Drehstrom Gleichrichtschaltungen

In der Ausbildung zur Radio-Fernsehtechnik oder Kommunikationselektronik wurden Themen im Bereich des Dreiphasen-Drehstroms eher nicht behandelt. Im Kfz-Bereich und der Ausbildung zum Kfz-Mechatroniker ist diese Thematik aufgrund der Drehstromgeneratoren und der Gleichrichtung für das DC-Bordnetz aktueller. In meinem Webprojekt werde ich nur einen kurzen Überblick über die ungesteuerte Gleichrichtung des Dreiphasenstroms geben. Die einfachste Variante ist die M3-Dreipulsgleichrichtung, die aber kaum angewendet wird. Üblich ist die Brückenschaltung B6. Sie könnte aufwändiger auch als Parallelschaltung von zwei M3-Schaltungen als 6-Puls-Mittelpunktsschaltung M6 an der Sekundärseite eines Dreiphasentrafos mit Mittelanzapfung je Spulenstrang ausgeführt werden.

Ungesteuerte Dreipulsgleichrichtung — M3U

Der Schaltungsaufbau entspricht einer M1-Einweggleichrichtung mit einer Diode für jede Phase. Der Wirkungsgrad ist niedrig und die Welligkeit bleibt auch mit einem Ladekondensator bei größerer Ausgangsbelastung hoch. Im Drehstromnetz ist der direkte Gleichrichtbetrieb ohne Trafo nicht erlaubt, da die AC-Netzspannung durch die Gleichstromkomponenten überlagert wird. Sie verursachen eine Vormagnetisierung des Trafokerns und können so den Wirkungsgrad des Trafos negativ beeinflussen. Ein vorgeschalteter Dreieck-Stern-Trafo verhindert die Übertragung der DC-Anteile in das Versorgungsnetz.

Bei der M3U Gleichrichtung leitet nur die Diode, die an der Phase mit der momentan höchsten gegen den Neutralleiter gemessenen Ausgangsspannung liegt. Ohne Speicherkondensator beträgt der maximale Stromflusswinkel 120°. Der Stromübergang zur nächsten leitenden Diode wird als Kommutierung bezeichnet. Die Frequenz der Restwelligkeit (Brummfrequenz) ist dreimal größer als die gleichzurichtende Netzfrequenz. Es gibt drei um 120° versetzte AC-Leiterspannungen gleicher Frequenz, die während einer Periode von 360° mit ihrem gegen den Neutralleiter gemessenen positiven Spannungsverlauf die Ausgangsgleichspannung erzeugen. Die Periodizität der Welligkeit beträgt so das Dreifache einer Leiterspannung. Verglichen mit der M1-Gleichrichtung wird der gleiche Siebfaktor mit einem Drittel der Kondensatorkapazität erreicht. Die Amplitudendiagramme und Spannungswerte wurden mithilfe einer Schaltungssimulation ermittelt.

Das obere Diagramm zeigt die drei um 120° zueinander versetzten Strangspannungen gemessen gegen den Neutralleiter. Das untere Diagramm zeigt den Verlauf der gleichgerichteten, nicht geglätteten Ausgangsspannung (rot). Im Bereich 30°—150° leitet die Diode D2, für die folgenden 120° die Diode D3 und ab 270°—390° die Diode D1. Die Periodendauer der AC-Wechselspannung umfasst 360° für jeden einzelnen Strang. Die gleichgerichtete und ungesiebte DC-Ausgangsspannung hat eine Welligkeit von 3·f = 150 Hz. Der mittlere Gleichrichtwert oder arithmetische Mittelwert leitet sich wie ausgeführt mithilfe des Integrals her: \[\begin{array}{l} \left| {\overline u } \right| = \frac{1}{{\frac{2}{3} \cdot \pi }}\int\limits_{30^\circ }^{150^\circ } {\widehat u} \,\sin \varphi \,d\varphi \\ \left| {\overline u } \right| = \frac{{3\,\widehat u}}{{2\,\pi }}\left[ { - (\cos 150^\circ - \cos 30^\circ )} \right]\\ \left| {\overline u } \right| = \frac{{3\,\widehat u}}{{2\,\pi }}\left[ { - \left( {\frac{{\sqrt 3 }}{2} - \frac{{\sqrt 3 }}{2}} \right)} \right] = \frac{{3\sqrt 3 }}{{2\,\pi }} \cdot \widehat u\\ \left| {\overline u } \right| = 269\,V \end{array}\] Er kann ebenso aus der Strangspannung Ueff durch Multiplikation mit dem Faktor 1,170 berechnet werden.

Ungesteuerte Drehstrombrücke — B6U

Die im Drehstromnetz übliche Gleichrichtung nutzt eine Brückenschaltung mit 6 Dioden. Beim gedachten Bezug auf den Neutralleiter ist es eine Kombination aus zwei M3-Schaltungen. In einem Diodenzweig sind alle Kathoden verbunden. Sie werden als K-Gruppe oder Plusdioden bezeichnet. Die Kathodenseite bildet den Pluspol der Ausgangsspannung. Im anderen Diodenzweig sind die drei Anoden verbunden. Sie werden als A-Gruppe oder Minusdioden bezeichnet. Die Anodenseite bildet den Minuspol der Ausgangsspannung. Der Sternpunkt (Neutralleiter) hat keine Verbindung zur Drehstrombrücke und den Ausgangspolen. Die Ströme fließen nur über die Außenleiter. Die Strangspannungen sind mit dem Koppelfaktor √3 ≈ 1,732 verbunden. Im zeitlichen Verlauf entsteht die pulsierende Gleichspannung aus der jeweiligen momentanen Differenz zwischen den positiven und negativen Strangspannungen. Die Pulsfolge ist um 30° zu den AC-Netzspannungen versetzt.

Jede Leiterphase (Strang) hat ihren eigenen Diodenzweig. Es leiten immer die Dioden, die zwischen den Phasen mit der momentanen maximalen Differenzspannung liegen. In der K-Gruppe leitet die Diode mit der aktuell höchsten positiven Strangspannung und der Stromkreis wird von der Diode der A-Gruppe geschlossen, die an der negativsten Strangspannung liegt. Ausgehend vom Verlauf der AC-Leiterspannungen können die Stromflüsse durch die Dioden konstruiert oder per Simulation aufgenommen werden. In den Diagrammen der Simulation sind die Durchlassspannungen der leitenden Dioden dargestellt. Bei der hohen gleichzurichtenden Wechselspannung sind die Signale rechteckförmig.

Die mittlere Strangspannung (grün) hat zwischen 30° bis 150° die höchsten positiven Werte. Es leitet die Diode D2. Der Stromkreis wird von der Diode D6 geschlossen. Bis zum Phasenwinkel 90° hat die untere Strangspannung (hellblau) die negativsten Werte. Für die folgenden 60° hat die mittlere (grüne) Strangspannung weiterhin die höchsten Werte, sodass die Diode D2 bis zum Phasenwinkel 150° leitend bleibt. Der Stromkreis wird ab 90° dann von der Diode D4 geschlossen, da die obere (dunkelblaue) Strangspannung jetzt die höchsten negativen Werte hat.

Zwischen 150° und 270° hat die untere (hellblaue) Strangspannung die höchsten positiven Werte. Innerhalb dieses Bereichs ist die Diode D3 leitend. Von 150° bis 210° wird der Rückstromkreis von der leitenden Diode D4 geschlossen. Für die nächsten 60° ist der Stromkreis bis 270° durch die Diode D5 geschlossen, da dann die mittlere (grüne) Strangspannung die negativsten Spannungswerte aufweist.

Von 270° bis 390° hat die obere (dunkelblaue) Strangspannung die höchsten positiven Werte. In dieser Zeit leitet die Diode D1 den Strom. Der Stromkreis bleibt bis zum Phasenwinkel 330° mit der weiterhin leitenden Diode D5 geschlossen. Ab diesem Punkt erfolgt für die zur Periodendauer T noch fehlenden 60° der Rückstrom durch die Diode D6.

Das letzte Diagramm zeigt die wellige Gleichspannung am Lastwiderstand. Eine Brückenschaltung verdoppelt die Frequenz der Welligkeit beim Gleichrichten einer Leiterspannung durch 'Umklappen' der negativen AC-Halbwellen. Das Drehstromnetz hat drei um 120° fest verkoppelte Leiterspannungen. Während einer Periode von 360° muss die Periodizität der Welligkeit somit sechsmal größer als die einer AC-Phase sein. Die Simulation wurde für die AC-Frequenz 50 Hz und 3 Phasen durchgeführt. Die Restwelligkeit hat daher die Frequenz f = 300 Hz.

Der Gleichrichtwert oder arithmetische Mittelwert der Gleichspannung am Ausgang errechnet sich wie angegeben aus dem Integral und die Simulationsmessung bestätigt den Wert: \[\begin{array}{l} \left| {\overline u } \right| = \frac{1}{{\frac{1}{3} \cdot \pi }}\int\limits_{60^\circ }^{120^\circ } {\sqrt 3 \cdot \widehat u\,} \,\sin \varphi \,d\varphi \\ \left| {\overline u } \right| = \frac{{3 \cdot \sqrt 3 \,}}{\pi }\widehat u\left[ { - (\cos 120^\circ - \cos 60^\circ )} \right]\\ \left| {\overline u } \right| = \frac{{3\, \cdot \sqrt 3 }}{\pi }\widehat u\left[ { - \left( { - 0,5 - 0,5} \right)} \right] = \frac{{3\sqrt 3 }}{\pi } \cdot \widehat u\\ \left| {\overline u } \right| = 537,5\,V \end{array}\] Dieser Wert kann auch aus der Strangspannung Ueff mit dem Faktor 2,34 errechnet werden. Der Generator kann wie oben in Sternschaltung (Y) gezeigt auch in Dreieckschaltung (Δ) betrieben werden. Sind die effektiven Leiterspannungen 230 V und die Frequenz 50 Hz gleich, so ergeben sich für die B6U-Schaltung die gleichen Signalbilder.