Sanftes Schalten für lange Lebensdauer
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electronics Das speziell für Sanftanlaufgeräte entwickelte Thyristormodul SEMiSTART bietet einen um die Hälfte geringeren thermischen Widerstand als herkömmliche Bauelemente und ist dabei sehr kompakt Thyristormodul machts möglich Sanftes Schalten für lange Lebensdauer Halbleiter für Sanftanlaufgeräte müssen extrem robust und zuverlässig sein. Robust wegen hoher Temperaturschwankungen des Chips, zuverlässig wegen Lastwechseln. Wenn beide Kriterien erfüllt sind, ist eine lange Lebensdauer des Sanftanlaufgeräts garantiert. D as speziell für Sanftanlaufgeräte entwickelte antiparallele Thyristormodul SEMiSTART bietet einen um die Hälfte geringeren thermischen inneren Widerstand als herkömmliche Bauelemente in modularer Bauform durch eine beidseitige Kühlung der Thyristorchips. Ausserdem wird das kompakte Modul mit der bewährten Druckkontakttechnologie aufgebaut. Das Modul ist somit die optimale und zuverlässige Lösung für hohe Anlaufströme, die während des Startvorganges bei Asynchronmotoren fliessen. Autoren: Ralf Herrmann und Norbert Schäfer Produktmanager bei Semikron Info: Semikron AG Schiffliweg 1, 8700 Küsnacht-Goldbach Tel. 044 914 13 33, Fax 044 914 13 30 [email protected] www.semikron.com Drei Motorstartarten kommen in der Praxis vor Drei Arten des Motorstarts haben in der Praxis Anwendung gefunden. In der Antriebstechnik wird hauptsächlich die Drehstrom-Asynchronmaschine als Antriebsmotor eingesetzt. Die Vorteile dieses Motors liegen auf der Hand: ◆ robuste Bauform ◆ wartungsarm ◆ kosteneffektiv Direktstart braucht hohen Anlaufstrom Mit dem Direktstart einer DrehstromAsynchronmaschine sind ein sehr hohes Anlaufdrehmoment und ein sehr 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. 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. Stern-Dreieck-Start ist eine einfache Lösung Eine einfache Lösung ist die Stern-Dreieck-Schaltung. Dabei werden die Ankerwicklungen des Motors während des Hochlaufs zuerst in Sternschaltung verschaltet, nach dem Hochlauf werden die Wicklungen dann im sogenannten Dreieck verschaltet. Dadurch beträgt die Spannung an den einzelnen Ankerwicklungen während des Hochlaufs den √3-fachen kleineren Wert. Diese Schaltung wird in polyscope 9/07 27 electronics Vorteile der SEMiSTART-Module L1 L2 ◆ Kompaktes, platzsparendes Design ◆ Besserer Wärmeübergangswiderstand zwischen Halbleiterchip und Kühlkörper aufgrund weniger Wärmeübergangswiderstände ◆ Sehr hohe Zuverlässigkeit durch reine Druckkontakttechnologie – keine Lotschicht vorhanden ◆ Kühlkörper muss nicht dimensioniert werden ◆ Einfache Montage – keine besondere Spannvorrichtung notwendig der Regel durch einen mechanischen Schalter oder mittels einer Schützschaltung realisiert. Da es aber 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. Sanftstart dank Spannungsregelung Um die Spannungsversorgung des Asynchronmotors während der Startphase regeln zu können, ist ein Sanftanlaufgerät, auch Softstarter genannt, notwendig. Die Spannungsregelung 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 Hochlaufs geregelt. Je nachdem, wann die Thyristoren gezündet werden (Zündwinkel h), kann somit das Anlaufmoment und der Anlaufstrom auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass zusätzlich auch die Anlaufzeit geregelt werden kann. Der Strom, der durch die Halbleiter fliesst, erzeugt in den Halbleitern eine Verlustleistung. Diese Verlustleistung erwärmt L3 PE SEMiSTART Prinzipschaltbild eines Sanftanlaufgeräts 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 Anforderungen an den Halbleiter Um ein Sanftanlaufgerät möglichst kompakt, kostenoptimiert und trotzdem zuverlässig zu bauen, sind hohe Anforderungen an den Halbleitern gestellt. Der Anlaufstrom während der Startphase der Anlage beträgt trotz Sanftanlaufgeräts immer noch ein Vielfaches des Nennstroms (3- bis 5-fach). Bei grossen Anlagen beträgt der Anlaufspitzenstrom oft mehrere 1000 Ampere. Die verwendeten Halbleiter Motorstrom müssen deshalb in 1 Direktstart der Lage sein, die1 sen hohen Anlauf2 Sanftanlauf 1 strom während der Startphase zu führen. Gleichzeitig soll aber das Sanftanlaufgerät möglichst kompakt und kos2 tenoptimiert sein. Deshalb müssen die I verwendeten Halbleiter inklusive der zugehörigen Kühn Drehzahl lung möglichst klein sein. Verlauf des Motorstroms im Vergleich Sanftanlauf – Direktstart N N 28 polyscope 9/07 Bypass M 3~ Aus Kostengründen werden in der Praxis deshalb Thyristorenbauelemente 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 8 Stunden pro Tag, an 365 Tagen pro Jahr, ergeben sich 87 600 Lastwechsel nach 10 Jahren. Diese Thyristoren müssen dennoch Jahrzehnte lang diesen Überlaststrom während der Startphase führen können. Für Sanftanlaufgerätehersteller war es bisher schwer, optimal geeignete Halbleiter für ihre Geräte auf dem Markt zu finden. Das antiparallele Thyristormodul SEMiSTART wurde aufgrund der genannten Anforderungen entwickelt. Aufbau und Verbindungstechnik der 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 dabei 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, während der Lebensdauer durch den Lastwechselbetrieb. Es findet eine Delaminierung der Lotschicht statt, d.h., die Lotschicht bekommt feine Haarrisse. Die Ermüdung electronics der Lotschicht führt zu einer Erhöhung des thermischen Widerstandes. Dies wiederum führt zu einer Erhöhung der Chiptemperatur bis zum Ausfall des Chips. Dies ist ein typisches Ausfallbild bei gelöteten Modulen. gehalten. In der Praxis hat sich gezeigt, dass gerade bei grösseren LeisLotschichten tungen (Nennströme > 200 A) die Lastwechselfestigkeit von druckkontaktierten Bauelementen deutlich besser ist aufgrund der fehlenden Lotverbindungen. Aus diesem Grund empfiehlt Semikron für den Einsatz von Sanftanlaufgeräten mit grösseren Nennströmen druckkontaktierte Bauelemente. Diese Druckkontakttechnologie kommt auch beim SEMiSTART zum Einsatz. Der Chip wird nicht gelötet Sanftes Einschalten mit SEMiSTART Silizium-Chip Isolation Kupfer-Grundplatte Darstellung des Lötkontaktmodulprinzips 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 einen sehr hohen Anpressdruck von mehreren kN zwischen den Hauptanschlüssen Ein SEMiSTART-Modul besteht aus zwei antiparallel verschalteten Thyristoren, die bereits zwischen Kühlkörpern montiert worden sind. Die Kühlkörper dienen gleichzeitig als elektrische Hauptanschlüsse. Die Modulreihe ist speziell für Sanftanlaufgeräte entwickelt worden. Das Kontaktierungsprinzip des Chips basiert Schrauben auf Druckkontakttechnologie. Bei dem Modul werden zwei Thyristorchips, die antiparallel verChips schaltet sind, zwischen zwei Kühlkörpern «gedrückt». Es befinden sich keine Kühlkörper Lotschichten in dieser AufbauundVerbindungsDas Druckkontaktprinzip beim SEMiSTART-Modul technik. Deshalb sind die Schaltmodule sehr lastwechselfest und haben somit eine lange Lebensdauer. Die Kühlkörper des Moduls sind optimal auf die Chipgrösse und auf das Einsatzgebiet für Sanftanlaufgeräte dimensioniert worden. Dadurch wird eine sehr kompakte Bauform erreicht. Im Gegensatz zu den anderen herkömmlichen Bauelementen ist der gesamte Wärmeübergangswiderstand zwischen Thyristorchip und Kühlkörper deutlich geringer. Da die Chips direkt zwischen zwei Kühlkörpern gedrückt und beidseitig gekühlt werden, sind nur wenige geringe Wärmeübergangswiderstände vorhanden. Aus diesem Grund wird eine deutlich kleinere Bauform realisiert als bei vergleichbaren Stromstärken. Der Montageaufwand eines SEMiSTART-Moduls ist sehr gering. Es werden keine besonderen Spannvorichtungen benötigt wie bei der Montage von Scheibenthyristoren. Es wird auch keine Wärmeleitpaste benötigt wie bei der Montage von Modulen. Natürlich können diese Bauteile auch in anderen Anwendungen, z.B. Schutzschaltungen, eingesetzt werden. Breites Typenspektrum Es gibt drei unterschiedliche Baugrössen und insgesamt fünf verschiedene Stromklassen. Der Strombereich geht von 500 bis 3000 A für eine max. Bestromungszeit (Hochlaufzeit) von 20 s. Die verwendeten Thyristoren haben eine max. Sperrspannung von 1800 V. Der Markt der Sanftanlaufgeräte wird in den nächsten Jahren wachsen, da die Vorteile gegenüber den «alten» Lösungen offensichtlich sind. Die Systeme sind wartungsarm, zuverlässig, energiesparend und erlauben ein Regeln des Anlaufmoments und der Anlaufzeit. Anzeige polyscope 9/07 29
