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Stellgeräte für elektrische Antriebe

 

Stellgeräte mit Spannungszwischenkreis

Der Aufbau

Stellgeräte mit Spannungszwischenkreis wandeln die Netzspannung in einem 2-stufigen Prozess in eine andere Spannungsform um.

1. In einem ersten Schritt wird die Netzspannung gleichgerichtet und in einen Spannungszwischenkreis eingespeist.
2. Die so erzeugte Gleichspannung dient als Eingangsgröße für einen Pulssteller. Dieser wandelt die Gleichspannung in eine dem angeschlossenen Motortyp entsprechende Spannungsform um.

Das nachfolgende Bild zeigt den Aufbau eines Stellgerätes mit Zwischenkreis für einen Gleichstrommotor.

Im Vergleich zu Thyristorbrücken sind Stellgeräte mit Zwischenkreis in ihrer Konstruktion aufwendiger. Außerdem verfügen sie nur mit Sondermaßnahmen über die Fähigkeit, Energie vom Motor ins Netz zurück zu speisen.
Aufgrund des Zwischenkreises sind diese Stellgeräte aber vom zeitlichen Verlauf der Netzspannung entkoppelt und unabhängig. Sie gehören deshalb zu den selbstgeführten Stellgliedern. Sie ermöglichen eine sehr dynamische Regelung des angeschlossenen Motors und sind deshalb in Servoanwendungen sehr weit verbreitet.

 

Der Gleichrichter

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

• beginnend von einer Netzphase
• weiter über eine Diode der oberen Halbbrücke
• weiter über den Zwischenkreis (nicht dargestellt)
• weiter über eine Diode der unteren Halbbrücke
• zurück zu einer anderen Netzphase.

Am Stromfluss sind also immer 2 Netzphasen und jeweils eine Diode der oberen und eine Diode der unteren Halbbrücke beteiligt. Die Reihenfolge, in der die Dioden stromführend sind, wird vom periodischen Spannungsverlauf in den einzelnen Netzphasen bestimmt. Der Ausgangsspannung des Gleichrichters ist nachfolgend dargestellt. Ihr Mittelwert beträgt bei 3-phasiger Speisung das 1,35-fache der Netzspannung.

Wird der Gleichrichter mit dem Zwischenkreis verbunden, hat dieser ebenfalls einen Einfluss auf die Ausgangs- bzw. Zwischenkreisspannung. Die tatsächliche Zwischenkreisspannung ergibt sich dann aus dem Zusammenspiel von Gleichrichter, Zwischenkreiselementen und Pulssteller.

 

Der Zwischenkreis

Der Zwischenkreis dient zur Entkopplung des Gleichrichters und des nachgeschalteten Pulsstellers. Zu diesem Zweck verfügt er über einen Zwischenkreiskondensator, der die Funktion eines Energiespeichers übernimmt. Er glättet die pulsierende Ausgangsspannung des Gleichrichters und kompensiert die Blindleistung, die der Pulsteller aufgrund seiner Wirkungsweise im Zusammenspiel mit der Motorinduktivität erzeugt.

Als weiteres Element enthält der Zwischenkreis eine Vorladeschaltung, die aus ohmschen Widerständen und Überbrückungsschaltern besteht. Sie dient dazu, den Ladestrom des Zwischenkreiskondensators, der nach Zuschaltung der Netzspannung über den Gleichrichter fließt, zu begrenzen. Ist der Zwischenkreiskondensator aufgeladen, werden die Vorladewiderstände überbrückt und damit wirkungslos gemacht. Die Steuerung der Überbrückungsschalter übernimmt die Signalelektronik des Stellgliedes.

Der am Ausgang des Zwischenkreises angeschlossene Pulssteller kann generatorisch arbeiten und insbesondere bei Bremsvorgängen elektrische Energie vom angeschlossenen Motor in den Zwischenkreis zurückspeisen. Der Gleichrichter ist aufgrund seines einfachen Aufbaus als Diodenbrücke nicht in der Lage, diese Energie in das Netz weiterzuleiten. Die Energie verbleibt also im Zwischenkreis, wird im Zwischenkreiskondensator gespeichert und führt dort zu einer Erhöhung der Zwischenkreisspannung. Um die Spannungserhöhung zu begrenzen, muss die Energie im Zwischenkreis wieder abgebaut werden. Diese Aufgabe übernimmt der Bremschopper mit dem angeschlossenen Bremswiderstand.
Der Bremschopper besteht aus einem Transistor, der als Schalter arbeitet und den Bremswiderstand zwischen die beiden Pole des Zwischenkreises schaltet. In der Folge fließt über den Bremswiderstand ein Gleichstrom, der den Zwischenkreiskondensator entlädt und die Zwischenkreisspannung absenkt. Die vom Motor während des Bremsvorganges zurückgespeiste Energie wird damit in Wärme umgesetzt.
Die Ansteuerung des Bremschoppers erfolgt durch die Signalelektronik des Stellgliedes. Im allgemeinen arbeitet der Bremschopper gepulst. Das heißt, der Transistor wird nicht dauerhaft sondern zyklisch ein- und ausgeschaltet.