Sanftes Starten

Thyristormodul - Von Halbleitern für Sanftanlaufgeräte wird viel erwartet: Sie müssen robust sein, denn die Temperatur des Chips schwankt, und sie müssen zuverlässig sein bezüglich Lastwechsel. Diese Eigenschaften verlängern die Lebensdauer.

09. Oktober 2006

Speziell für Sanftanlaufgeräte hat Semikron das antiparallele Thyristormodul ›Semistart‹ entwickelt. Durch beidseitige Kühlung der Thyristorchips erreicht es einen um die Hälfte geringeren thermischen inneren Widerstand als herkömmliche modulare Bauelemente. Das kompakte Modul ist mit der bewährten Druckkontakttechnologie aufgebaut und bietet deshalb eine zuverlässige Lösung für hohe Anlaufströme, die während des Startvorganges bei Asynchronmotoren fließen. In der Antriebstechnik wird hauptsächlich die Drehstromasynchronmaschine als Antriebsmotor eingesetzt. Die Vorteile dieses Motors sind seine robuste Bauform, er ist wartungsarm und kosteneffektiv. Für den Motorstart haben sich drei Arten bewährt: Direktstart, Stern-Dreieck-Start und Sanftstart. Mit dem Direktstart einer Drehstromasynchronmaschine sind ein sehr hohes Anlaufdrehmoment und ein hoher Anlaufstrom verbunden. Das hohe Anlaufdreh­moment kann zu mechanischen Schäden führen, beispielsweise kann das Förderband, das durch die Drehstromasynchronmaschine angetrieben wird, zerreißen. Der hohe Anlaufstrom kann zu Spannungseinbrüchen im Netz führen. Je größer die Antriebsmaschine dabei ist, desto stärker sind natürlich diese Merkmale ausgeprägt.

Einfach, aber schlecht geregelt

Diesen unerwünschten Merkmalen kann man entgegenwirken, indem die Spannungsversorgung des Asynchronmotors während der Startphase geregelt wird. So kann der Anlaufstrom und folglich auch das Anlaufmoment begrenzt werden.

Eine einfache Lösung ist die Stern-Dreieckschaltung. Dabei werden die Ankerwicklungen des Motors während des Hochlaufs zuerst in Sternschaltung verschaltet, nach dem Hochlauf werden die Wicklungen dann im so genannten Dreieck verschaltet. Dadurch beträgt die Spannung an den einzelnen Ankerwicklungen während des Hochlaufes den dreifach kleineren Wert. Diese Schaltung wird in der Regel durch einen mechanischen Schalter oder mittels einer Schützschaltung realisiert. Da es nur zwei Schaltstufen gibt (Stern und Dreieck), kann aber weniger von ›regeln‹ die Rede sein. Außerdem ist diese Lösung nicht wartungsarm, da die Kontakte der mechanischen Schalter durch Funkenbildung verschleißen und erneuert werden müssen.

Geregelter Sanftstart

Um die Spannungsversorgung des Asynchronmotors während der Startphase zu

regeln, ist ein Sanftanlaufgerät notwendig. Die Spannungsregelung dieses »Softstarters« wird mit Halbleitern (Thyristoren) realisiert. Zwischen den Motorwicklungen und dem Netz werden zwei antiparallel verschaltete Thyristoren in Reihe geschaltet. Die Spannung an den Motorwicklungen wird dann mittels Phasenanschnittsteuerung während des Hochlaufes geregelt. Je nach eingestellten Zündwinkel “ können das das Anlaufmoment und der Anlaufstrom auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass zusätzlich auch die Anlaufzeit geregelt werden. Der Strom, der durch die Halbleiter fließt, erzeugt in den Halbleitern eine Verlustleistung. Diese Verlustleistung erwärmt die Halbleiter. Deshalb müssen die Halbleiter gekühlt werden. Damit nach dem Hochlauf der Anlage nicht weiterhin Verlustleistung in den Halbleitern produziert wird, werden diese durch einen mechanischen Schalter (Bypass) überbrückt. Da der Bypassschalter keine großen Leistungen schaltet, kann dieser entsprechend klein ausgelegt werden. Auch die Kontakte des Bypasses »brennen« nicht ab. Da die Anlage bereits hochgefahren wurde, ist kein großer Spannungsabfall vorhanden, den die Kontakte des Bypassschalters schalten müssen. Lediglich der Spannungsabfall, der sich aus dem mechanischen Aufbau ergibt und der Spannungsabfall an den gezündeten Thyristoren ist noch vorhanden. Somit wird keine große Leistung geschaltet. Ein Sanftanlaufgerät ist deshalb wartungsarm.

Hohe Ansprüche an den Halbleiter

Sanftanlaufgeräte sollen möglichst kompakt, preiswert und hundertprozentig zuverlässig sein. Deshalb sind auch die Ansprüche an die Halbleiter sehr hoch gesteckt. Der Anlaufstrom während der Startphase der Anlage beträgt trotz Sanftanlaufgerät immer noch ein vielfaches des Nennstromes (drei- bis fünffach). Bei großen Anlagen beträgt der Anlaufspitzenstrom oft mehrere 1.000 Ampere. Die verwendeten Halbleiter müssen deshalb in der Lage sein, diesen hohen Anlaufstrom während der Startphase zu führen. Gleichzeitig soll aber das Sanftanlaufgerät möglichst kompakt und kostenoptimiert sein. Deshalb müssen die verwendeten Halbleiter inklusive der zugehörigen Kühlung möglichst klein sein. Aus Kostengründen werden in der Praxis deshalb Thyristor-Bauelemente eingesetzt, deren Nennstrom deutlich niedriger ist als der hohe Anlaufstrom der Anlage. Deshalb erwärmen sich die Chips der verwendeten Thyristorbauelemente während der kurzen Startphase stark, z.?B. von TStart=40?°C auf THochlauf=130?°C. Daraus ergibt sich eine Temperaturdifferenz des Chips von 90 K. Wenn eine Anlage dreimal pro Stunde eingeschaltet wird, und das an acht Stunden pro Tag, an 365 Tagen pro Jahr, ergeben sich 87.600 Lastwechsel nach zehn Jahren. Diese Thyristoren müssen dennoch Jahrzehnte lang diesen Überlaststrom während der Startphase führen können. Für Sanftanlaufgerätehersteller war es bisher schwer, optimale Halbleiter für ihre Geräte auf dem Markt zu finden. Es war also höchste Zeit, das antiparallele Thyristormodul Semistart zu entwickeln.

Halbleiter-Thyristormodule

Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, einen Siliziumchip in einem Bauelement einzubauen und zu kontaktieren. Oft wird der Siliziumchip in vielen Modulen beidseitig (anoden- und kathodenseitig) gelötet, das Modul wird aber nur einseitig gekühlt. Die entstehende Wärme wird nur einseitig über die Grundplatte zum Kühlkörper abgeführt. Besonders problematisch sind die unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der einzelnen Komponenten, die in einem Thyristorbauelement verwendet werden. Bei gelöteten Modulen haben Silizium (Thyristorchip), Lot und das Kupfer (Hauptanschlüsse) unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten. Aufgrund dieser unterschiedlichen Koeffizienten ermüdet das Lot, das den Chip mit dem Kupferanschluss verbindet, durch den Lastwechselbetrieb. Die Lotschicht laminiert, d.?h. die Lotschicht bekommt feine Haarrisse. Die Ermüdung der Lotschicht erhöht den thermischen Widerstand und die Chiptemperatur steigt bis der Chip ausfällt. Im Gegensatz zu gelöteten Modulen wird beim Druckkontakt der Chip zwischen den Hauptanschlüssen nur mittels ›Anpressdruck‹ kontaktiert. Der Chip wird nicht

gelötet, sondern nur durch sehr hohen Anpressdruck von mehreren kN zwischen den Hauptanschlüssen gehalten. In der Praxis zeigt sich, dass bei größeren Leistungen (Nennströme >?200 A) die Lastwechselfestigkeit druckkontaktierter Bauelemente deutlich besser ist aufgrund der fehlenden Lotverbindungen. Deshalb empfiehlt Semikron druckkontaktierte Bauelemente für Sanftanlaufgeräte mit größeren Nennströmen. Die Druckkontakttechnologie wird auch beim Semistart eingesetzt.

Sanftes Einschalten mit Semistart

Ein Semistart-Modul besteht aus zwei antiparallelverschalteten Thyristoren, die bereits zwischen Kühlkörpern montiert worden sind. Die Kühlkörper dienen gleichzeitig als elektrische Hauptanschlüsse. Die Semistart-Modulreihe hat Semikron spe­ziell für Sanftanlaufgeräte entwickelt. Das Kontaktierungsprinzip des Chips basiert auf Druckkontakttechnologie. Bei dem Semistart-Modul werden zwei Thyristorchips, die antiparallel verschaltet sind, zwischen zwei Kühlkörpern ›gedrückt‹. Es befinden sich keine Lotschichten in dieser Aufbau- und Verbindungstechnik. Deshalb sind die Semistart-Module sehr Lastwechselfest und haben somit eine lange Lebensdauer. Semikron hat die Kühlkörper des Semistart-Moduls genau auf die Chipgröße und für Sanftanlaufgeräte dimensioniert. Das macht die Bauform kompakt. Im Gegensatz zu den anderen Bauelementen ist der gesamte Wärmeübergangswiderstand zwischen Thyristorchip und Kühlkörper deutlich geringer. Da die Chips direkt zwischen zwei Kühlkörpern gedrückt und beidseitig gekühlt werden, gibt es nur geringe Wärmeübergangswiderstände. Das ist ein weiterer Grund für die deutlich kleinere Bauform als für vergleichbare Stromstärken üblich. Die Module sind einfach zu montieren. Besondere Spannvorrichtungen wie bei der Montage von Scheiben-Thyristoren werden nicht benötigt - ebensowenig Wärmeleitpaste, wie sie für die Montage von Modulen gebraucht wird.Natürlich können Semistart-Module auch in anderen Anwendungen, zum Beispiel Schutzschaltungen, eingesetzt werden. Es gibt drei unterschiedliche Baugrößen und insgesamt fünf verschiedene Stromklassen. Der Strombereich reicht von 500 A bis hin zu 3.000 A für eine maximale Bestromungszeit (Hochlaufzeit) von 20 Sekunden. Die verwendeten Thyristoren haben eine maximale Sperrspannung von 1.800 V.

Ralf Herrmann und Norbert Schäfer, Semikron

KOMPAKT

- Der Markt der Sanftanlaufgeräte wird in den nächsten Jahren wachsen

- Sanftanlaufgeräte sind besonders wartungsarm

- SIe arbeiten zuverlässig

- Sind energiesparend

- Sie regeln das Anlaufmoment und die Anlaufzeit

- Semistart-Module haben darüber hinaus Vorteile gegenüber herkömmlichen Sanftstartlösungen

- Sie haben kompaktes, Platz sparendes Design

- Besserer Wärmeübergangswiderstand zwischen Halbleiterchip und Kühlkörper aufgrund weniger Wärmeübergangswiderstände

- Sehr hohe Zuverlässigkeit durch reine Druckkontakttechnologie. Es ist keine Lotschicht vorhanden

- Kühlkörper muss nicht dimensioniert werden

- Einfache Montage: keine besondere Spannvorrichtung notwendig.

Erschienen in Ausgabe: 07/2006