vom Motorantriebseingang bis zum mechanischen Ausgang des Motors. Diese Instrumente präsentieren Messresultate in einem übersichtlichen Tabellenformat. Mit einem solchen Instrument kann man Fehlersuche, Integration von Motoren sowie transiente oder dynamische Leistungsanalyse durchführen.

In den kommenden Beiträgen dieser Serie werden wir genauer untersuchen, was wir wirklich meinen, wenn wir über Wechsel- oder Netzspannung, Strom oder Leistung sprechen.

In der nächsten Applikationsschrift werden wir die Grundlagen vom AC-Netz untersuchen.

Das ist eine Applikationsschrift von Teledyne LeCroy