4. Gleichstromsteller

Gleichstromsteller
4-1
4. 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 U1 in eine veränderliche
Ausgangsgleichspannung U2 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
U1
X2EE, TECEN
Belastung
U2
(allgemein)
X2EE_Gleichstromsteller_stud.doc
Gleichstromsteller
4-2
4.4 Verhalten an ohmscher Last:
4.4.1 Schaltung:
D
B
S
G
U1
U2
RLast
Steuergerät
Es stellt sich der arithmetische Mittelwert der gepulsten Ausgangsspannung U2AV ein,
welcher vom Steuersignal des Taktgebers verändert werden kann.
4.5 Verhalten an induktiver Last
X2EE, TECEN
X2EE_Gleichstromsteller_stud.doc
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
U1
U2
Steuergerät
4.6 Tastgrad
Der Tastgrad gibt das Verhältnis von der Einschaltdauer te 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.
4.7.1 Pulsfolgesteuerung:
Bei dieser Art der Steuerung wird die Einschaltdauer te 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.
X2EE, TECEN
X2EE_Gleichstromsteller_stud.doc
Gleichstromsteller
4-4
4.7.2 Pulsbreitensteuerung:
Bei dieser Art der Steuerung wird die Einschaltdauer te 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.
X2EE, TECEN
X2EE_Gleichstromsteller_stud.doc
Gleichstromsteller
4-5
4.8 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.
X2EE, TECEN
X2EE_Gleichstromsteller_stud.doc
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.
4.9.1 Schaltung:
X2EE, TECEN
X2EE_Gleichstromsteller_stud.doc
Gleichstromsteller
4-7
4.9.2 Drehzahlsteuerkennlinie:
Wird der Gleichstrommotor mit konstantem Drehmoment und konstantem Erregerstrom von der
Ausgangsspannung U2 des Gleichstromstellers gespeist, dann ändert sich die Drehzahl nahezu
proportional mit dem arithmetischen Mittelwert U2AV.
Steuerkennlinie des Gleichstrommotors am Gleichstromsteller für M = konst. und If = konst.
X2EE, TECEN
X2EE_Gleichstromsteller_stud.doc