Halbleiterschalter und -steller

3.
Halbleiterschalter und -steller
In der Wechsel- und Drehstromtechnik muss ein elektronischer Schalter Strom in beiden
Richtungen führen können. Diese Forderung ist mit Triacs und antiparallel geschalteten
Thyristoren zu erfüllen.
Das Einschalten dieser Wechselstromschalter erfolgt allgemein durch Zünden der entsprechenden
Ventilstrecken. Wird das nächste Ventil nicht gezündet, so erlischt der Wechselstrom im nächsten
natürlichen Nulldurchgang.
3.1 Halbleiterschalter
Triacs werden als Halbleiterschalter für den direkten Anschluss an 400-V-Drehspannungsnetze
bei Strömen bis 100 A (vorwiegend unter 20 A) verwendet. Der Triac kann durch einen
Steuerimpuls beliebiger Polarität (Diac oder Impulsübertrager) gezündet werden und in beiden
Richtungen Strom führen. Nach erfolgter Zündung bleibt der Triac solange leitend, wie der
Haltestrom IH nicht unterschritten wird. Der Triac schaltet auch ohne Zündimpuls durch, wenn die
Kippspannung U(B0) überschritten wird.
i
iA
iA
i
IH
uA
U(B0)
t
uA
Triac mit Beschaltung
Kennlinie
Stromverlauf
Halbleiterschalter für Wechselstrom mit Triac
Bei höheren Sperrspannungen und/oder Strömen werden zwei antiparallel geschaltete
Thyristoren, auch Wechselwegpaar bezeichnet, eingesetzt.
Bei sinusförmigem Stromverlauf i î sin t kann der Mittelwert IAAV und der Effektivwert
IARMS des Stromes in einem Thyristor berechnet werden.
IAAV
1
T
T
i(t ) dt
0
T
1
T
IARMS
1
T
i 2 ( t ) dt
0
T 2
î sin t dt
0
1
T
î
2
- cos(
T2
0
iA
iA1
T1
t
T
î 2
2 T
î 2 sin 2 t dt
i
2
T2
)
î
(3.1)
0
t-
T
4 t
sin(
)
4
T
T 2
0
î
(3.2)
2
iA1
i
uA
T2
iA2
iA1
iA1
iA2
t
iA2
Thyristoren mit Beschaltung
Kennlinie
Stromverlauf
Halbleiterschalter für Wechselstrom mit gegensinnig parallelen Thyristoren
G. Schenke, 9.2014
Leistungselektronik
FB Technik, Abt. E+I
27
Elektronische Lastrelais (ELR), auch Solid State Relais (SSR) genannt, können vorteilhaft als
elektronische Schütze verwendet werden. Sie vereinigen den Leistungsteil, die Impulserzeugung
mit Nullpunktschalter und Potentialtrennung mittels Optokoppler in einem Bauelement. Die
Steuerspannung beträgt 3....30 V bei einem Steuergleichstrom < 20 mA.
L1
Impulserzeuger,
Nullpunktschalter
Steuerspannung
Eingang
Lichtsignal
U
Elektrisches Signal
RL N
Ausgang Last
Blockschaltbild eines ELR
Vor- und Nachteile des ELR im Vergleich zum mechanischen Schalter.
Vorteile
Hohe Schaltgeschwindigkeit
Hohe zulässige Schalthäufigkeit
Große Lebensdauer, hohe Zuverlässigkeit
Geräuschlosigkeit, Prellfreiheit
Unempfindlichkeit gegen Umwelteinflüsse
Nachteile
Galvanische Verbindung von Netz und Last auch im abgeschalteten Zustand
Relativ hohe Verlustleistung
Begrenzte Strom- und Spannungsüberlastbarkeit
In der Praxis werden häufig ohmsch-induktive Lasten, bei denen im eingeschalteten Zustand der
Strom i um den Winkel = arctan( L/R) gegenüber der Wechselspannung u nacheilt, mit
Halbleiterschaltern geschaltet.
Wird zu einem beliebigen Zeitpunkt t0 eingeschaltet, so bildet sich im Allgemeinen im Strom i ein
Ausgleichsglied aus, das je nach Dämpfung in wenigen Perioden abklingt.
-
i( t )
û [sin( t - ) - e
R
L
t - t0
sin
t0 -
]
(3.3)
R2
L2
Wird der Halbleiterschalter im natürlichen Nulldurchgang gezündet, so wird beim Einschalten ein
Ausgleichsglied vermieden. Der Einschaltzeitpunkt t0 muss dann um den Winkel gegenüber
dem Nulldurchgang der Wechselspannung nacheilen.
uS i
uS
iA1
uS i
iA2
0
t0
uS
iA1
0
t
EIN
iA2
AUS
t
Ein- und Ausschalten von ohmsch-induktiven Lasten bei Wechselspannung
mit dem Halbleiterschalter
G. Schenke, 9.2014
Leistungselektronik
FB Technik, Abt. E+I
28
Schalten einer Induktivität
Beim Ein- und Ausschalten einer Induktivität L treten mittelfrequente Ausgleichsschwingungen
infolge der Wicklungskapazität CL auf. Entsprechend dem Einschaltzeitpunkt kann ein Ausgleichsvorgang auftreten.
EIN
uS
AUS
uS
uL
u
u, i
i
Lk
RB CB
i
0
uS t
u
CL
L
AUS
uL
EIN
u, i
uS
u
uS
0
t
i
uL
Schaltung
Einschalten ohne (oben) und mit (unten) Ausgleichsglied
Schalten einer Induktivität mit und ohne Ausgleichsglied
Die Frequenz der mittelfrequenten Schwingungen beim Einschalten fE und beim Ausschalten
fA kann näherungsweise berechnet werden.
1
1
fA
fE
(3.4)
2
(Lk L) C B
2
L k CL
Schalten eines Kondensators
Beim Einschalten eines Kondensators C lässt sich ein Ausgleichsglied beim Schalten im
natürlichen Nulldurchgang des Stromes nur dann vermeiden, wenn der Kondensator vorher auf
den Scheitelwert der Wechselspannung u aufgeladen wurde. Der Halbleiterschalter besteht in
diesem Fall aus einem Thyristor mit gegensinnig paralleler Diode.
u
uC
Lk
u
RB
uC
AUS
0
uS
iA1
EIN
CB
t
i
LS
i
i
0
iA2
iA1
iA2
uC C
uS
uS
t
ûS = 2· 2 · U
Schonzeit
0
t
Sperrspannung
des Thyristors
Schaltung
Spannungs- und Stromverlauf
Schalten eines Kondensators mit Halbleiterschalter ohne Ausgleichsglied
G. Schenke, 9.2014
Leistungselektronik
FB Technik, Abt. E+I
29
Die Schutzinduktivität LS ist zur Begrenzung von Ausgleichsströmen bei Netzspannungsschwankungen und in Störungsfällen erforderlich, wenn keine ausreichend große Netzinduktivität
Lk vorhanden ist.
Schalten von Drehstrom
Drehstromkreise können mit Halbleiterschaltern grundsätzlich in gleicher Weise wie einphasige
Wechselstromkreise ein- und ausgeschaltet werden.
Es zeigt sich, dass bei gleichzeitigem Einschalten aller drei Phasen immer in mindestens zwei
Phasen ein Ausgleichsglied auftritt, da nur für jeweils eine Phase im natürlichen Stromnulldurchgang eingeschaltet werden kann.
Versetzt man die Einschaltzeitpunkte zeitlich so, dass zunächst zwei Phasen (z.B. L1 und L2)
eingeschaltet werden und 90° ( t3 = 5 ms bei der Netzfrequenz f = 50 Hz) später die dritte Phase
im natürlichen Nulldurchgang des Stromes dieser Phase, so gelingt auch bei einem ohmschinduktiven Drehstromkreis ein Einschalten, ohne dass der Dauerstrom durch Ausgleichsglieder
überschritten wird.
L1
L2
L3
N
u1
u2
u3
i1
i2
i3
u, i
0
i1
i2
i3
R
R
R
L
L
i12
t3
t
1+2 3
EIN EIN
L
Schaltung
Spannungs- und Stromverlauf
Einschalten von einem ohmsch-induktiven Drehstromkreis ohne Ausgleichsglied
Der Halbleiterschalter für Drehstrom wird durch Sperrung der Zündimpulse ausgeschaltet. Der
Strom wird dann im nächsten Nulldurchgang zunächst in einer Phase unterbrochen und fließt
danach in den beiden anderen Phasen als einphasiger Strom noch für eine Viertelperiode weiter.
Die gebräuchlichsten Ausführungsformen von Halbleiterschaltern für Wechselstrom sind gegensinnig parallele Thyristoren, der Triac (Zweirichtungsthyristor) und ein Thyristor im Gleichstromkreis einer Diodenbrücke. Diese Schalter werden mit mechanischen Trennschaltern in Reihe
und Überbrückungsschaltern zur Reduzierung der Durchlassverluste in der Praxis eingesetzt.
L
L
L
N
N
N
Last
Last
Last
gegensinnig parallele
Triac
Thyristor im Gleichstromzweig
Thyristoren
einer Diodenbrücke (B2)
Schalten von Wechselstrom mit Halbleiterschaltern
G. Schenke, 9.2014
Leistungselektronik
FB Technik, Abt. E+I
30
Die gebräuchlichsten Ausführungsformen von Halbleiterschaltern für Drehstrom sind gegensinnig parallele Thyristoren, die häufig auch durch Triacs ersetzt werden. Bei Drehstromlasten ohne Neutralleiter genügen auch Thyristorschalter (Triac auch möglich) in zwei Phasen
(Sparschaltung) oder Thyristoren mit gegensinnig parallelen Dioden (halbgesteuerte
Schaltung). Die Polygonschaltung kommt mit drei Thyristoren im Sternpunkt der Drehstromlast aus. Die Strombelastung ist bei dieser Schaltung um das 1,5-fache größer als bei den
übrigen Schaltungen.
L1
L2
L3
L1
L2
L3
Last
Last
gegensinnig parallele Thyristoren
Sparschaltung
L1
L2
L3
L1
L2
L3
Last
Last
halbgesteuerte Schaltung
Polygonschaltung
Schalten von Drehstrom mit Halbleiterschaltern
Halbleiterschalter werden bei hoher Schalthäufigkeit häufig anstelle von mechanischen
Schützen eingesetzt. In Reversierschaltungen werden Drehfeldmaschinen durch Drehfeldumkehr - 2 Phasen werden getauscht – in ihrer Drehrichtung hin- und hergesteuert. Die Drehfeldumkehr kann mit gegensinnig parallelen Thyristoren (Triac) in Voll- oder Sparschaltung
erfolgen, wobei jeweils ein zweiter Halbleiterschalter mit vertauschten Phasen notwendig ist.
3.2 Halbleitersteller
Halbleiterschalter erlauben neben dem einmaligen Ein- und Ausschalten von Wechsel- bzw.
Drehstromkreisen auch in jeder Halbschwingung wiederholtes Einschalten, wobei der Strom
jeweils vom Zündzeitpunkt bis zu seinem natürlichen Nulldurchgang fließt.
Stromrichter mit Wechselwegpaaren können die Leistungsaufnahme von ein- oder mehrphasigen
Wechselstromlasten kontaktlos und stetig mit der sogenannten Phasenanschnittsteuerung verändern bzw. "stellen". Man nennt sie Wechselstromsteller bzw. Drehstromsteller. Der Zündverzögerungswinkel oder Steuerwinkel , mit dem die Halbleitersteller dabei periodisch gezündet
werden, ist zwischen dem Nulldurchgang der Phasenspannung und dem Zündzeitpunkt definiert.
Bei ohmscher Last kann der Strom i bei gezündetem Wechselstromsteller nach Gl. (3.5) berechnet
werden. Bei gesperrtem Halbleiterschalter ( t = 0 bis bzw. von t = bis + ) ist i = 0.
û
i( t )
(3.5)
sin t
(
t
bzw.
t 2 )
R
G. Schenke, 9.2014
Leistungselektronik
FB Technik, Abt. E+I
31
St
u
uS
iA1
CB
RB
iA2
t
0
i
u
uS
i
0
R
uS
i
iA1
t
iA2
Schaltung mit gegensinnig
Spannungs- und Stromverlauf
parallelen Thyristoren
beim Steuerwinkel
Wechselstromsteller für ohmsche Lasten
Bei einer ohmsch-induktiven Last ergibt sich kein sinusförmiger Stromverlauf (Gl. 3.6). Der
Strom setzt sich vielmehr aus einer Sinuskurve und einem mit der Zeitkonstanten = L/R
abklingendem Ausgleichsglied zusammen.
-
û [sin( t - ) - e
i( t )
R
R
L
2
t-
sin
L
-
]
2
mit
arctan
L
R
(3.6)
Gleichung 3.6 gilt für
t bis zum Stromnulldurchgang und für +
t bis zum
Stromnulldurchgang; sonst ist i = 0.
Dieser Stromverlauf entspricht dem Stromverlauf
uS
beim Einschalten eines Halbleiterschalters mit
uS
u
Ausgleichsglied (Gl. 3.3), wenn der Einschaltzeitt
0
punkt t0 durch den Steuerwinkel ersetzt wird.
1
2
i
i
0
iA2
Spannungs- und Stromverlauf bei
ohmsch-induktiver Belastung
des Wechselstromsteller
mit den Steuerwinkeln 1 und 2
t
iA1
Aus den Gln. (3.5 und 3.6) können die Steuerkennlinien eines einphasigen Wechselstromstellers
in Abhängigkeit vom Steuerwinkel berechnet werden.
Unter der Steuerkennlinie versteht man im
1,0
Allgemeinen den Effektivwert des Lastcos = 0
0,8
stromes Ieff bezogen auf den maximalen
Ieff
(induktiv)
cos = 1
Effektivwert I0eff in Abhängigkeit vom
I0eff 0,6
Steuerwinkel . Parameter ist der cos der
0,4
Last.
0,2
0
0
30
60
90
120
150
180
/°
G. Schenke, 9.2014
Leistungselektronik
Steuerkennlinie eines
Wechselstromstellers
FB Technik, Abt. E+I
32
Bei ohmscher Last R berechnet sich die Steuerkennlinie für den Effektivwert des Laststromes Ieff
nach Gl. (3.7).
1
1
Ieff
(3.7)
sin2
( von 0 ... )
2
I0eff
Bei induktiver Belastung L berechnet sich die Steuerkennlinie für den Effektivwert des Laststromes Ieff nach Gl. (3.8).
Ieff
4
1
3
(3.8)
cos 2
sin cos
( von 2 ... )
I0eff
2
2
Manchmal wird auch die Steuerkennlinie für den Mittelwert des Laststromes IAV angegeben. Bei
ohmscher Last R gilt:
IAV
1 cos
( von 0 ... )
(3.9)
I0AV
2
Für den Mittelwert des Laststromes IAV gilt bei induktiver Last L:
IAV
sin
cos
( von 2 ... )
I0AV
(3.10)
Stellen von Drehstrom
Für das Stellen von dreiphasigen Stromsystemen mit Halbleiterschaltern gelten ähnliche Bedingungen wie für den einphasigen Wechselstromsteller. Die Schaltungen des Drehstromstellers entsprechen den Halbleiterschaltungen für das Schalten von Drehstrom.
Der Steuerwinkel entspricht wieder dem
L1
Winkel zwischen dem Nulldurchgang der
L2
Phasenspannung und dem zugehörigen
L3
Zündimpuls. Wegen der Verkettung der
St
drei Phasen sind die Spannungs- und
Stromverhältnisse nicht so einfach wie
beim einphasigen Wechselstromsteller.
Durch Vergrößerung des Steuerwinkels
i1
i2
i3
von 0° auf 150° bei ohmscher Last und
R
R
R
von 90° auf 150° bei induktiver Last kann
die Leistungsaufnahme einer symmeL
L
L
trischen dreiphasigen Last zwischen dem
Maximalwert und Null gesteuert werden.
Drehstromsteller mit ohmsch-induktiver Belastung
Bei Steuerwinkeln
150° kann kein Strom mehr fließen, weil in den jeweiligen Zündzeitpunkten eines einzelnen Ventils alle anderen Ventile sperren.
1,0
cos = 0
Ieff 0,8
I0eff 0,6
(induktiv)
cos = 1
0,4
Steuerkennlinie eines Drehstromstellers
0,2
0
0
30
60
90
120
150
180
/°
G. Schenke, 9.2014
Leistungselektronik
FB Technik, Abt. E+I
33
Blind- und Verzerrungsleistung
Bei der Anschnittsteuerung treten sowohl beim Wechselstromsteller als auch beim Drehstromsteller nichtsinusförmige Lastströme auf.
Periodische nichtsinusförmige Größen können nach Fourier in Grund- und Oberschwingungen
zerlegt werden. Bei dieser Zerlegung ergibt sich eine Grundschwingung des Stromes definierter
Amplitude und Phase und eine Reihe von Harmonischen höherer Ordnungszahl, deren Frequenz
ein Vielfaches der Grundfrequenz ist.
Bei ohmscher Last und konstantem Steuerwinkel besitzt der periodische Strom eine Grundschwingung i1, deren Amplitude und Phasenlage 1 nach Fourier berechnet werden kann. Die
Grundschwingung des Stromes i1 eilt gegenüber der Spannung u um den Winkel 1 nach.
u
i
i1
Spannungs- und Stromverlauf,
u, i
i1Q
Grundschwingungsstrom und dessen
0
Wirk- und Blindkomponente beim
Wechselstromsteller
mit ohmscher Last
t
i1P
Im Wechselstromnetz tritt beim Steuerwinkel
auch bei ohmscher Last induktive Grundschwingungsblindleistung Q1 auf.
Q1
U I1 sin 1
(3.11)
Der Grundschwingungsstrom i1 lässt sich in eine Wirkkomponente i1P und in eine Blindkomponente i1Q zerlegen. Für den Scheitelwert der Wirkkomponente gilt:
î1P
2
î sin 2 t d t
î
-
sin
(3.12)
cos
Für die Scheitelwert der Blindkomponente gilt:
î1Q
2
î sin t cos t d t
-
î
sin 2
Aus Wirk- und Blindkomponente erhält man den Phasenwinkel
î1Q
(3.13)
1
der Grundschwingung.
2
sin
(3.14)
sin cos
î1P
Außer der Grundschwingungsblindleistung Q1 tritt eine Verzerrungsleistung D auf. Die
Wirkleistung P lässt sich nach Gl. (3.15) berechnen.
P U I1 cos 1
(3.15)
Die nicht lineare Charakteristik des Halbleiterschalters ruft an einer ohmschen Last Grundschwingungsblindleistung Q1 und Verzerrungsleistung D hervor, die sich zu jedem Zeitpunkt
ergänzen. Für die Rechengrößen Q1 und D gilt bei jedem Steuerwinkel die Beziehung Q1 D.
In der Leistungselektronik hat der Leistungsfaktor eine besondere Bedeutung.
P
U I1 cos 1
gi cos 1
(3.16)
S
U I
Zwischen dem Grundschwingungsgehalt gi und dem Klirrfaktor ki des Stromes besteht die
Beziehung:
I1
gi
1 - k i2
(3.17)
I
1
- arctan
G. Schenke, 9.2014
arctan
Leistungselektronik
FB Technik, Abt. E+I
34
Für die Leistungen gilt:
S2
P 2 Q12 D 2
mit D S k i
Anwendung der Phasenanschnittsteuerung:
Drehzahlverstellung von Lüftermotoren,
Ersatz von Stelltransformatoren,
Helligkeitssteuerung bei Lampen,
Drehzahlverstellung bei Universalmaschinen.
(3.18)
Schwingungspaketsteuerung
Bei der Schwingungspaketsteuerung wird während der normalen Betriebszeit der angeschalteten
Last ständig mit einem Nullpunktschalter "Ein" und "Aus" geschaltet. Einschaltdauer tE und Pausendauer tP können dabei so verändert werden, dass im Idealfall die von der Last aufgenommene
Leistung von 0 % bis 100 % verstellt werden kann.
tE
tE
P
(3.19)
Pmax
Pmax
tE tP
TS
u
0
T
t
i
0
tE
tP
t
TS
Netzspannung u und Laststrom i bei der Schwingungspaketsteuerung
Bei der kontaktlosen Steuerung von Heizungen wird die Schwingungspaketsteuerung häufig
eingesetzt. Es ergeben sich folgende Vorteile:
Geringe Funkstörungen durch Verwendung eines Nullspannungsschalters.
Grundschwingungsverschiebungsfaktor cos 1 = 1, weil hier die sonst bei Verwendung der
Phasenanschnittsteuerung auftretende Grundschwingungsblindleistung Q1 entfällt.
Nur geringe Oberschwingungsbelastung des Netzes, es entstehen hier Unterschwingungen
bezogen auf die Netzfrequenz, da der Laststrom im Einzustand des Schalters praktisch
sinusförmig verläuft.
Zur Begrenzung der Netzrückwirkungen (VDE 0636) dürfen in Haushalts-Drehstrom-Netzen
Leistungen bis max. 3 kW direkt angeschlossen werden.
Bei der harmonischen Analyse des Laststromes i werden die FOURIER-Koeffizienten basierend
auf der Wiederholfrequenz 1/TS, welche die Grundfrequenz für die harmonische Analyse
darstellt, berechnet. Die Netzfrequenz ist bei der harmonischen Analyse eigentlich eine Oberschwingung. Da Wirkleistung nur mit der 50-Hz-Komponente des Stromes und der sinusförmigen
Netzspannung gebildet werden kann, wird die 50-Hz-Komponente des Stromes weiterhin als
Grundschwingung behandelt und alle niedrigeren Frequenzen der harmonischen Analyse zu
Unterschwingungen und alle höheren Frequenzen zu Oberschwingungen.
G. Schenke, 9.2014
Leistungselektronik
FB Technik, Abt. E+I
35