3. Halbleiterschalter und -steller

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1 3. Halbleerschaler nd -seller In der Wechsel- nd Drehsromechnk mss en elekronscher Schaler Srom n beden chngen führen können. Dese Forderng s m racs nd anparallel geschaleen hyrsoren z erfüllen. Das Enschalen deser Wechselsromschaler erfolg allgemen drch Zünden der ensprechenden Venlsrecken. Wrd das nächse Venl nch gezünde, so erlsch der Wechselsrom m nächsen naürlchen lldrchgang. 3. Halbleerschaler racs werden als Halbleerschaler für den dreken Anschlss an 4-V-Drehspannngsneze be Srömen bs A (vorwegend ner A) verwende. Der rac kann drch enen Seermpls belebger Polarä (Dac oder Implsüberrager) gezünde werden nd n beden chngen Srom führen. ach erfolger Zündng bleb der rac solange leend, we der Halesrom I H nch nerschren wrd. Der rac schale ach ohne Zündmpls drch, wenn de Kppspannng U (B) überschren wrd. A A A I H A U (B) rac m Beschalng Kennlne Sromverlaf Halbleerschaler für Wechselsrom m rac Be höheren Sperrspannngen nd/oder Srömen werden zwe anparallel geschalee hyrsoren, ach Wechselwegpaar bezechne, engesez. Be snsförmgem Sromverlaf î sn kann der Melwer I AAV nd der Effekvwer I AMS des Sromes n enem hyrsor berechne werden. î î IAAV () d î sn d - cos( ) (3.) I AMS A î 4 î () d î sn d - sn( ) (3.) 4 A A A A A A A A hyrsoren m Beschalng Kennlne Sromverlaf Halbleerschaler für Wechselsrom m gegensnng parallelen hyrsoren G. Schenke, 9.4 esngselekronk FB echnk, Ab. E+I 7

2 Elekronsche asrelas (E), ach Sold Sae elas (SS) genann, können vorelhaf als elekronsche Schüze verwende werden. Se verengen den esngsel, de Implserzegng m llpnkschaler nd Poenalrennng mels Opokoppler n enem Baelemen. De Seerspannng beräg V be enem Seerglechsrom < ma. Implserzeger, llpnkschaler Seerspannng Engang chsgnal Elekrsches Sgnal Asgang as Blockschalbld enes E Vor- nd achele des E m Verglech zm mechanschen Schaler. Vorele Hohe Schalgeschwndgke Hohe zlässge Schalhäfgke Große ebensdaer, hohe Zverlässgke Geräschlosgke, Prellfrehe Unempfndlchke gegen Umwelenflüsse achele Galvansche Verbndng von ez nd as ach m abgeschaleen Zsand elav hohe Verlslesng Begrenze Srom- nd Spannngsüberlasbarke In der Praxs werden häfg ohmsch-ndkve asen, be denen m engeschaleen Zsand der Srom m den Wnkel = arcan(/) gegenüber der Wechselspannng nachel, m Halbleerschalern geschale. Wrd z enem belebgen Zepnk engeschale, so blde sch m Allgemenen m Srom en Asglechsgled as, das je nach Dämpfng n wengen Peroden abklng. - - û [sn( - ) - e sn -] () (3.3) Wrd der Halbleerschaler m naürlchen lldrchgang gezünde, so wrd bem Enschalen en Asglechsgled vermeden. Der Enschalzepnk mss dann m den Wnkel gegenüber dem lldrchgang der Wechselspannng nachelen. A S A A U A AUS En- nd Asschalen von ohmsch-ndkven asen be Wechselspannng m dem Halbleerschaler G. Schenke, 9.4 esngselekronk FB echnk, Ab. E+I 8

3 Schalen ener Indkvä Bem En- nd Asschalen ener Indkvä reen melfreqene Asglechsschwngngen nfolge der Wcklngskapazä C af. Ensprechend dem Enschalzepnk kann en Asglechsvorgang afreen. k B C B C,, AUS AUS Schalng Enschalen ohne (oben) nd m (nen) Asglechsgled Schalen ener Indkvä m nd ohne Asglechsgled De Freqenz der melfreqenen Schwngngen bem Enschalen f E nd bem Asschalen f A kann näherngswese berechne werden. fe fa (3.4) C ( ) C k Schalen enes Kondensaors Bem Enschalen enes Kondensaors C läss sch en Asglechsgled bem Schalen m naürlchen lldrchgang des Sromes nr dann vermeden, wenn der Kondensaor vorher af den Scheelwer der Wechselspannng afgeladen wrde. Der Halbleerschaler beseh n desem Fall as enem hyrsor m gegensnng paralleler Dode. k B C C AUS k A B C B A C S C A A û S = U Schonze Sperrspannng des hyrsors Schalng Spannngs- nd Sromverlaf Schalen enes Kondensaors m Halbleerschaler ohne Asglechsgled G. Schenke, 9.4 esngselekronk FB echnk, Ab. E+I 9

4 De Schzndkvä S s zr Begrenzng von Asglechssrömen be ezspannngsschwankngen nd n Sörngsfällen erforderlch, wenn kene asrechend große ezndkvä k vorhanden s. Schalen von Drehsrom Drehsromkrese können m Halbleerschalern grndsäzlch n glecher Wese we enphasge Wechselsromkrese en- nd asgeschale werden. Es zeg sch, dass be glechzegem Enschalen aller dre Phasen mmer n mndesens zwe Phasen en Asglechsgled afr, da nr für jewels ene Phase m naürlchen Sromnlldrchgang engeschale werden kann. Versez man de Enschalzepnke zelch so, dass znächs zwe Phasen (z.b. nd ) engeschale werden nd 9 ( 3 = 5 ms be der ezfreqenz f = 5 Hz) späer de dre Phase m naürlchen lldrchgang des Sromes deser Phase, so gelng ach be enem ohmschndkven Drehsromkres en Enschalen, ohne dass der Daersrom drch Asglechsgleder überschren wrd. 3, Schalng Spannngs- nd Sromverlaf Enschalen von enem ohmsch-ndkven Drehsromkres ohne Asglechsgled Der Halbleerschaler für Drehsrom wrd drch Sperrng der Zündmplse asgeschale. Der Srom wrd dann m nächsen lldrchgang znächs n ener Phase nerbrochen nd fleß danach n den beden anderen Phasen als enphasger Srom noch für ene Verelperode weer. De gebrächlchsen Asführngsformen von Halbleerschalern für Wechselsrom snd gegensnng parallele hyrsoren, der rac (Zwerchngshyrsor) nd en hyrsor m Glechsromkres ener Dodenbrücke. Dese Schaler werden m mechanschen rennschalern n ehe nd Überbrückngsschalern zr edzerng der Drchlassverlse n der Praxs engesez. as as gegensnng parallele rac hyrsor m Glechsromzweg hyrsoren ener Dodenbrücke (B) Schalen von Wechselsrom m Halbleerschalern G. Schenke, 9.4 esngselekronk FB echnk, Ab. E+I 3 as

5 De gebrächlchsen Asführngsformen von Halbleerschalern für Drehsrom snd gegensnng parallele hyrsoren, de häfg ach drch racs ersez werden. Be Drehsromlasen ohne eralleer genügen ach hyrsorschaler (rac ach möglch) n zwe Phasen (Sparschalng) oder hyrsoren m gegensnng parallelen Doden (halbgeseere Schalng). De Polygonschalng komm m dre hyrsoren m Sernpnk der Drehsromlas as. De Srombelasng s be deser Schalng m das,5-fache größer als be den übrgen Schalngen. 3 3 as as 3 gegensnng parallele hyrsoren 3 Sparschalng as as halbgeseere Schalng Polygonschalng Schalen von Drehsrom m Halbleerschalern Halbleerschaler werden be hoher Schalhäfgke häfg anselle von mechanschen Schüzen engesez. In everserschalngen werden Drehfeldmaschnen drch Drehfeldmkehr - Phasen werden geasch n hrer Drehrchng hn- nd hergeseer. De Drehfeldmkehr kann m gegensnng parallelen hyrsoren (rac) n Voll- oder Sparschalng erfolgen, wobe jewels en zweer Halbleerschaler m veraschen Phasen nowendg s. 3. Halbleerseller Halbleerschaler erlaben neben dem enmalgen En- nd Asschalen von Wechsel- bzw. Drehsromkresen ach n jeder Halbschwngng wederholes Enschalen, wobe der Srom jewels vom Zündzepnk bs z senem naürlchen lldrchgang fleß. Sromrcher m Wechselwegpaaren können de esngsafnahme von en- oder mehrphasgen Wechselsromlasen konaklos nd seg m der sogenannen Phasenanschnseerng verändern bzw. "sellen". Man nenn se Wechselsromseller bzw. Drehsromseller. Der Zündverzögerngswnkel oder Seerwnkel, m dem de Halbleerseller dabe perodsch gezünde werden, s zwschen dem lldrchgang der Phasenspannng nd dem Zündzepnk defner. Be ohmscher as kann der Srom be gezündeem Wechselsromseller nach Gl. (3.5) berechne werden. Be gesperrem Halbleerschaler ( = bs bzw. von = bs + ) s =. û () sn ( bzw. ) (3.5) G. Schenke, 9.4 esngselekronk FB echnk, Ab. E+I 3

6 A S B C B A A A Schalng m gegensnng Spannngs- nd Sromverlaf parallelen hyrsoren bem Seerwnkel Wechselsromseller für ohmsche asen Be ener ohmsch-ndkven as ergb sch ken snsförmger Sromverlaf (Gl. 3.6). Der Srom sez sch velmehr as ener Snskrve nd enem m der Zekonsanen = / abklngendem Asglechsgled zsammen. () - - sn - ] m arcan Glechng 3.6 gl für bs zm Sromnlldrchgang nd für + bs zm Sromnlldrchgang; sons s =. û [sn( - ) - e Deser Sromverlaf ensprch dem Sromverlaf bem Enschalen enes Halbleerschalers m Asglechsgled (Gl. 3.3), wenn der Enschalzepnk drch den Seerwnkel ersez wrd. (3.6) A A Spannngs- nd Sromverlaf be ohmsch-ndkver Belasng des Wechselsromseller m den Seerwnkeln nd As den Gln. (3.5 nd 3.6) können de Seerkennlnen enes enphasgen Wechselsromsellers n Abhänggke vom Seerwnkel berechne werden. I eff,,8 cos = I eff,6,4, cos = (ndkv) / Uner der Seerkennlne verseh man m Allgemenen den Effekvwer des assromes I eff bezogen af den maxmalen Effekvwer I eff n Abhänggke vom Seerwnkel. Parameer s der cos der as. Seerkennlne enes Wechselsromsellers G. Schenke, 9.4 esngselekronk FB echnk, Ab. E+I 3

7 Be ohmscher as berechne sch de Seerkennlne für den Effekvwer des assromes I eff nach Gl. (3.7). Ieff - sn ( von... ) (3.7) Ieff Be ndkver Belasng berechne sch de Seerkennlne für den Effekvwer des assromes I eff nach Gl. (3.8). I eff cos sn cos ( von... ) (3.8) Ieff Manchmal wrd ach de Seerkennlne für den Melwer des assromes I AV angegeben. Be ohmscher as gl: IAV cos ( von... ) (3.9) I AV Für den Melwer des assromes I AV gl be ndkver as : IAV sn - cos ( von... ) (3.) I AV Sellen von Drehsrom Für das Sellen von drephasgen Sromsysemen m Halbleerschalern gelen ähnlche Bedngngen we für den enphasgen Wechselsromseller. De Schalngen des Drehsromsellers ensprechen den Halbleerschalngen für das Schalen von Drehsrom. 3 Drehsromseller m ohmsch-ndkver Belasng Der Seerwnkel ensprch weder dem Wnkel zwschen dem lldrchgang der Phasenspannng nd dem zgehörgen Zündmpls. Wegen der Verkeng der dre Phasen snd de Spannngs- nd Sromverhälnsse nch so enfach we bem enphasgen Wechselsromseller. Drch Vergrößerng des Seerwnkels von af 5 be ohmscher as nd von 9 af 5 be ndkver as kann de esngsafnahme ener symmerschen drephasgen as zwschen dem Maxmalwer nd ll geseer werden. Be Seerwnkeln 5 kann ken Srom mehr fleßen, wel n den jewelgen Zündzepnken enes enzelnen Venls alle anderen Venle sperren. I eff,,8 3 I cos = eff,6,4, / cos = (ndkv) S Seerkennlne enes Drehsromsellers G. Schenke, 9.4 esngselekronk FB echnk, Ab. E+I 33

8 Blnd- nd Verzerrngslesng Be der Anschnseerng reen sowohl bem Wechselsromseller als ach bem Drehsromseller nchsnsförmge assröme af. Perodsche nchsnsförmge Größen können nach Forer n Grnd- nd Oberschwngngen zerleg werden. Be deser Zerlegng ergb sch ene Grndschwngng des Sromes defnerer Amplde nd Phase nd ene ehe von Harmonschen höherer Ordnngszahl, deren Freqenz en Velfaches der Grndfreqenz s. Be ohmscher as nd konsanem Seerwnkel besz der perodsche Srom ene Grndschwngng, deren Amplde nd Phasenlage nach Forer berechne werden kann. De Grndschwngng des Sromes el gegenüber der Spannng m den Wnkel nach., Spannngs- nd Sromverlaf, Grndschwngngssrom nd dessen Wrk- nd Blndkomponene bem Wechselsromseller m ohmscher as Im Wechselsromnez r bem Seerwnkel ach be ohmscher as ndkve Grndschwngngsblndlesng Q af. Q U I sn (3.) Der Grndschwngngssrom läss sch n ene Wrkkomponene P nd n ene Blndkomponene Q zerlegen. Für den Scheelwer der Wrkkomponene gl: î î P î sn d - sn cos (3.) Für de Scheelwer der Blndkomponene gl: î î Q î sn cos d - sn (3.3) P Q As Wrk- nd Blndkomponene erhäl man den Phasenwnkel der Grndschwngng. îq sn - arcan arcan (3.4) îp - sn cos Aßer der Grndschwngngsblndlesng Q r ene Verzerrngslesng D af. De Wrklesng P läss sch nach Gl. (3.5) berechnen. P U I cos (3.5) De nch lneare Charakersk des Halbleerschalers rf an ener ohmschen as Grndschwngngsblndlesng Q nd Verzerrngslesng D hervor, de sch z jedem Zepnk ergänzen. Für de echengrößen Q nd D gl be jedem Seerwnkel de Bezehng Q D. In der esngselekronk ha der esngsfakor ene besondere Bedeng. P U I cos g cos (3.6) S U I Zwschen dem Grndschwngngsgehal g nd dem Klrrfakor k des Sromes beseh de Bezehng: I g - k (3.7) I G. Schenke, 9.4 esngselekronk FB echnk, Ab. E+I 34

9 Für de esngen gl: S P Q D m D S k (3.8) Anwendng der Phasenanschnseerng: Drehzahlversellng von üfermooren, Ersaz von Sellransformaoren, Hellgkesseerng be ampen, Drehzahlversellng be Unversalmaschnen. Schwngngspakeseerng Be der Schwngngspakeseerng wrd während der normalen Berebsze der angeschaleen as sändg m enem llpnkschaler "En" nd "As" geschale. Enschaldaer E nd Pasendaer P können dabe so veränder werden, dass m Idealfall de von der as afgenommene esng von % bs % versell werden kann. E P P E max Pmax (3.9) E P S E P S ezspannng nd assrom be der Schwngngspakeseerng Be der konaklosen Seerng von Hezngen wrd de Schwngngspakeseerng häfg engesez. Es ergeben sch folgende Vorele: Gernge Fnksörngen drch Verwendng enes llspannngsschalers. Grndschwngngsverschebngsfakor cos =, wel her de sons be Verwendng der Phasenanschnseerng afreende Grndschwngngsblndlesng Q enfäll. r gernge Oberschwngngsbelasng des ezes, es ensehen her Unerschwngngen bezogen af de ezfreqenz, da der assrom m Enzsand des Schalers praksch snsförmg verläf. Zr Begrenzng der ezrückwrkngen (VDE 636) dürfen n Hashals-Drehsrom-ezen esngen bs max. 3 kw drek angeschlossen werden. Be der harmonschen Analyse des assromes werden de FOUIE-Koeffzenen baserend af der Wederholfreqenz / S, welche de Grndfreqenz für de harmonsche Analyse darsell, berechne. De ezfreqenz s be der harmonschen Analyse egenlch ene Oberschwngng. Da Wrklesng nr m der 5-Hz-Komponene des Sromes nd der snsförmgen ezspannng geblde werden kann, wrd de 5-Hz-Komponene des Sromes weerhn als Grndschwngng behandel nd alle nedrgeren Freqenzen der harmonschen Analyse z Unerschwngngen nd alle höheren Freqenzen z Oberschwngngen. G. Schenke, 9.4 esngselekronk FB echnk, Ab. E+I 35