Wechselstromsteller 5-1 5. Wechselstromsteller Wechselstromsteller steuern die Leistung eines Wechselstromverbrauchers an einem Wechselstromnetz. Als steuerbare Halbleiterventile werden für niedrige Leistungen Zweirichtungsthyristoren (TRIAC) und für höhere Leistungen ( bis 2MW ) zwei antiparallel geschaltete Thyristoren verwendet. Das Schalten des Wechselstromstellers erfolgt durch zünden der jeweiligen Ventile. In jeder Halbwelle wird durch eine Steuerelektronik periodisch bei einem bestimmten Zündwinkel α eingeschaltet. Bei Stromnulldurchgang wird selbstständig ausgeschaltet. Der Haltestrom der Ventile wird dabei unterschritten. Je nach Größe des Steuerwinkels α kann die Leistung zwischen Null und Maximalwert gesteuert werden. Man bezeichnet dies als Phasenanschnittsteuerung. Anwendung:
Wechselstromsteller 5-2 5.1 Wechselstromsteller an ohmscher Last Bei ohmscher Belastung sind Strom und Spannung in Phase. Nach dem Zünden der Halbleiterventile springt der Strom auf den Augenblickswert des Dauerstromes und verläuft sinusförmig bis zum Nulldurchgang. Durch Einstellung des Steuerwinkels α kann man die Stromstärke von 0 bis α = 180 bis Null steuern. 5.1.1 Schaltung: V 1 i _1 i _ U V 2 i _2 U_ R Last u L, i u L, i u L, i u L, i
Wechselstromsteller 5-3 In einem Schülerversuch soll die Strom-, Spannungs- und Leistungsmessung am Wechselstromsteller untersucht werden. 5.2 Wechselstromsteller an rein induktiver Last Bei rein induktiver Belastung steigt der Strom nach dem Zünden erst allmählich an und erreicht nach Spannungsnulldurchgang seinen Maximalwert und klingt danach wieder auf Null ab (90 Phasenverschiebung zwischen U und I) Der jeweilige Thyristor leitet solange den Strom, bis der jeweilige Haltestrom unterschritten wird. Es entsteht eine negative Spannungs-Zeitfläche da während der Stromaufnahme Energie in der Spule gespeichert wird und während der Energieabnahme wieder an das Wechselstromnetz abgegeben wird. 5.2.1 Schaltung V 1 i _1 i _ U V 2 i _2 U _ L Last
Wechselstromsteller 5-4 u L, i u L, i u L, i u L, i Man erkennt, dass der Wechselstromsteller die Spannung an einer reinen Induktivität erst ab dem Steuerwinkel 90 beeinflusst werden kann. Bis zu dem Steuerwinkel α = 90 liegt immer die volle Ausgangsspannung an der Induktivität. Es ist also nicht möglich in diesem Bereich die Lastspannung zu beeinflussen. Erst ab dem Steuerwinkel α = 90 ist dies möglich. Beim Steuerwinkel α = 180 ist die Ausgangsspannung und die Stromstärke gleich Null.
Wechselstromsteller 5-5 5.3 Steuerkennlinien des Wechselstromstellers 5.4 Wechselstromsteller an ohmsch-induktiver Last Rein ohmsche Verbraucher sind Öfen und Glühlampen. Motoren und Leuchtstofflampen stellen dagegen immer Ohmsch-induktive Verbraucher dar, bei denen Strom- und Spannung nicht in Phase sind. Meistens liegt der Leistungsfaktor cos! zwischen 0,5 und 0,95. Da der Steuerbereich von dem Induktiven und Ohmschen Anteil abhängig ist, lässt sich keine exakte Steuerkennlinie, sondern nur ein Steuerbereich angeben. Dieser Steuerbereich liegt zwischen den beiden Kennlinien für ohmsche und rein induktive Last. Anwendungsbeispiele: Bohrmaschine, Küchenmaschine, Staubsauger, Dimmer, Waschmaschine usw. In einem Schülerversuch soll die Wirkungsweise eines Gleichstromstellers an einer ohmschinduktiver Belastung untersucht werden untersucht werden. Aufgabe Ein Wechselstromsteller wird an ein 220V / 50Hz - Netz angeschlossen. Wie groß ist bei α = 120 der Leistungsumsatz in einer Last R = 22Ω?
Wechselstromsteller 5-6 5.5 Universalmotor am Wechselstromsteller: Der Universalmotor ist im Prinzip ein Reihenschluβmotor. Er kann sowohl am Gleichstromnetz als auch am einphasigen Wechselstromnetz betrieben werden. Damit ein Betrieb an Wechselspannung möglich ist, müssen verschiedene bauliche Maβnahmen getroffen werden. a) Der Ständer ist aus einzelnen Elektroblechen aufgebaut damit die Wirbelströme klein bleiben. b) Der Widerstand einer Erregerwicklung ist an Wechselspannung gröβer als an Gleichspannung. Deshalb besitzt die Erregerwicklung des Universalmotors eine Anzapfung, die bei Betrieb an Wechselspannung angeschlossen wird. Der Wechselstromwiderstand kann somit durch eine verminderte Windungszahl reduziert werden.
Wechselstromsteller 5-7 5.5.1 Schaltung: Reihenschluβmotoren entwickeln hohe Anlaufmomente. Auβerdem haben sie bei Überlastung ein günstiges Betriebsverhalten. Deshalb werden diese Motoren vorwiegend für schwere Lasten eingesetzt. 5.5.2 Anwendung: - Handwerkzeuge wie Handbohrmaschine, Winkelschleifer usw. - Küchengeräte wie Staubsauger, Mixer usw. Groβe Einphasen- Reihenschlussmotoren werden als Antriebsmotor bei Bahnen eingesetzt. Gleichstrom- Reihenschlussmotoren finden Anwendung bei Bahnen, Elektrofahrzeugen, Hebezeugen und Autoanlassern. In zwei Schülerversuchen sollen die Wirkungsweise eines Universalmotors an Wechselspannung und an Gleichspannung untersucht werden.
Wechselstromsteller 6-1 6. Drehstromsteller (W3C-Schaltung) Man verwendet 3 Wechselstromsteller zum Schalten von Drehstrom. Dabei werden die Thyristoren bei großer Leistung oder TRIAC`s bei kleiner Leistung (einige KW) verwendet. Diese werden antiparallel angeschlossen. Bei Ansteuerung des Drehstromstellers mit Phasenanschnittssteuerung kann der Strom resp. die Spannung und damit die Leistungsaufnahme durch Änderung des Steuerwinkels α stetig verändert wird. Anwendungen: Temperaturregelung von Heizungsanlagen, Helligkeitssteuerung großer Beleuchtungsanlagen, Drehzahlregelung von Drehstrommotoren und in Anlagen wo hohe variable Gleichspannungen benötigt werden. Folgende Kombinationen werden dazu benutzt: Drehstromsteller Transformator Drehstromgleichrichter
Wechselstromsteller 6-2 Steuerstromkennlinie Aus der Steuerkennlinie ist genau zu erkennen bei welchem Steuerwinkel, sei es induktive Last oder ohmsche Last, kein Stromfluss mehr möglich ist.