7.3.3.3 Gesteuerter Brückengleichrichter bei induktiv-ohmscher Last ...

7.3 Betrachtungen zur Leistungselektronik 147
7.3.3.3 Gesteuerter Brückengleichrichter bei induktiv-ohmscher Last
Die Schaltung nach Bild 7-37 zeigt eine
vollgesteuerte Zweipuls-Brücken-Gleichrichterschaltung
B2C mit ohmsch-induktiver
Last. Für ohmsche Last ergibt sich das
Liniendiagramm nach Bild 7-38.
Bild 7-37 Vollgesteuerte B2C-Gleichrichterschaltung
mit RL-Last
U
U o
U 60
α Θ α Θ
α =60°
Bild 7-38 Liniendiagramm zu Bild 7-37 bei
ohmscher Last ( α = 0°; α = 60°)
Bei einem Phasenanschnittwinkel α = 0° ergibt sich die Spannung U o mit dem
arithmetischen Mittelwert U AV, wie er für eine ungesteuerte B2-Schaltung typisch ist.
Bei einem Phasenanschnittwinkel α = 60° ergibt sich die Spannung U 6o mit dem
arithmetischen Mittelwert U AV, der deutlich unter dem Wert für eine ungesteuerte B2-
Schaltung zurückbleibt. Man kann also über den Anschnittwinkel den Wert der Gleichspannung
steuern.
Für eine ohmsch-induktive Last und einem Phasenanschnittwinkel α = 120° ergibt sich
das Liniendiagramm nach Bild 7-39. Der Gleichstrom I d erreicht nicht die Stromkurve
des eingeschwungenen Stromes I und somit ist der Strom im 1. Stromweg bereits erloschen,
wenn der 2. Stromweg zündet. Als Folge treten Stromlücken auf, deren Breite
von den Werten der Last und dem Phasenanschnittwinkel abhängen.
U,I
I
α =120°
U 2
I d
360°
Bild 7-39 Liniendiagramm B2C-Schaltung mit
α = 120°
ω t
U,I
α = ϕ
I=I d
U 2
Bild 7-40 Liniendiagramm B2C-Schaltung α = ϕ
Wird der Phasenanschnittwinkel α gleich dem Phasenverschiebungswinkel ϕ , so ergibt
sich ein Liniendiagramm nach Bild 7-40. Der Gleichstrom I d besteht aus Sinusbögen, die
Stromlücken sind auf Null geschrumpft. Eine weitere Verkleinerung der Phasen-
ω t
U AV
ω t
U AV
ω t
ω t

148 7 Elektronische Antriebstechnik
anschnittwinkel führt zur Überschneidung der Stromverläufe, d. h. zum nichtlückenden
(kommutierenden) Betrieb nach Bild 7-41.
Auswahlkriterien: U RRM = 2 · U2 = US periodische Spitzensperrspannung
I FAVM = 2 · ID = 2 · IL /2 periodischer Spitzendurchlassstrom
Geht der Laststrom von einem Stromweg auf einen anderen Stromweg über, ohne dass
vorher der Strom im abgebenden Ventil Null geworden ist, so bezeichnet man diesen
Vorgang als Kommutierung. Je nach Ursache spricht man von netzgeführten oder lastgeführten
Stromrichtern; zusammen bilden sie die Gruppe der fremd geführten Stromrichter.
Die Ausgangsspannung U d des vollgesteuerten B2-Stromrichters (B2C) hängt nicht nur
vom Phasenanschnittwinkel α , sondern auch von der Lastart ab.
Bei den Lastarten unterscheide man zwischen Widerstandslast, induktiver Last und aktiver
Last. Unter aktiver Last ist das Betreiben eines Stromrichters auf eine Gegenspannung
(Akkumulator oder induzierte Spannung U o eines Gleichstrommotors) zu verstehen.
Die lastabhängigen Steuerkennlinien nach Bild 7-42 beschreiben das Verhältnis von gesteuerter
Gleichspannung U d α zu ungesteuerter Gleichspannung U do bei verschiedenen
Lastarten. Man erkennt, dass die Ausgangsspannung U d α bei idealer induktiver Last bei
einem Phasenanschnittwinkel α = 90° zu Null wird. Wird der Phasenanschnittwinkel
α > 90° bei aktiver Last, so geht der B2-Stromrichter (B2C) in den lastgeführten
Wechselrichterbetrieb über. Dieser Vorgang ist wichtig und wird an der M3C-Gleichrichterschaltung
erläutert.
U/V
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
0 10 20 30 40 t/ms 50
I /mA
1
8 20
u 1
i 1
Bild 7-41 B2C-Schaltung bei α = 0° mit Stromglättung durch
ohmsch-induktive Last
Die Gleichspannung errechnet sich
• bei ohmscher Last
10
0
-10
-20
0
-1,0
α
Θ
1,0
U d α
U do
0,5
-0,5
Induktive Last
U S
U AV
U AVα = U diα = ( 1 + cosα
) U AVα = U diα = 1( + cosα
)
π
2
• bei ohmsch-induktiver Last
( δ = α → lückfreier Betrieb)
Widerstandslast
Aktive Last
Induktive Last
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180
180 165 150 135 120 105 90 75 60 45 30 15 0
Bild 7-42 Steuerkennlinien einer B2C-
Schaltung
Gleichrichterbetrieb
Wechselrichterbetrieb

7.3 Betrachtungen zur Leistungselektronik 149
2 S
U S
U
U AVα = U diα = (cosδ
+ cosα
) = 2 cosα
2 π
π
U = =
AVα
U diα
U AV
cosα
lückender Betrieb, wenn α > ϕ
nicht lückender Betrieb, wenn α ≤ ϕ
Ventilspannung U RRM > 1,1 · k · US
Ventilstrom I T = IAV /2
Bild 7-43
Halb gesteuerter Stromrichter
(B2HK)
Halbgesteuerte Stromrichter entsprechend den Schaltungen in Bild 7-43 (B2HK) und in
Bild 7-44 (B2HZ) können nur als Gleichrichter eingesetzt werden, da die Dioden zu
bestimmten Zeiten wie Freilaufdioden wirken, so dass die Polarität der Gleichspannung
U d nicht negativ werden kann, reduzieren jedoch die Blindleistung um die Hälfte. Für die
Drehzahlsteuerung von Gleichstrommotoren geringer Leistung ohne Nutzbremsung
können diese Schaltungen verwendet werden.
Die Gleichspannung (arithmetischer Mittelwert) errechnet sich zu
U AV
U AVα
=
U di
=
U diα
= 0 , 9 U
2
U
=
2
AV
1( + cosα
)
7.3.3.4 Gesteuerte Dreipulsmittelpunktschaltung bei
induktiv-ohmscher Last
Bild 7-44
Halb gesteuerter Stromrichter
(B2HZ)
Bei großen Gleichstromleistungen wird der Gleichstrom dem Drehstromnetz entnommen.
Hier sollen nur beispielhaft die M3C-Gleichrichterschaltung (vollgesteuerte Dreipulsmit-

150 7 Elektronische Antriebstechnik
telpunktschaltung) und die vollgesteuerte Sechspulsbrückengleichrichterschaltung (B6C)
besprochen werden.
Bild 7-45 zeigt eine M3C-Schaltung mit ohmsch-induktiver Last an einem Dy-Transformator
mit herausgezogenem Sternpunkt. Bei einem Phasenanschnittwinkel α = 0° arbeitet
diese Schaltung quasi als ungesteuerter Gleichrichter M3 (Thyristoren durch Dioden
ersetzt).
Es ist immer das Stromventil leitend, dessen Anoden-Katoden-Spannung das positivste
Potenzial besitzt. Bei idealer Stromglättung ergeben sich Stromblöcke mit einer Länge
von 120°, während die Gleichspannung U d nur eine sehr geringe Welligkeit aufweist.
Bild 7-45
Vollgesteuerte Dreipulsmittelpunktschaltung
M3C mit
ohmsch-induktiver Last
Bei rein ohmscher Last können die Thyristoren V1 bis V3 erst 30° nach dem Nulldurchgang
der Sternspannungen gezündet werden, da erst dann die Ventilspannungen
positiv werden. Ein Impulssteuergerät muss je Periode drei um 120° phasenverschobene
Impulse an die Gates liefern.
Bei einem Phasenanschnittwinkel α ≤ 30° arbeitet diese Schaltung bei ohmscher Last
nach Bild 7-46 im nichtlückenden Betrieb, bei einem Phasenanschnittwinkel 30° ≤ α ≤
150° dagegen im lückenden Betrieb.
U d
30°
α
150°
180° 360°
Bild 7-46
M3C-Schaltung bei nichtlückendem Betrieb
ω t
U d
30°
α
180° 360°
Bild 7-47
M3C-Schaltung bei lückendem Betrieb
Ist die Induktivität L nach Bild 7-45 ausreichend groß, so wird I d vollständig geglättet
und es treten keine Lücken auf.
Die Gleichspannung errechnet sich
• bei nicht lückendem Betrieb und ohmscher Last für 0° ≤ α ≤ 30°
U
AVα
3 3 U S
= U diα
= cosα
= U
2 π
AV
⋅ cosα
ω t

7.3 Betrachtungen zur Leistungselektronik 151
• bei lückendem Betrieb und ohmscher Last für 30° ≤ α ≤ 150°
3 U S
U AV
U AVα = U diα =
α
2 π
3
[ 1+
cos( α + 30°
) ] = [ 1+
cos( + 30°
) ]
• bei ohmsch-induktiver Last und lückfreiem Betrieb
(vollständig geglätteter Strom aufgrund der Glättungsdrossel)
U AVα
3 U S
= U diα = cosα
= U
2 π
AV
⋅ cosα
Auswahlkriterien: U RRM = 6 ◊ U S
periodische Spitzensperrspannung
URRM > 1,1 · k · √ 6· US
I FAVM = 2◊ ID = 2 ◊ IL/3
periodischer Spitzendurchlassstrom
Bild 7-48 zeigt den Verlauf von U d (ω t) bei α 1 = 0°, α 2 = 30°, α 3 = 60° und α 4 = 90° im
Gleichrichterbetrieb. Die Spannung Ud α wird bei α 4 = 90° zu Null.
Bei gleicher Richtung von Strom und Spannung wird eine Gleichstrommaschine als
Motor betrieben. Wird der Phasenanschnittwinkel α > 90°, so wird die Spannung U d α
negativ.
Nun kann sich zwar die Spannung U d α umpolen, nicht jedoch der Strom I d aufgrund der
Stromventile. Die Schaltung geht in den Wechselrichterbetrieb über.
Die bestehenden Strom- und Spannungsverhältnisse sind nur möglich, wenn die angeschlossene
Last eine aktive Last ist. Bei unterschiedlichen Richtungen von Strom und
Spannung wird die Gleichstrommaschine als Generator betrieben. Die nunmehr von der
Maschine im Bremsbetrieb erzeugte Energie wird ins Netz zurückgespeist (Nutzbremsung).
Die Schaltung funktioniert nur in dieser Weise, wenn weiterhin das Dreistromnetz angeschlossen
ist, da durch diese das periodische Schalten der Thyristoren mitbestimmt wird.
Es handelt sich hier um einen netzgeführten Wechselrichter.
Aufgrund der nicht unendlich kurzen Kommutierungszeit und der Freiwerdezeit der
Stromventile kann der Phasenanschnittwinkel nicht auf α = 180° ausgedehnt werden. Bei
Erreichen der sog. Wechselrichtergrenze erlangen die Thyristoren ihre Sperrfähigkeit
nicht rechtzeitig wieder, so dass mehrere Thyristoren gleichzeitig noch leitend sind.
Dieser Umstand soll hier nicht weiter vertieft werden.
U
30°
Gleichrichterbetrieb
Wechselrichterbetrieb
α =0° α =30° α =60° α =90° α =120° α =150°
1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1
Bild 7-48 Verlauf der Verbraucherspannung bei verschiedenen Phasenanschnittwinkeln und Übergang vom
Gleichrichter- in den Wechselrichterbetrieb
ω t

152 7 Elektronische Antriebstechnik
Das Erreichen der Wechselrichtergrenze führt zu einem sprungartigen Verändern der
Ausgangsspannung, wie in Bild 7-48 für α = 165° dargestellt ist.
Dieser Vorgang wird Wechselrichterkippen genannt. Der maximale Anschnittwinkel
wird häufig auf α max = 150° durch den Betreiber eingestellt.
U d α
U U U
L1N L2N L3N
α =120° 120° 135° 150° 165°
ω t
Bild 7-49
Fremdgeführter Wechselrichterbetrieb
mit Kippvorgang
bei α = 165°
7.3.3.5 Gesteuerte Drehstrombrückenschaltung bei induktiv-ohmscher Last
Die vollgesteuerte Sechspulsbrückenschaltung B6C nach Bild 7-50 ist auch hinsichtlich
Welligkeit und Transformatortypenleistung vorteilhafter als die M3C-Schaltung. Da hier
ein Sternpunkt nicht erforderlich ist (in der Schaltung nach Bild 7-45 führt er den
gesamten Strom I d ) wird diese Schaltung bei höheren Leistungen fast immer verwendet.
Bild 7-50
Vollgesteuerte B6C-Schaltung
mit ohmsch-induktiver Last
Die lastabhängige Steuerkennlinie eines B6C-Stromrichters zeigt Bild 7-51. Die Steuerkurven
bei rein induktiver bzw. ohmscher Last liegen in weiten Bereichen übereinander.