4. Gleichstromsteller

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1 Gleichstromsteller Gleichstromsteller 4.1Einleitung Zur Steuerung von Antriebsmotoren batteriebetriebener Fahrzeuge (z. B. Elektrokarren, Hubstapler) oder zum Antrieb von Straßenbahnen (meistens bei einer Spannung von 600V) werden Gleichstromsteller verwendet. Gleichstromsteller erfüllen die Grundfunktion Gleichstromumrichten, wobei eine konstante Eingangsgleichspannung U 1 in eine veränderliche Ausgangsgleichspannung U 2 umgeformt wird. Man bezeichnet sie auch als Pulswandler oder Chopper. Diese arbeiten fast verlustlos. Das folgende Bild zeigt das Prinzip von Gleichstromstellern. 4.2 Funktionsweise: Das Prinzip der Gleichstromumrichtung mit Hilfe des Gleichstromstellers besteht darin, dass ein Halbleiterschalter periodisch einen Gleichstromkreis ein - und ausschaltet. Auf diese Weise lässt sich die Last eines angeschlossenen Verbrauchers steuern. Als Schalter lassen sich mehrere elektronische Bauelemente verwenden z.b. Thyristoren, Transistoren, MOS-FET). Wir verwenden als Schalter in diesem Kapitel den MOS-FET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor). 4.3 Schaltung allgemein: Das Ein- und Ausschalten des Halbleiters erfolgt durch die Ansteuerung des MOS-FET. D B S G U 1 U 2 Belastung (allgemein)

2 Gleichstromsteller Verhalten an ohmscher Last: Schaltung: D B S G U 1 U 2 R Last Steuergerät Es stellt sich der arithmetische Mittelwert der gepulsten Ausgangsspannung U 2AV ein, welcher vom Steuersignal des Taktgebers verändert werden kann. 4.5 Verhalten an induktiver Last

3 Gleichstromsteller 4-3 Bei induktiver Belastung (Spule) ist in der Induktivität magnetische Energie gespeichert welche beim Abschalten durch Selbstinduktion frei wird. Es kommt daher am MOS-FET zu Überspannungen, so dass man parallel zur Induktivität eine Freilaufdiode schalten muss. D B S G U 1 U 2 Steuergerät 4.6 Tastgrad Der Tastgrad gibt das Verhältnis von der Einschaltdauer t e zur Periodendauer T an. Durch Verändern des Tastgrades lässt sich die Ausgangsspannung steuern und somit z.b. die Drehzahl eines Gleichstrommotors verändert werden. 4.7 Steuerverfahren von Gleichstromstellern Durch periodisches Ein- und Ausschalten des Gleichstromstellers wird der Mittelwert der Ausgangsspannung verändert. Die verwendeten Steuerverfahren sind die Pulsfolgesteuerung und die Pulsbreitensteuerung. Dabei wird die Pulsbreitensteuerung am häufigsten eingesetzt Pulsfolgesteuerung: Bei dieser Art der Steuerung wird die Einschaltdauer t e konstant gehalten und die Periodendauer T wird verändert. Diese Ansteuerungsart hat den Vorteil des geringen technischen Aufwandes bei der Realisierung, als nachteilig aber ist die Schaltung ungünstig geeignet zur Auslegung von Schaltungen und für eventuelle Regelstrukturen wegen der variablen Schaltfrequenz.

4 Gleichstromsteller Pulsbreitensteuerung: Bei dieser Art der Steuerung wird die Einschaltdauer t e verändert und die Periodendauer T resp. Frequenz f wird konstant gehalten. Die Schaltung arbeitet mit einer festen Schaltfrequenz. Der große Vorteil dieser Schaltung liegt in der festen Schaltfrequenz, da eine Optimierung der Schaltungsbauteile an diese Frequenz möglich ist.

5 Gleichstromsteller Aufgaben: 1) Ein Gleichstromsteller mit der Eingangsspannung von 48V wird über eine Pulsbreitensteuerung an einen ohmschen Verbraucher angeschlossen. Der arithmetische Mittelwert der Ausgangsspannung soll zwischen 6V und 30V eingestellt werden können. Die Schaltfrequenz beträgt dabei 5kHz. Berechne die minimale und maximale Einschaltdauer.

6 Gleichstromsteller 4-6 2) Bei einem Gleichstromsteller beträgt die Mindesteinschaltdauer des MOS FET 20µs. Die Ausgangsspannung soll auf 20% der Eingangsspannung herabgesetzt werden. Welche Taktfrequenz muss dazu verwendet werden? 4.9 Gleichstrommotor am Gleichstromsteller Eine solche Schaltung wird sehr häufig bei Gleichstrom betriebenen Straßenbahnen und Eisenbahnzügen verwendet. Es lässt sich auf einfachste Weise die Drehzahl steuern Schaltung:

7 Gleichstromsteller Drehzahlsteuerkennlinie: Wird der Gleichstrommotor mit konstantem Drehmoment und konstantem Erregerstrom von der Ausgangsspannung U 2 des Gleichstromstellers gespeist, dann ändert sich die Drehzahl nahezu proportional mit dem arithmetischen Mittelwert U 2AV. Steuerkennlinie des Gleichstrommotors am Gleichstromsteller für M = konst. und I f = konst.