02.12.2010
Die Übertragung elektrischer Energie mittels Gleichstrom erlebt seit einigen Jahrzehnten einen rasanten Aufstieg. Speziell die Gleich- und Wechselrichtung der Spannung mittels IGBTs ist aufgrund vieler Vorteile eine interessante Lösung bei der Energieübertragung auf langen Strecken. Die in diesen Schaltelementen entstehenden Verluste haben aber einen erheblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Hochspannungs-Gleichstromübertragung und müssen sowohl zu Optimierungs- als auch zu Abrechnungszwecken exakt bestimmt werden.
IGBTs sind fähig, hohe Ströme (bis zu einigen kA) bei hohen Spannungen (bis zu 6,5 kV) innerhalb einiger Millisekunden zu schalten. Für eine messtechnische Erfassung solcher Vorgänge stellt dies eine besondere Herausforderung dar. Insbesondere in Kombination mit der erforderlichen galvanischen Trennung zwischen Lastkreis und Messdatenverarbeitung ist das Gleichgewicht der drei relevanten Größen Abtastrate, Speichertiefe und vertikale Auflösung von Bedeutung. Mehrere Transientenrekorder-Modelle wurden in umfangreichen Untersuchungen auf ihre Eignung und Genauigkeit in diesem Einsatzgebiet geprüft. Eine Abtastrate von mindestens 100 MS/s, eine Auflösung von 14 Bit sowie galvanisch getrennte Messköpfe mit integriertem A/D-Wandler waren dabei die wichtigsten Anforderungen. Das Ziel dieser Untersuchungen war es, ein optimales Messmittel für schnelle, sich wiederholende Vorgänge bei hohen Stromstärken und Spannungen zu finden.
Vergleichsmessungen mit PTB-Normalen in den Bereichen Gleichspannung und Wechselspannung haben gezeigt, dass die Messunsicherheit solcher Systeme abhängig von der Eingangsfrequenz im Bereich von 1x10-5 bis 1x10-2 liegt. Auf diesen Ergebnissen aufbauend sollen weitere Untersuchungen dieser Art folgen.
Weiterhin wurden mit den untersuchten Messsystemen Schaltversuche am einzelnen IGBT durchgeführt. Dabei wurde eine Gleichspannung von bis zu 200 V mittels einer Kondensatorbank erzeugt. Die Messung der Spannung über dem schaltenden IGBT und des Stromes im geschlossenen Kreis wurden aufgezeichnet und zur Bestimmung der Leistung multipliziert. Die Bilder 1 und 2 zeigen den Verlauf der Signale während einer Schaltperiode von 64 Einzelschaltungen und, vergrößert dargestellt, die Ein- und Ausschaltvorgänge. Die digitale Berechnung der Verlustleistung verdeutlicht den Unterschied zwischen Durchlass- und Schaltverlusten der IGBTs. Des Weiteren können die typischen Überschwinger der Spannung mit einer Auflösung von 14 Bit bestimmt und in die Verlustleistungsbilanz mit aufgenommen werden.
Bild 1: Messkurven von Stromstärke und Spannung, gemessen mit einem 100 MS/s ‑ 14 Bit – Transientenrecorder.
Links: Einschaltvorgang Rechts: Ausschaltvorgang.
Zoomfenster: Einzelne Messpunkte im Abstand von jeweils 10 ns
Bild 2: Dauerschaltversuch eines IGBTs mit Verlustleistungsberechnung
Ansprechpartner: Johann Meisner
Fachbereich 2.3: Elektrische Energiemesstechnik