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Stellgeräte für elektrische Antriebe

 

Stellgeräte für Gleichstrommotoren

Stellgeräte für Gleichstrommotoren wandeln die Wechselspannung des speisenden elektrischen Netzes in eine Gleichspannung um. Die Amplitude der Gleichspannung dient als Stellgröße für den angeschlossenen Gleichstrommotor. Stellgeräte für Gleichstrommotoren werden entweder als

• Thyristorbrücken oder
  
• Pulsteller

realisiert.

 

Stellgeräte für Gleichstrommotoren, Thyristorbrücken

Thyristorbrücken sind steuerbare Gleichrichter, die die Netzspannung direkt in eine Gleichspannung umwandeln. Sie können auch generatorisch arbeiten und Energie vom Motor in das Netz zurückspeisen. Ihre Fähigkeit zur Rückspeisung, ihr einfacher Aufbau sowie jahrelange Erfahrungen in der praktischen Anwendung zählen zu den Vorteilen der Thyristorbrücke.

Das Funktionsprinzip der Thyristorbrücke wird nachfolgend am Beispiel einer Drehstrombrücke erläutert. Der Gleichstrommotor wird dabei als eine Reihenschaltung aus einer Induktivität und einer Gleichspannungsquelle vereinfacht dargestellt. Die Gleichspannungsquelle beschreibt die Spannung (EMK), die in der Ankerwicklung bei rotierendem Läufer induziert wird. Die Induktivität beschreibt den magnetischen Kreis des Gleichstrommotors. Der ohmsche Widerstand der Ständerwicklungen wird vernachlässigt.

Eine Thyristorbrücke besteht aus 6 Thyristoren. Jeweils zwei Thyristoren sind in Reihe geschaltet und bilden einen Brückenzweig. Zwischen den Thyristoren ist jeweils eine Phase der Netzspannung angeschlossen. Bei Drehstromnetzen sind demzufolge 3 Zweige, bei Wechselspannungsnetzen 2 Zweige erforderlich. Alle Zweige sind parallel geschaltet.
Da Thyristoren den Strom nur in einer Richtung führen können, ergibt sich ein Stromfluss

• beginnend von einer Netzphase
• weiter über einen Thyristor der oberen Halbbrücke
• weiter über den Motor
• weiter über einen Thyristor der unteren Halbbrücke
• zurück zu einer anderen Netzphase.

Am Stromfluss sind also immer 2 Netzphasen und jeweils ein Thyristor der oberen und ein Thyristor der unteren Halbbrücke beteiligt.
Die Zündreihenfolge der einzelnen Thyristoren ist so gewählt, dass die Zündung eines Thyristors zur Löschung des bis dahin aktiven Thyristors in der gleichen Halbbrücke führt. Zum Beispiel löscht die Zündung des Thyristors 3 den Thyristor 1.

Dieser Mechanismus funktioniert nur dann, wenn zum Zündzeitpunkt an der Anode des zu zündenden Thyristors ein höheres Potential anliegt als an der Anode des aktiven Thyristors. Erfolgt dann eine Zündung, versiegt der Stromfluss durch den bis dahin aktiven Thyristor und er geht in den Sperrzustand über. Der Stromfluss wird vom gezündeten Thyristor übernommen. Man sagt auch, der Stromfluß ist auf den gezündeten Thyristor kommutiert.

Das Potential an den Anoden der Thyristoren wird vom periodischen Spannungsverlauf in den einzelnen Netzphasen bestimmt. Die Zündzeitpunkte müssen deshalb exakt auf den zeitlichen Verlauf der einzelnen Leiterspannungen synchronisiert werden. Aus diesem Grund spricht man bei Thyristorbrücken auch von netzgeführten Stromrichtern. Die Synchronisation auf die Netzspannung übernimmt die Signalelektronik im Stellgerät.

 

Der Zündwinkel alpha

Der mittlere Betrag der Ausgangsspannung, die eine Thyristorbrücke bereitstellt, wird über den Zündzeitpunkt verändert. Als Stellgröße, die den Zündzeitpunkt beschreibt, dient der Zündwinkel alpha.
Der Zündwinkel alpha definiert die Verzögerung der Zündimpulses für jeden Thyristor bezogen auf den Zeitpunkt der natürlichen Kommutierung. Der Zeitpunkt der natürlichen Kommutierung ist dann erreicht, wenn aufgrund des Netzspannungsverlaufes eine erfolgreiche Zündung eines Thyristors erstmalig möglich wäre. Die natürliche Kommutierung beschreibt auch den Zeitpunkt, zu dem in einer Diodenbrücke die Kommutierung stattfinden würde. Für den Thyristor 1 ist der Zündwinkel alpha im Bild beispielhaft angegeben.

Die Maßeinheit des Zündwinkels ist grad. Sein Stellbereich beträgt 0° bis 180°. Bei Überschreitung des Maximalwertes von 180° ist keine Kommutierung mehr möglich, da dann der zu zündende Thyristor an seiner Anode bereits wieder ein niedrigeres Potential aufweist als an der Anode des aktiven Thyristors anliegt. Zündet man einen Thyristor mit einem Zündwinkel von 180° (und mehr), kommt es zum so genannten Wechselrichterkippen. Das Wechselrichterkippen stellt einen unerwünschten Betriebszustand der Thyristorbrücke dar und muss durch die Signalelektronik verhindert werden. In praktischen Realisierungen wird deshalb der Zündwinkel durch die Signalelektronik auf maximal 150° begrenzt.

Beispiel für Wechselrichterkippen:
Thyristor 1 löscht im Normalfall Thyristor 5. Bei alpha>180° weist Thyristor 5 das höhere Potential an seiner Anode auf und Thyristor 1 kann Thyristor 5 nicht löschen, da der Stromfluss durch Thyristor 5 nicht zum Erliegen kommt. Wird nun vom Stellgerät aufgrund der regulären Zündreihenfolge Thyristor 6 gezündet, wird der Motor kurzgeschlossen. Je nach Betriebsfall des Motors fließt ein kleinerer oder größerer Kurzschlussstrom, der zur Zerstörung der Thyristoren führen kann.