4. Stromrichtergespeiste Gleichstromantriebe

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1 4. Sromrichergespeise Gleichsromanriebe Der geregele Gleichsromanrieb erfüll in Verbindung mi dem für den jeweiligen Verwendungszweck ausgewählen Sromricher sehr viele nriebsanforderungen und erweis sich bezüglich des Kennlinienfeldes, seiner egelbarkei und Dynamik als universiell anwendbar. Durch die Gleichsrommaschine mi Kommuaor sind diesem nrieb jedoch Grenzen gesez. 4. nriebe mi nezgeführen Sromrichern Bei der Speisung einer Gleichsrom-ebenschlußmaschine über ein Sromricher-Sellglied reen infolge des Oberschwingungsgehals der Gleichspannung und bei lückendem nkersrom Besonderheien im Beriebsverhalen auf, die beim Enwurf des nriebssysems beache werden müssen. Beim saionären Verhalen der sromrichergespeisen Gleichsrom-ebenschlußmaschine unerscheide man drei Beriebsbereiche: Bei großen idersandsmomenen kann die elligkei des Gleichsromes vernachlässig werden (w i ). Bei kleinen idersandsmomenen kann die elligkei des Gleichsromes nich mehr vernachlässig werden (w i > ). Bei sehr kleinen idersandsmomenen lück der nkersrom. Die aschine verlier hier ihr ebenschlußverhalen. Im Lückbereich wird die nkerzeikonsane unwirksam und aus dem bfall der Drehzahl- Drehmomenen-Kennlinie kann der fikive nkerkreiswidersand ermiel werden. Für den nachsehenden Bereich ω L > bei p (B), ω L > 7 bei p 3 (3) und ω L > 4 bei p 6 (B6, 6) gil näherungsweise: 4 π l ω L (4.) p δ l fikiver nkerkreiswidersand im Lückbereich δ Sromführungsdauer im Bogenmaß ω ezfrequenz nkerkreisindukiviä L Lückbereich lückfreier Bereich + l l w i > w i Fikiver nkerkreiswidersand in bhängigkei vom nkersrom I dl I d Im Lückbereich löschen die sromführenden Thyrisoren vorzeiig. Die Überlappungen enfallen. Dadurch verringern sich die negaiven Spannungszeiflächen in der Gleichspannung. ls Folge seig die milere Gleichspannung mi abnehmendem Lassrom sark an. G. Schenke, 3.3 uomaisiere nriebe FB Technik, b. E+I 37

2 d d,,8,6,4, I d Lückgrenze -, -,4 -,6 -,8 -, I d Kennlinienfeld der sromrichergespeisen Gleichsrommaschine Durch ensprechende Dimensionierung der Gläungsdrossel kann man den Lückbereich vermeiden. Der Grenzsrom, bei dem Lücken aufri, läß sich nach Gl. 4. berechnen: I I dl dl L di f (p, α) (4.) l Srom an der Lückgrenze f l (p, α) Lückfakor (abhängig von der Pulszahl p des Sromrichers und vom Seuerwinkel α),5,5 f l in ms,,75,5,5,,4,6,8 d / di Lückfakor f L in bhängigkei von der usseuerung d / di bei vollgeseueren 3pulsigen Sromricherschalungen (3-Schalung),3,5 f l in ms,,5,,5 Lückfakor f L in bhängigkei von der usseuerung d / di bei vollgeseueren 6pulsigen Sromricherschalungen (6-, B6-Schalung),,4,6,8 d / di Der Grenzsrom, bei dem Lücken aufri, is bei α minimal und bei α 9 maximal. Die folgenden 4 Oszillogramme zeigen bei einer B6-Sromricherschalung die zeilichen Verläufe der nkerspannung u u d und des nkersromes i i d. Die ersen 3. Oszillogramme G. Schenke, 3.3 uomaisiere nriebe FB Technik, b. E+I 38

3 wurden bei nahezu konsanem usseuerungswinkel α und das 4. bei minimalem usseuerungswinkel α aufgenommen. d 4 V I n 75 min - d 4 V n 75 min - d, I d 4, u d in V 3 5 i d in u d in V 3 5 i d in in ms in ms u d und i d bei lückendem nkersrom u d und i d bei lückfreiem nkersrom (α 6, Leerlauf) (α 6, w i >, Lückgrenze) -5 5 d 49 V I d 7,5 n 75 min d 466 V I d 6,6 n 5 min u d in V 3 5 i d in u d in V i d in in ms in ms u d und i d bei lückfreiem nkersrom u d und i d bei lückfreiem nkersrom (α 6, w i, großes Drehmomen) (α, kleines Drehmomen) Bei Vollausseuerung (α ) is die elligkei des nkersromes gering, die Lückgrenze wird ers bei sehr kleinen nkersrömen erreich. Dynamisches Verhalen ner dem dynamischen Verhalen elekrischer nriebssyseme verseh man den zeilichen Verlauf der egelgrößen, z. B. Drehzahl oder Drehmomen, bei Änderung von Führungsgrößen, (wie nkerspannung oder Erregersrom) oder bei Änderung von Sörgrößen (wie idersandsmomen). Bei rascher Änderung der Führungs- bzw. Sörgrößen können im Gegensaz zu den bisher langsam angenommenen rbeispunkwanderungen (auf den saionären Kennlinien) die elekromagneischen usgleichsvorgänge nich mehr vernachlässig werden. Zur Besimmung des dynamischen Verhalens muß das vollsändige Gleichungssysem der zeilich veränderlichen Kenngrößen aufgesell werden. Für eine Gleichsrom-ebenschlußmaschine mi Φ kons. gil: di u n + i + L d (4.3) dn m i m + π J π d -5 G. Schenke, 3.3 uomaisiere nriebe FB Technik, b. E+I 39

4 Beide Differenialgleichungen sind linear und haben konsane Koeffizienen. Zur Berechnung ineressierender Größen, wie n und i, kann deshalb die Laplace-Transformaion herangezogen werden. Die zeilich veränderlichen Größen verlaufen im allgemeinen von einem saionären nfangszusand X aus nach x X + x. erden nur kleine Änderungen berücksichig, dann erhäl man zwei Gleichungssyseme, die gerenn berache werden können. Für den saionären nfangszusand gil: n + I π Für die Änderungen gil: u m c i n + Φ π I i m d i + L d d n + π J d Für die DGL 4.5 sind die nfangsbedingungen ull. Es erfolg die Transformaion in den Bildbereich. ο u m n + ( c Φ π i + L m s) i + π J s n Hieraus ergeben sich für die Änderungen i und u : m π J 4 π s n i + (4.7) m π + J 4 π s n u n + ( + s L ) (4.8) us den DGL 4.7 und 4.8 erhäl man durch msellung die Änderungen n und i in bhängigkei von u und m. Hierbei werden eingeführ die elekromagneische nkerzeikonsane τ und die elekromechanische Zeikonsane τ. π u - m (+ s τ) n (4.9) (+ s τ + s τ τ ) (4.4) (4.5) (4.6) π s τ u + m i c Φ (4.) + s τ + s τ τ L J 4 π τ τ (4.) () Für Gleichsrommaschinen in ormalausführung mi ennleisungen P k weisen die Zeikonsanen τ...8 ms und τ...4 ms auf. G. Schenke, 3.3 uomaisiere nriebe FB Technik, b. E+I 4

5 ls Führungsverhalen des nriebssysems bezeichne man nach (Gl. 4.9 und 4.) die bhängigkei der Größen n und i von u für m. Bei den nfangsbedingungen von ull erhäl man: n u i u + s τ + s τ τ (4.) s τ (4.3) + s τ + s τ τ Das Sörverhalen besimm man mi u : n m i m π + s τ - () + s τ + s τ π + s τ + s τ τ τ (4.4) (4.5) Die Überragungungsfunkionen (4. bis 4.5) zeigen das gleiche ennerpolynom. Es präg den Zeiverlauf von n und i. Die urzeln der charakerisischen Gleichung + s τ + s τ τ lauen: 4 τ s / - ± - τ (4.6) τ Für 4τ < τ sind s / negaiv und reell; die Vorgänge verlaufen aperiodisch. Dieser Verlauf ri bei den meisen Gleichsrommaschinen mi angekuppeler rbeismaschine auf. 4τ τ sind s s - /τ. Die urzeln sind negaiv und reell (aperiodischer Grenzfall). 4τ > τ sind s / negaiv und komplex; es bilden sich Schwingungsvorgänge aus. Dieser Verlauf kann bei rägheisarmen nrieben aufreen. ach den Überragungsfunkionen kann der Signalflußplan der konsan erregen Gleichsromnebenschlußmaschine aufgesell werden. Führungsgröße egelgröße u i m m B + - u q m n 4 Sörgröße (+ s τ ) π 3 () π s τ 4 π s J Signalflußplan der Gleichsrom-ebenschlußmaschine G. Schenke, 3.3 uomaisiere nriebe FB Technik, b. E+I 4

6 Das Übergangsverhalen bei sprungariger Führungsgrößenänderung soll bei einer drehzahlunabhängigen Belasung ( kons.) besimm werden. Bei saionärem usgangszusand und sprungförmiger Spannungsänderung besimm man mi u /s und m nach Gl. (4.9 und 4.) das Führungsverhalen. n (4.7) s (+ s τ + s τ τ ) τ i (4.8) + s τ + s τ τ Für Gl. (4.7 und 4.8) erfolg die ückransformaion in den Zeibereich. ο n () s Φ + c e s e - s s - s - e e s (4.9) s s i () (4.) τ s - s,5,5 τ,, n i /c Φ 4τ τ /,5,5 4τ τ τ τ Drehzahl- und Sromübergangsverhalen der Gleichsrom- ebenschlußmaschine bei Spannungssprung -,5 -, /τ Das Sörverhalen wird bei Berieb an konsaner Spannung ( kons.) ermiel. Bei saionärem usgangszusand und sprungförmiger Änderung des idersandsdrehmomens besimm man mi m /s und u nach Gl. (4.9 und 4.) das Sörverhalen. π (+ s τ ) n z - (4.) () s (+ s τ + s τ τ ) π i z (4.) s (+ s τ + s τ τ ) Für Gl. (4. und 4.) erfolg die ückransformaion in den Zeibereich. ο n () z π - () s + s e - s s - s e s s e + τ s - e (s - s ) (4.3) i z () π s + s e - s s - s e s (4.4) G. Schenke, 3.3 uomaisiere nriebe FB Technik, b. E+I 4

7 Für» τ kann das Glied e s e - /τ gesez werden. Die Übergangsvorgänge werden bei τ «τ allein von der elekromechanischen Zeikonsane gepräg. Der Srom i kann sich dann nahezu sprunghaf ändern. Die Drehzahländerung is jedoch ses an die elekromechanischen Zeikonsane τ geknüpf.,5 τ τ,5 τ τ n,, Z i Z 4τ τ 4τ τ ( π ) π /(c Φ ) (c Φ),5,5 -,5 -, /τ Drehzahl- und S romübergangsverhalen der Gleichsrom- ebenschlußmaschine bei Drehmomenensprung Srukur und Parameeränderungen im Signalflußplan des sromrichergeseueren Gleichsromanriebes beim Übergang in den Lückbereich erschweren die Opimierung des dynamischen Verhalens des geregelen nriebssysems. Im Signalflußplan der Gleichsrom-ebenschlußmaschine (S. 4) änder sich der Block. lückfreier Berieb lückender Berieb (+ s τ ) i einer adapiven nkersromregelung, die sich der Änderung der egelsrecke anpaß, wird im gesamen nkersrombereich ein opimales Übergangsverhalen erreich. 4. nriebe mi Pulsseller Bei baeriegeriebenen Elekrofahrzeugen werden zur nkerspannungssellung und bei Gleichsromsellanrieben verlusarm arbeiende Pulsseller angewende. Der Pulsseller is ein hochweriges Sellglied mi geringer Tozei. Beim Pulsseller (Gleichsromseller) wird durch ein elekronisches Sellglied S die ezspannung mi möglichs hoher Frequenz f P pulsförmig auf den nrieb geschale. Bei der häufig verwendeen Pulsbreienseuerung is dabei innerhalb der konsanen Periodendauer p /f P die Einschalzei E einsellbar. In den Pausen fließ der nkersrom über einen Freilaufkreis mi der Diode D weier. l S L I i i D i I I D D u L G E P u L u L S elekronischer Ein-usschaler D Freilaufdiode L Gesamindukiviä des nkerkreises (L P + L ) nkerkreiswidersand Grundschalung eines Pulssellers und Pulsbreienseuerung der Gleichspannung G. Schenke, 3.3 uomaisiere nriebe FB Technik, b. E+I 43

8 enn das Sellglied S während der Zei E geschlossen is, nimm der nrieb mi i i Energie aus dem ez auf. Die Spannungsgleichung des Kreises bei geschlossenem Schaler ( E ) laue: di + u L n + i + L (4.5) d In der Zei is das Sellglied S geöffne; der Srom i i D kling infolge der magneischen Energie der Indukiviä L nur langsam über den Freilaufkreis ab. Im Freilaufkreis gil bei geöffneem Schaler ( E P ): di + u L n + i + L (4.6) d i den Gl. (4.3, 4.5 und 4.6) kann das Drehzahl-Drehmomenen-Kennlinienfeld abhängig vom Tasverhälnis E / P besimm werden. Für den Berieb des pulsgeseueren nriebs sind auch der Lückbereich und die aufreende Sromschwankungsbreie i von Bedeuung, die aus den Sromverläufen (4.7 und 4.8) ermiel werden. Schaler geschlossen ( E ): - n i + I - Schaler geöffne ( E P ): - c Φ n e / τ (4.7) n n ( - E ) / τ i + I e + (4.8) mi i I - I als Sromschwankungsbreie. Durch Einsezen von E und P in Gl. (4.7 und 4.8) erhäl man nach msellung für den Pulsseller in Grundschalung: E / τ ( P - E )/ τ (- e ) (- e ) i (4.9) P / τ - e Für P «τ vereinfach sich Gl. (4.9) zu: E i E - (4.3) L P Bei E / P,5 sell sich die größe Sromschwankungsbreie i ein. Das Sromlücken ri dann auf, wenn der Srom i nach Gl. (4.7 und 4.8) ull wird. Ensprich dabei die Sromführungsdauer der Periodendauer P, so lieg gerade die Lückgrenze vor. Bei vorgegebenem Lückgrenzsrom I dl gil für die erforderliche nkerkreisindukiviä L L P + L : P L (4.3) + Idl ln I dl Durch geeignee ahl der Pulsfrequenz bzw. Vergrößerung der nkerkreisindukiviä kann der Lückbereich eingeeng bzw. vermieden werden. Die Vergrößerung der Pulsfrequenz is gegenüber dem unwirschaflichen Einsaz von Gläungsdrosseln vorzuziehen. ußerdem wird dami das dynamische Verhalen des Pulssellers verbesser. i dem Gleichsromseller können hohe Forderungen an den Drehzahlsellbereich (S :,) erfüll werden. ls ielwer der Spannungsimpulse sell sich die nkerspannung nach Gl. (4.3) ein. E E (4.3) + P E Die nkerspannung kann so sufenlos zwischen ull und variier werden. G. Schenke, 3.3 uomaisiere nriebe FB Technik, b. E+I 44

9 Durch Verauschen der nordnung von Freilaufdiode und Sellglied kann eine ücklieferung von Energie in die Baerie beim Pulsseller erfolgen. Die öglichkei der Energierückgewinnung wird bei Elekrofahrzeugen genuz. egen der geringen dynamischen nforderungen kann die mschalung Fahr- zum Bremsberieb auch mi mechanischen Schalern durchgeführ werden. T i D u L G D Schaler geschlossen: oorberieb Schaler geschlossen: uzbremsung Prinzipschalung eines Pulssellers für Elekrofahrzeuge Im oorberieb fließ der nkersrom im Kreis Gleichsrommaschine - Baerie - T. Den Freilaufkreis bilden bei Löschung von T die Gleichsrommaschine - D. Im Bremsberieb fließ bei Löschung von T der nkersrom im Kreis Gleichsrommaschine - D - Baerie - D. Den Freilaufkreis bilden die Gleichsrommaschine - D - T. Erfolg die Einspeisung eines Elekrofahrzeuges durch einen Fahrdrah, so is der Schalungsaufbau ensprechend. Es is jedoch ein LC-Filer nowendig, um die Sromrichervenile bei Sromunerbrechung vor Überspannungen, beding durch die Fahrleiungsindukiviä, zu schüzen. Für Gleichsrom-Servoanriebe werden häufig ransisorisiere 4-Quadranen-Gleichsromseller in Brückenschalung (T - T4) verwende. L L L3 C C T T L G I T3 T4 Prinzipschalung eines Transisorsellers mi IGBT s ls Sellglied werden heue eingesez: Feldeffekransisoren bis zu rd. k bei hoher Pulsfrequenz (über khz); IGBT's bis zu rd. k bei milerer Pulsfrequenz (bis rd. 6 khz) GTO-Thyrisoren bei hohen Leisungen (f P < khz). 4.3 egelung von Gleichsromanrieben Sromrichergespeise Gleichsromanriebe besizen generell eine Seuer- und egeleinrichung. Sie ha folgende Haupaufgaben zu erfüllen: Bereisellung der Seuersignale für das Sromrichersellglied, Schuz des Sromrichersellgliedes vor beriebsmäßigen Überlasungen, genaue Einhalung vorgegebener egelgrößen des nriebssysems, wie Drehmomene, Drehzahlen, Drehwinkel ensprechend den echnologischen Sollweren unabhängig von Sörgrößeneinwirkungen, ealisierung definierer Fahrkurven und Übergangsprozesse in den echnologischen nlagen, in denen nriebe als Sellglieder eingesez sind. G. Schenke, 3.3 uomaisiere nriebe FB Technik, b. E+I 45

10 Bei der Drehzahlversellung einer sromrichergespeisen Gleichsrommmaschine wird im allgemeinen nur die nkerspannung veränder. Die Spannung der Erregerwicklung E wird meisens nich beeinfluß. Bei beriebswarmer aschine sell sich ein nahezu konsaner Erregersrom I E und dami ein ensprechend konsaner Fluß Φ in der aschine ein. Die Drehzahlversellung kann grundsäzlich mi einer Seuereinrichung oder einer egeleinrichung erfolgen. Ein opimales dynamisches Verhalen bei Sollwer- und Sörgrößenänderungen kann jedoch nur mi egeleinrichungen erreich werden. Drehzahlseuerung i der Eingangsgröße (Führungsgröße w), die über ein Poeniomeer einsellbar is, wird das Sellglied (vollgeseuere B6-Schalung mi Seuersaz) beeinfluß. m usgang des Sellgliedes seh die Gleichspannung d als Sellgröße zur Verfügung. Der nkersrom I d I sell sich ensprechend dem Drehmomen ein. Die Drehzahl sell sich proporional zur aschinenquellenspannung q ein, da der Fluß in der aschine nahezu konsan is. LLL3 L S α I d IE d q G n Sellglied Führungsgröße Seuersrecke Sellgröße Seuergröße Drehzahlseuerung einer Gleichsrommaschine z z Signalfluß einer Seuerung w y Sellglied w Führungsgröße (Sollwer) Seuersrecke y Sellgröße x z, z Sörgrößen x Seuergröße Drehzahlregelung Der Drehzahlsollwer n (Führungsgröße w) wird mi dem Drehzahliswer der Tachomaschine n verglichen und die Sollwerabweichung dem Drehzahlregler zugeführ. Der Drehzahlregelung is eine nkersromregelung unerlager, die einerseis den Sromricher gegen Überlasung schüz und anderseis zu einem guen dynamischen Verhalen für die Sromregelung führ. Der überlagere Drehzahl-egelkreis liefer für den nkersrom-egelkreis die Führungsgröße, die mi dem Sromiswer verglichen wird. Der usgang des Sromreglers beeinfluß das Sellglied (vollgeseuere B6-Schalung mi Seuersaz). m usgang des Sellgliedes seh die Gleichspannung d als Sellgröße zur Verfügung. Der nkersrom I d I sell sich abhängig vom Drehmomen und vom Sromregler ein. Die Drehzahl sell sich proporional zur aschinenquellenspannung q ein. G. Schenke, 3.3 uomaisiere nriebe FB Technik, b. E+I 46

11 L L L3 Drehzahlregler Sromregler L n u α d q G T n I d I E egler Sellglied egelsrecke Führungsgröße Sellgröße egelgröße Drehzahlregelung einer Gleichsrommaschine z z Signalflußplan einer egelung w egeleinrichung w Führungsgröße (Sollwer) y egelsrecke y Sellgröße x z, z Sörgrößen x egelgröße nregelzei egelgröße x Verlauf der egelgröße nach einer sprunghafen Änderung des Drehmomenes m x m usregelzei Toleranzband Las m usregelzei egelgröße Toleranzband Verlauf der egelgröße nach einer sprunghafen Änderung der Führungsgröße w x m nregelzei Führungsgröße w G. Schenke, 3.3 uomaisiere nriebe FB Technik, b. E+I 47

12 Das quasisaionäre und das dynamische Verhalen des drehzahlgeregelen Gleichsromanriebs kann in einem Blockschalbild dargesell werden. n i u 4 u q m m B u _ i + _ + _ _ m 3 n π 3 (+ s τ ) π () s τ π s J 4 Blockschalbild des drehzahlgeregelen Gleichsromanriebes Die Blöcke - 4 sellen die Gleichsrommaschine mi sogenanner EK-Schleife dar (Signalflußplan der G 4.-9). s τs 5 k S e Der Block 5 sell den nezgeführen Sromricher als Tozeiglied mi der Versärkung k S dar. 6 k (+ s τ ) s τ i i 7 i k n (+ s τn ) s τ Block 6 sell den Sromregler mi PI-Verhalen und Block 7 den Drehzahlregler ebenfalls mi PI- Verhalen dar. Die PI-egler verhindern eine bleibende Drehzahlabweichung bei Drehmomenensprüngen. n G. Schenke, 3.3 uomaisiere nriebe FB Technik, b. E+I 48