Steuermodi
Die Leistung, die an eine Last angelegt wird, kann mit einem Thyristor-Stromrichter unter Verwendung der Steuermodi Phasenwinkel oder Nulldurchgang geregelt oder bemessen werden. Jeder Steuermodus bringt seine ganz spezifischen Vor- und Nachteile mit sich, und jede Anwendung sollte auf den geeignetsten Steuermodus geprüft werden.
Phasenwinkel
Bei einer Phasenwinkelsteuerung wird jeder Thyristor des gegeneinander geschalteten Paares für einen veränderbaren Abschnitt der Halbwelle leitend geschaltet. Die Regelung der Leistung erfolgt durch Vor- oder Rückverlegung des Zeitpunktes, zu dem der Thyristor in einer Halbwelle eingeschaltet wird. Lichtdimmer nutzen beispielsweise eine Phasenwinkelsteuerung.
Die Phasenwinkelsteuerung bietet eine sehr feine Leistungsauflösung und wird zur Steuerung schnell ansprechender Lasten wie Wolframlampen oder von Lasten mit temperaturabhängigem Widerstand genutzt. Unbedingt erforderlich ist die Phasenwinkelsteuerung bei transformator-gekoppelten oder induktiven Lasten.
Stromrichter mit Phasenwinkelsteuerung sind normalerweise teurer als solche mit Nulldurchgangsteuerung, da die Phasenwinkelschaltung technisch komplizierter umzusetzen ist. Die Phasenwinkelsteuerung von 3-phasigem Strom erfordert Thyristoren an allen drei gesteuerten Phasen und ist somit beträchtlich teurer als die Nulldurchgangsteuerung, die lediglich Thyristoren an zwei der drei gesteuerten Phasen benötigt.
Nulldurchgang
Der Begriff Nulldurchgang oder synchroner Betrieb von Thyristoren wurde davon abgeleitet, dass die Thyristoren nur eingeschaltet werden, wenn der Momentanwert der Sinuswellenform Null beträgt. Im Nulldurchgangbetrieb wird für eine bestimmte Anzahl aufeinander folgender Halbwellen Leistung angelegt und anschließend für eine bestimmte Anzahl von Halbwellen unterbrochen, um die gewünschte Leistung einer Last in der Art einer mechanischen Schaltvorrichtung zu steuern. Der Unterschied besteht nur darin, dass Thyristor-Stromrichter den Strom immer schalten, wenn der Wert der angelegten Spannung Null beträgt. Die Häufigkeit der EIN-/AUS-Zyklen kann extrem hoch ausfallen, da der Anzahl von Schaltvorgängen, die ein Thyristor ausführen kann, keine Grenzen gesetzt sind.
Nulldurchgang-Stromrichter können zwei äußerst unterschiedliche Steuerungsarten bieten. Das Schalten hoher Ströme kann zu Schwankungen der Leitungsspannung führen, die Beleuchtung oder andere Geräte beeinträchtigen können. Um diesem Effekt entgegen zu wirken, wird in einigen Fällen die Zeit-Steuerung genutzt. Nachteil hierbei ist das Anlegen von Strom in längeren Impulsen, was wiederum zu Problemen in der Steuerung und der Verkürzung der Lebensdauer einer Last führen kann.
Die Verteilungssteuerung ist gewöhnlich weniger kostenintensiv, bietet viel höhere Taktzahlen und somit eine bessere Steuerbarkeit und eine erhöhte Lebensdauer der Last. Ferner kann sie für viel schneller ansprechende Lasten verwendet werden als die Zeit-Steuerung.
Nulldurchgang zeitgesteuert
Die Zeit-Steuerung wird mit Hilfe einer festen oder konstanten Zeitbasis erreicht. Somit entsprechen die Gesamtzeiten, für die der Strom ein- und ausgeschaltet wird, immer einem festen Wert.
Beträgt die Zeitbasis beispielsweise 10 Sekunden und die gewünschte Leistung 50 %, wird der Strom für fünf Sekunden angelegt und für fünf Sekunden unterbrochen. Betrüge die gewünschte Leistung 25 %, dann würde der Strom für 2,5 Sekunden angelegt und für die verbleibende Zeit von 7,5 Sekunden ausgeschaltet.
Der Nachteil der Zeit-Steuerung besteht besonders bei der Erhöhung der Zeitbasis darin, dass die Betriebstemperatur der Last in eingeschaltetem und ausgeschaltetem Zustand erheblich schwankt. Dies kann die Lebensdauer der Last verkürzen und die Erreichung einer präzisen Prozesssteuerung behindern.
Nulldurchgang verteilungsgesteuert
Die Verteilungssteuerung nutzt keine konstante Zeitbasis wie die Zeit-Steuerung. In dem von Control Concepts, Inc. genutzten Verfahren wird bei einer Leistung von 50 % für drei elektrische Zyklen Strom an die Last angelegt und für drei elektrische Zyklen unterbrochen.
Bei geringeren Leistungsanforderungen legt der Stromrichter für drei elektrische Zyklen Strom an und unterbricht ihn dann für die angemessene Anzahl elektrischer Zyklen. Bei einer Leistung von 25 % beispielsweise wird der Stromrichter für drei elektrische Zyklen eingeschaltet und für neun ausgeschaltet bzw. für drei von 12 elektrischen Zyklen eingeschaltet.
Bei höheren Leistungsniveaus wird der Stromrichter für drei elektrische Zyklen ausgeschaltet und dann für die angemessene Anzahl elektrischer Zyklen eingeschaltet. Bei einer Leistung von 75% beispielsweise wird der Stromrichter für neun elektrische Zyklen ein- und für drei ausgeschaltet.
Die Verteilungssteuerung von Control Concepts, Inc. verbindet kurze Stromimpulse miteinander, um das exakte Leistungsniveau proportional zum Steuer- oder Sollwertsignal zu erreichen. Für eine Leistung von 60 % werden zum Beispiel zwei Stromimpulse miteinander verbunden. Der erste Stromimpuls besteht aus vier EIN- und drei AUS-Zyklen; der zweite Stromimpuls besteht aus fünf EIN- und drei AUS-Zyklen, womit auf 15 Zyklen neun EIN-Zyklen entfallen.
Diese schnellen, kurzen Impulse wären natürlich mit mechanischen Schaltschützen nicht umsetzbar. Die Nulldurchgangsteuerung ist typischerweise kostengünstiger als eine Phasenwinkelsteuerung und erzeugt weniger Oberschwingungen. Sie kann jedoch nur für die Regelung von Strom an ohmschen Lasten genutzt werden, die sich nicht mit der Temperatur oder über die Zeit ändern und direkt gekoppelt sind (kein Transformator zwischen Thyristor-Stromrichter und Last).
Die Nulldurchgangsteuerung von hohen Stromniveaus kann Schwankungen der Versorgungsspannung verursachen, was wiederum zum Flackern der Beleuchtung oder anderen Problemen führt und die Überhitzung von Transformatoren, die Stromrichter und Last versorgen, nach sich ziehen kann.