Thyristor-Stromrichter - Beschreibung
Im Grunde besteht ein Thyristor-Stromrichter aus den folgenden Komponenten:
- Halbleiter-Leistungsbauelemente (Thyristoren oder Dioden),
- Steuerschaltung, die üblicherweise als Zündschaltung bezeichnet wird,
- Vorrichtung zur Ableitung der Wärme, die durch die Halbleiter-Bauelemente erzeugt wird,
- Schutzschaltungen (Sicherungen und Spannungsbegrenzer).
- Zeitsteuerung. Besonders für Anwendungen, in denen induktive Lasten wie Transformatoren zum Einsatz kommen, ist zwingend untersagt, dass Gleichstrom an die Last angelegt wird. Selbst Gleichstromanteile in den Sekundärschaltungen können zur Überhitzung von Versorgungstransformatoren führen. Daher muss die Einschaltzeit der gegeneinander geschalteten Thyristoren exakt gleich sein. Moderne Schaltungen nutzen fortschrittliche digitale PLL-Verfahren, die für elektrisches Rauschen und wechselnde Spannungen, wie sie häufig in industriellen Produktionsumgebungen angetroffen werden können, nicht anfällig sind.
- Elektrische Isolierung. Das Steuersignal muss von der Versorgungs- und Belastungsspannung isoliert werden. Ferner müssen die Schaltungen, die die Signale zu den Thyristor-Gates regeln, sehr gut isoliert sein, um einem falschen Einschalten der Thyristoren vorzubeugen.
Der Thyristor
Das Herzstück des Thyristor-Stromrichters ist, der Thyristor.
Der Thyristor kann zwei Zustände aufweisen, AN oder AUS, und ist für Strom in nur einer Richtung durchlässig.
Thyristoren können im ausgeschalteten Zustand verbleiben, selbst wenn ein Potential von mehreren tausend Volt anliegt. Im eingeschalteten Zustand können sie mehrere tausend Ampere führen. Wenn ein geringes Signal zwischen den Klemmen von Gate und Kathode angelegt wird, wird der Thyristor innerhalb von drei Mikrosekunden leitend geschaltet. Einmal eingeschaltet, bleibt der Thyristor an, bis der durch ihn fließende Strom auf einen sehr geringen Wert reduziert wird, den so genannten Haltestrom.
Da der Thyristor Strom in nur einer Richtung passieren lässt, werden zur Steuerung von Wechselstrom zwei Thyristoren antiparallel miteinander verschaltet.
Es gibt drei Thyristor-Bauformen: die Scheibenzelle, das Modul und den Schraubsockel.
In modernen Thyristor-Stromrichtern kommen im Allgemeinen Scheibenzellen oder Module zum Einsatz.
Thyristor-Stromrichter - Bauform Scheibenzelle:
Die Scheibenzelle ist eine Bauform, die im Wesentlichen an die Form eines Eishockey-Pucks erinnert. Die Form bietet eine hervorragende Kühlung des Halbleitermaterials und wird häufig in Anwendungen mit höheren Strömen genutzt.
Modul:
Das Thyristor-Modul ist eine Bauform, bei der die Thyristoren von einem Kunststoffgehäuse mit elektrisch isolierter Montageplatte umschlossen sind. Die Beliebtheit von Thyristor-Modulen nimmt immer mehr zu und Module mit den verschiedensten Thyristor-Konfigurationen sind erhältlich. Sie können einfach und ohne großen Kostenaufwand auf einem Kühlkörper montiert werden, weisen gewöhnlich eine hohe Festigkeit gegen Stromstöße auf und bieten eine elektrische Isolierung, die die Montage mehrerer Module auf einem gemeinsamen Kühlkörper erlaubt.
Elektronischer Schaltkreis
Der elektronische Schaltkreis steuert den Betrieb der Thyristoren, wobei die gewünschte Energie, die an eine Last angelegt wird, proportional zum Steuersignal ist.
Wichtige Aufgaben des Schaltkreises sind beispielsweise:
Anforderungen an den Kühlkörper
Thyristoren strahlen pro geführtem Ampere etwa 1,5 Watt in Form von Wärmeenergie ab. Ein Nichtableiten dieser Energie ist eine der häufigsten Ursachen für das Versagen von Thyristoren. Die Zuverlässigkeit der Thyristoren verringert sich mit jedem Anstieg der Halbleiter-Temperatur von 10 °C um etwa 50 %. Andere kritische Parameter wie die dv/dt-Kenngröße und die Sperrspannung nehmen mit steigender Temperatur ebenfalls rapide ab.
Die von einem Thyristor erzeugte Wärme muss abgeleitet werden, und aus diesem Grund verfügen alle Stromrichter über eine Kühlvorrichtung für die Thyristoren. Üblicherweise wird ein Aluminium-Kühlkörper mit Rippen zur Oberflächenvergrößerung für die Ableitung der Energie in die Luft genutzt. Stromrichter mit relativ geringer Strombelastung greifen auf die natürliche Konvektion zurück. Stromrichter mit höheren Belastungswerten sind mit einem Gebläse ausgestattet, dass die Luft über die Rippen bewegt, um die Wärmeableitung zu erhöhen.
Eine Wasserkühlung kommt gelegentlich bei Thyristor-Stromrichtern mit sehr hohen Nennströmen zum Einsatz.