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Stellgeräte für elektrische Antriebe

 

Stellgeräte für Gleichstrommotoren, Thyristorbrücken

2- und 4-Quadrantenbetrieb

Eine Thyristorbrücke gibt im nichtlückenden Betrieb in Abhängigkeit vom Zündwinkel eine positive oder negative Spannung aus. Da der Stromfluss durch den Thyristor immer nur in einer Richtung erfolgen kann, arbeitet die Thyristorbrücke und damit der angeschlossene Motor entweder motorisch oder generatorisch. Auf den Motor bezogen beschreibt das nebenstehende Diagramm die möglichen Betriebsbereiche. Bei Betrieb mit einer einzelnen Thyristorbrücke kann der angeschlossene Motor aufgrund der festgelegten Stromrichtung nur in den Quadranten 1 und 4 betrieben werden. Es ist zu erkennen, dass bei positiver Motordrehzahl lediglich motorischer Betrieb möglich ist. Das heißt, dass der Motor bei einer positiven Drehzahl nicht abgebremst werden kann. Um ein Bremsmoment zu erreichen, müsste die Stromrichtung umgekehrt werden, was mit einer einzelnen Thyristorbrücke nicht realisierbar ist.

Da Servoantriebe laufend beschleunigt und abgebremst werden müssen, ist die Verwendung einer einzelnen Thyristorbrücke zum Betrieb eines Gleichstrommotors nicht sinnvoll. Die Stellgeräte enthalten deshalb 2 Thyristorbrücken, die antiparallel geschaltet sind. Die eine Thyristorbrücke realisiert die positive und die andere Thyristorbrücke die negative Stromrichtung. Sie werden nie gleichzeitig verwendet, da es ansonsten zum Kurzschluss der Netzspannung kommt.

Soll die Stromrichtung umgekehrt werden, betreibt die Signalelektronik die aktive Thyristorbrücke durch Vorgabe eines entsprechenden Zündwinkels so, dass der Stromfluss durch diese Brücke versiegt. Anschließend werden die Zündimpulse für diese Thyristorbrücke gesperrt. Nach einer kurzen Sicherheitspause beaufschlagt die Signalelektronik die bis dahin inaktive Thyristorbrücke mit Zündimpulsen. Der jetzt fließende Strom weist nun die umgekehrte Richtung auf. Wurde der Motor zuvor zum Beispiel im 1. Quadranten beschleunigt, wechselt er jetzt in den 2. Quadranten und wird dort abgebremst. Stellgeräte mit antiparallelen Thyristorbrücken ermöglichen damit den für Servoanwendungen erforderlichen so genannten 4-Quadrantenbetrieb.

 

Drehmoment und Dynamik

Die von Thyristorbrücken bereitgestellte Ausgangsspannung pulsiert mit der 6-fachen Grundfrequenz der speisenden Netzspannung. Diese periodischen Oberschwingungen in der Ausgangsspannung machen sich auch im Ankerstrom des angeschlossenen Motors bemerkbar und führen folglich zu Oberschwingungen im Drehmoment. Das ist bei der Verwendung von Thyristorbrücken zu beachten.

Die Funktionsweise einer Thyristorbrücke bewirkt, dass in jeder Periode der Netzspannung 6 Zündvorgänge stattfinden. Jeder Zündzeitpunkt stellt eine Möglichkeit dar, den Zündwinkel zu verändern und damit den Stromfluss zu regeln. Die kürzeste Zykluszeit zur Beeinflussung des Motorstromes beträgt bei einem 50 Hz-Netz folglich 3,3 ms. Daraus ergeben sich typische Anregelzeiten für den Ankerstrom und damit das Drehmoment des angeschlossenen Motors von ca. 10 ms. Dieser Wert ist für einfache Servoanwendungen ausreichend. Für Anwendungen mit höheren dynamischen Anforderungen sind Thyristorbrücken jedoch weniger geeignet.