Antriebstechnik

Effektive Steuerung des Leistungsflusses

Stromrichter-Stellglieder in Antriebssystemen
Matrixumrichter: S2 – elektronischer Zweirichtungsschalter

Als funktionsbestimmende Komponente des automatisierten Antriebs verbindet der Stromrichter nach DIN 41 750 den Motor mit der Netzeinspeisung. Dabei steuert er verlustarm den Energiefluss/-austausch zwischen Netz und Arbeitsmaschine durch Umsetzung der Befehle der Informationsverarbeitung.

Drehmoment, Drehzahl und Leistung der elektrischen Maschine werden über eingeprägten Strom und angelegte Spannung statisch und dynamisch optimal dem technologischen Prozess angepasst. Zugleich erzeugt das Stellglied die Verträglichkeit zwischen Netzeinspeisung und Betriebsspannung der elektrischen Maschine, weil Wechsel- in Gleichspannung (oder umgekehrt) gewandelt wird. Darüber hinaus verantwortet das Gerät, dass die Netzrückwirkungen die erlaubten Grenzen einhalten, häufig sogar unterschreiten. Zudem sorgt es mittels hohem Wirkungsgrad (geringe Durchgangs- und Schaltverluste, Rückspeisung von Bremsenergie) für eine ausgeprägte Energie- und Umwelteffizienz. Seit den 70igern gelangen ausschließlich Halbleiter-Stellglieder zur Anwendung. Gasentladungsgefäße, Thyratrons, Magnetverstärker gehören zur Geschichte.

Stromrichter

Unterschiedlichste Topologien nichtsteuerbarer und steuerbarer Schaltungen stehen flexibel und modular zum Speisen von Elektromotoren in Drehstrom- und Gleichstromtechnik im gesamten Leistungsbereich bereit. Inzwischen dominieren Stromrichter für Drehstrommaschinen. Einphasige Varianten kommen nur in Sonderfällen (Elektrowerkzeuge, Bahnantriebe) zum Einsatz. Alle dreiphasigen Anordnungen basieren auf der Drehstrombrücke. Von den sechs elektronischen Schaltern führen höchstens drei befristet und periodisch Strom, um einen geschlossenen Kreis zu erzeugen. Der Stromübergang von Bauelement zu Bauelement heißt Kommutierung.

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Bis circa 1.000 Kilowatt werden Stellglieder meist transformatorlos mit dem Industrie-Netz verbunden. Antriebe höherer Motorspannungen (Gleichstrom-Motoren: 600 bis 800 Volt, Drehstrom-Motoren: über 690 Volt) haben einen eigenen Trafo, der an die Mittelspannung angeschlossen ist. Im Unterschied zu elektrischen Maschinen vertragen Stromrichter selbst kurzzeitig Überbeanspruchungen durch Strom und Spannung schlechter, weil die Leistungsbauelemente eine extrem geringe, thermische Zeitkonstante aufweisen und Überspannungen schnell die empfindliche Sperrschicht zerstören. Geeignete Schutzeinrichtungen müssen deshalb vorhanden sein. Stromrichter-Stellglieder arbeiten auch bei Teillast mit gutem Wirkungsgrad.

Unabhängig vom Umsatz an Wirkleistung benötigt die Mehrzahl der Stromrichter induktive Blindleistung. Am Ausgang wie am Eingang entstehen Oberschwingungen. Besonders netzfreundliche Schaltungen (AFE, AEM) können den Phasenwinkel zwischen den Eingangsgrößen beliebig steuern, kapazitive Blindleistung liefern, ja sogar den Zwischenkreis verschlanken. Schaltung und Ansteuerverfahren bestimmen die Größe der Netzrückwirkungen. Oft verbindet ein Filter das Netz und den Stromrichter.

Alle Stellglieder inklusive Informations- und Bedienelektronik stehen leistungsabhängig unter Berücksichtigung der vorgesehenen Applikation in unterschiedlichen Konstruktionsformen bereit: als Integralkomponente für Motoranbau, Kompakt-, Schrankeinbaugerät oder als Schranksystem. Bis zu mittleren Werten gehen die Verluste mittels natürlicher Kühlung, Zwangslüftung oder Kühlgerät an die Umgebung. Große Leistungen bedienen sich ausschließlich der forcierten Abfuhr, müssen aus Platzgründen verschiedentlich auf Flüssigkeitskühlung mit Wasser oder Glykol unter Nutzung eines Zweikreis-Wärmetauschers zurückgreifen. Neuerdings bietet die flüssigkeitsgekühlte Montageplatte (Cold-Plate-Technology) eine wirkungsvolle Option bei geringen Baugrößen.

Kommutierung

Während des Betriebs kommutiert der Strom zwischen den Zweigen. Kurzzeitig führen dabei alle am Übergang beteiligten Ventile in einem Kurzschluss-Kreisstrom. Als Netzkommutierung wird bezeichnet, wenn die „fremden“ Phasenspannungen des Eingangsnetzes den Wechsel unterstützen. Derartige netz- oder fremdgeführte Schaltungen vor allem für Gleichstromverbraucher zünden nur einmal während einer Halbperiode der Netzspannung, um nach ihrem Nulldurchgang verzögert wieder zu verlöschen. Sie benötigen daher induktive Blindleistung aus dem Netz, außerdem sind sie kurzschlussgefährdet (Wechselrichterkippen). Erzeugt sich der Stromrichter die Kommutierungsspannung am Ausgang als Spannungsfall an seiner Drehstromlast selbsttätig, liegt Lastkommutierung vor. Bei diesem der Netzführung vergleichbaren, lastgeführten Betrieb ist Leerlauf unzulässig, Anfahrschwierigkeiten treten auf. Den ebenfalls erforderlichen induktiven Blindstrom liefert die angeschlossene Maschine. Derartige Nachteile überwindet die Zwangskommutierung. Blindstromfrei erfolgt sie mittels einer Zusatzspannung, die eigens zu diesem Zweck stromrichterintern in der Löscheinrichtung aus Kondensatoren, Dioden und Thyristoren gebildetet wird. Lassen sich die elektronischen Schalter über die Steuerelektrode nicht nur einschalten, sondern auch sperren, entfällt sie. Beide Ausführungen sind selbstgeführt. Pulsung der Ausgangsspannung während einer Halbwelle wird möglich. Übrigens geschieht die Stromwendung bei der Gleichstrommaschine mit Hilfe des Spannungsfalls über den Kohlebürsten gleichfalls zwangskommutiert.

Matrixumrichter

Eine innovative Topologie stellt der Matrixumrichter dar. Als zwangskommutierter Direktumrichter verwandelt er ohne Zwischenkreis, ohne Freilaufpfade ein Netz fester Spannung und Frequenz unmittelbar in eine Spannungsquelle mit variablen Kennwerten. Diese Baueinheit kennzeichnet ein niedriger Platzbedarf, noch besserer Wirkungsgrad und eine hohe Leistungsdichte. Mit Halbleitermodulen aus Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT) oder – künftig verfügbaren – monolithischen Zweirichtungsschaltern lassen sie sich besonders vorteilhaft aufbauen. Joachim Krause

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