Technik & Einsatz von Thyristorstellern einfach erklärt

Als Leistungssteller werden elektronische Geräte bezeichnet, mit welchen man Leistung bzw. Strom oder Spannung variabel stellen kann. Typischerweise handelt es sich dabei um Thyristor-Leistungssteller. Typische Anwendungen sind allgemein da zu finden, wo elektrische Leistung variiert werden muss, diese aber letztlich in thermische Energie als Heizung umgewandelt wird.

Zur Dosierung von elektrischer Leistung stehen für einfache Anwendungen Stellglieder wie Schütze und Solid-State-Relais zur Verfügung. Mit diesen Stellgliedern kann über Variation der Ein- und Ausschaltzeit die elektrische Leistung in einen Prozess dosiert werden.

Bei vielen Prozessen führt diese stoßweise eingebrachte Energie jedoch zu merklichen Schwankungen in der Ausgangsgröße, sodass keine Helligkeitssteuerung oder Temperaturregelung möglich ist. Als besser geeignet stellten sich Stellglieder wie bspw. Stelltransformatoren heraus, die eine stetige Veränderung der elektrischen Energie ermöglichen. Ein Stelltransformator arbeitet jedoch nicht verschleißfrei, benötigt lange Stellzeiten und ist sehr teuer.

Elektronische Leistungssteller, sogenannte Thyristor-Leistungssteller arbeiten hingegen verschleißfrei und mit einer sehr hohen Stellgeschwindigkeit. Typische Anwendungen sind allgemein da zu finden, wo elektrische Leistung variiert werden muss, diese aber letztlich in thermische Energie als Heizung umgewandelt wird.

Ein Thyristor ist ein Halbleiterbauelement, das aus vier oder mehr Halbleiterschichten wechselnder Dotierung aufgebaut ist. Thyristoren sind einschaltbare Bauelemente, das heißt, sie sind im Ausgangszustand nichtleitend und können durch einen kleinen Strom an der Gate-Elektrode eingeschaltet werden. Nach dem Einschalten bleibt der Thyristor auch ohne Gatestrom leitend. Ausgeschaltet wird er durch Unterschreiten eines Mindeststroms, des sogenannten Haltestroms.

Die Stellglieder des Thyristor-Leistungsschalters werden durch eine Gleichspannung angesteuert und schalten die Versorgungsspannung auf das Heizsystem bzw. sperren diese. Der Kompaktregler arbeitet bei Ansteuerung des Thyristor-Leistungsschalters als sogenannter Zweipunktregler.

In vielen Anwendungen ist zudem der Einsatz von Thyristor-Leistungsstellern erforderlich, um eine höhere Regelgüte durch eine schnellere Taktung zu erreichen und Netzspannungsschwankungen zu kompensieren. Zudem ermöglichen eine Strombegrenzung und die Überwachung der Heizelementetemperatur den sicheren Betrieb der Heizelemente. Das Energiemanagement reduziert die Spitzenlast im System. Auch in Thyristor-Leistungsstellern werden Thyristoren als Schaltglieder verwendet und enthalten neben den Thyristoren eine Steuerelektronik.

Der Thyristor-Leistungssteller arbeitet im Impulsgruppen- oder im Phasenanschnittbetrieb. Im Impulsgruppenbetrieb werden komplette Sinuszüge der Netzspannung durchgeschaltet beziehungsweise gesperrt. Nachteilig sind die entstehenden Spannungsschwankungen, welche bei einem zu schwach ausgelegten Netz auftreten bei am gleichen Netz angeschlossenen Beleuchtungsanlagen unangenehme Leuchtdichteschwankungen bewirken können.

Im Phasenanschnittbetrieb werden die Thyristoren während jeder Halbwelle gezündet. Die schnelle Taktung schafft die Voraussetzung für eine konstante Temperaturregelung in extrem schnellen Systemen. Ein Nachteil ist die Verursachung von HF-Störungen durch Oberwellen, sodass der Einsatz von Entstörfiltern nötig werden kann. Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus der Entstehung von Blindleistung auch bei ohmscher Last.

Viele weitere Detailinformationen zur Funktionsweise und Elektrotechnik eines Thyristorstellers finden Sie in "Thyristor-Leistungssteller - Grundlagen und Tipps für den Praktiker" von Manfred Schleicher und Winfried Schneider.

Um den Eigenverbrauch einer PV-Anlagen gezielt zu erhöhen, werden immer öfter auch elektrische Heizungssysteme mit der PV-Anlage gekoppelt. Hierzu gehören Infrarotheizungen, Wärmepumpen oder auch das direktelektrische Widerstandsbeheizen eines z. B. Pufferspeichers mit einem entsprechenden Heizstab. Zur Regelung dieser Systeme werden dann entsprechende Thyristorsteller eingesetzt.

Entsprechende Thyristorsteller für Photovoltaik-Anlagen können sowohl die elektrische Gebäudeheizung als auch die Warmwasserbereitung stufenlos regeln. Sie kommunizieren dabei mit Wechselrichtern, Batteriesystemen und Smart-Home-Steuerungen, sodass der Leistungssteller immer weiß , wie viel überschüssiger Solarstrom zur Verfügung steht.

Bei energetisch optimierten Gebäuden kann ein solcher Thyristorsteller die komplette wassergeführte Haustechnik ersetzen und fehlende Energie aus dem Netz beziehen. Mittlerweile gibt es Thyristorsteller für Photovoltaik-Heizung-Systeme für Ein- und Mehrfamilienhäuser als auch für größere Solarstromanlagen auf Wohnhäusern, in der Landwirtschaft, in Hotels und in Gewerbebetrieben, wenn z.B. leistungsstarke PV-Anlagen auf einen hohen Wärmebedarf für die Reinigung, die Produktion oder z. B. den Wellnessbereich treffen.