4. Stromrichtergespeiste Gleichstromantriebe

4. Stromrichtergespeiste Gleichstromantriebe
Der geregelte Gleichstromantrieb erfüllt in Verbindung mit dem für den jeweiligen Verwendungszweck
ausgewählten Stromrichter sehr viele Antriebsanforderungen und erweist sich bezüglich
des Kennlinienfeldes, seiner Regelbarkeit und Dynamik als universiell anwendbar. Durch die
Gleichstrommaschine mit Kommutator sind diesem Antrieb jedoch Grenzen gesetzt.
4.1 Antriebe mit netzgeführten Stromrichtern
Bei der Speisung einer Gleichstrom-Nebenschlußmaschine über ein Stromrichter-Stellglied treten
infolge des Oberschwingungsgehalts der Gleichspannung und bei lückendem Ankerstrom Besonderheiten
im Betriebsverhalten auf, die beim Entwurf des Antriebssystems beachtet werden
müssen.
Beim stationären Verhalten der stromrichtergespeisten Gleichstrom-Nebenschlußmaschine unterscheidet
man drei Betriebsbereiche:
• Bei großen Widerstandsmomenten kann die Welligkeit des Gleichstromes vernachlässigt
werden (wi ≈ 0).
• Bei kleinen Widerstandsmomenten kann die Welligkeit des Gleichstromes nicht mehr
vernachlässigt werden (wi > 0).
• Bei sehr kleinen Widerstandsmomenten lückt der Ankerstrom. Die Maschine verliert hier
ihr Nebenschlußverhalten.
Im Lückbereich wird die Ankerzeitkonstante unwirksam und aus dem Abfall der Drehzahl-
Drehmomenten-Kennlinie kann der fiktive Ankerkreiswiderstand ermittelt werden. Für den nachstehenden
Bereich ω1·LA > 10·RA bei p = 2 (B2), ω1·LA > 7·RA bei p = 3 (M3) und ω1·LA > 4·RA
bei p = 6 (B6, M6) gilt näherungsweise:
R Al =
4 π
2
p ⋅ δ
⋅ ω1
⋅ L A
(4.1)
RAl fiktiver Ankerkreiswiderstand im Lückbereich
δ Stromführungsdauer im Bogenmaß
ω1 Netzfrequenz
LA Ankerkreisinduktivität
R A + R Al
R A
Lückbereich
R Al
0
0 Idl lückfreier Bereich
w i > 0 w i ≈ 0
R A
I d
Fiktiver
Ankerkreiswiderstand
in Abhängigkeit
vom Ankerstrom
Im Lückbereich löschen die stromführenden Thyristoren vorzeitig. Die Überlappungen entfallen.
Dadurch verringern sich die negativen Spannungszeitflächen in der Gleichspannung. Als Folge
steigt die mittlere Gleichspannung mit abnehmendem Laststrom stark an.
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte Antriebe FB Technik, Abt. E+I
37

U d
U d0
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
-0,2
-0,4
-0,6
-0,8
-1,0
I d·R
I d
30°
45°
60°
75°
90°
105°
120°
135°
150°
----- Lückgrenze
Kennlinienfeld der stromrichtergespeisten
Gleichstrommaschine
Durch entsprechende Dimensionierung der Glättungsdrossel
kann man den Lückbereich vermeiden. Der Grenzstrom, bei
dem Lücken auftritt, läßt sich nach Gl. 4.2 berechnen:
U di
Idl = ⋅ f l (p, α)
(4.2)
L
A
Idl Strom an der Lückgrenze
fl(p, α) Lückfaktor (abhängig von der Pulszahl p des Stromrichters und vom Steuerwinkel α)
f l in ms
f l in ms
1,50
1,25
1,00
0,75
0,50
0,25
0
0
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0
0
0,2
0,2
0,4 0,6 0,8 1
U d / U di
0,4 0,6 0,8 1
U d / U di
Lückfaktor fL in Abhängigkeit
von der Aussteuerung Ud/Udi
bei vollgesteuerten 3pulsigen
Stromrichterschaltungen
(M3-Schaltung)
Lückfaktor fL in Abhängigkeit
von der Aussteuerung Ud/Udi
bei vollgesteuerten 6pulsigen
Stromrichterschaltungen
(M6-, B6-Schaltung)
Der Grenzstrom, bei dem Lücken auftritt, ist bei α = 0° minimal und bei α = 90° maximal.
Die folgenden 4 Oszillogramme zeigen bei einer B6-Stromrichterschaltung die zeitlichen
Verläufe der Ankerspannung uA = ud und des Ankerstromes iA = id. Die ersten 3. Oszillogramme
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte Antriebe FB Technik, Abt. E+I
38

wurden bei nahezu konstantem Aussteuerungswinkel α und das 4. bei minimalem Aussteuerungswinkel
α aufgenommen.
u d in V
u d in V
500
400
300
200
100
0
-100
Ud = 240 V n = 750 min-1 Id = 1,0 A
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
t in ms
25
20
15
10
5
0
-5
25
20
15
10
5
0
-5
i d in A
i d in A
u d in V
500
400
300
200
100
0
-100
Ud = 241 V n = 750 min-1 Id =4,2 A
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
t in ms
ud und id bei lückendem Ankerstrom ud und id bei lückfreiem Ankerstrom
(α ≈ 60°, Leerlauf) (α ≈ 60°, wi > 0, Lückgrenze)
Ud = 249 V Id = 17,5 A n = 750 min
500
-1
400
300
200
100
0
-100
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
t in ms
u d in V
Ud = 466 V Id = 6,6 A n = 1500 min
600
25
-1
500
400
300
200
100
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
t in ms
ud und id bei lückfreiem Ankerstrom ud und id bei lückfreiem Ankerstrom
(α ≈ 60°, wi ≈ 0, großes Drehmoment) (α ≈ 20°, kleines Drehmoment)
Bei Vollaussteuerung (α ≈ 0°) ist die Welligkeit des Ankerstromes gering, die Lückgrenze wird
erst bei sehr kleinen Ankerströmen erreicht.
Dynamisches Verhalten
Unter dem dynamischen Verhalten elektrischer Antriebssysteme versteht man den zeitlichen
Verlauf der Regelgrößen, z. B. Drehzahl oder Drehmoment, bei Änderung von Führungsgrößen,
(wie Ankerspannung oder Erregerstrom) oder bei Änderung von Störgrößen (wie Widerstandsmoment).
Bei rascher Änderung der Führungs- bzw. Störgrößen können im Gegensatz zu
den bisher langsam angenommenen Arbeitspunktwanderungen (auf den stationären Kennlinien)
die elektromagnetischen Ausgleichsvorgänge nicht mehr vernachlässigt werden.
Zur Bestimmung des dynamischen Verhaltens muß das vollständige Gleichungssystem der
zeitlich veränderlichen Kenngrößen aufgestellt werden. Für eine Gleichstrom-Nebenschlußmaschine
mit Φ = konst. gilt:
u
m
A
A
= c ⋅ Φ ⋅ n + R
c ⋅ Φ
= ⋅i
A
2 π
=
A
⋅ i
m
A
W
diA
+ LA
⋅
dt
dn
+ 2 π ⋅ J ⋅
dt
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte Antriebe FB Technik, Abt. E+I
25
20
15
10
5
0
-5
20
15
10
5
0
-5
i d in A
i d in A
(4.3)
39

Beide Differentialgleichungen sind linear und haben konstante Koeffizienten. Zur Berechnung
interessierender Größen, wie n und i, kann deshalb die Laplace-Transformation herangezogen
werden.
Die zeitlich veränderlichen Größen verlaufen im allgemeinen von einem stationären Anfangszustand
X aus nach x = X + ∆x. Werden nur kleine Änderungen berücksichtigt, dann erhält man
zwei Gleichungssysteme, die getrennt betrachtet werden können.
Für den stationären Anfangszustand gilt:
U
A
=
c ⋅ Φ ⋅ n
+ R
M A =
c ⋅ Φ
⋅ I A
2 π
= M
Für die Änderungen gilt:
∆u
A
∆m
A
c ⋅ Φ
= ⋅ ∆i
2 π
A
= c ⋅ Φ ⋅ ∆n
+ R
A
⋅ I
A
A
W
⋅ ∆i
= ∆m
A
W
d∆i
A
+ L A ⋅
dt
d∆n
+ 2 π ⋅ J ⋅
dt
Für die DGL 4.5 sind die Anfangsbedingungen Null. Es erfolgt die Transformation in den
Bildbereich. ο⎯⎯⎯•
∆u
A
∆m
(s) = c ⋅ Φ ⋅ ∆n(s)
+ (R
A
A
+ L
⋅s)
⋅ ∆i
c ⋅ Φ
(s) = ⋅ ∆i
A (s) = ∆m
W (s) + 2 π ⋅ J ⋅s
⋅ ∆n(s)
2 π
Hieraus ergeben sich für die Änderungen ∆iA(s) und ∆uA(s):
∆i
(s) =
2
∆m
W (s) ⋅ 2 π J ⋅ 4 π ⋅s
⋅ ∆n(s)
+
c ⋅ Φ
c ⋅ Φ
A
A
(s)
A (4.7)
2
∆m
W (s) ⋅ 2 π + J ⋅ 4 π ⋅s
⋅ ∆n(s)
∆ u A (s) = c ⋅ Φ ⋅ ∆n(s)
+
⋅ (R A + s ⋅ L A )
(4.8)
c ⋅ Φ
Aus den DGL 4.7 und 4.8 erhält man durch Umstellung die Änderungen ∆n(s) und ∆iA(s) in
Abhängigkeit von ∆uA(s) und ∆mW(s). Hierbei werden eingeführt die elektromagnetische
Ankerzeitkonstante τA und die elektromechanische Zeitkonstante τM.
2 π ⋅ R A
∆u
A (s) - ⋅ ∆m
W (s) ⋅ (1+
s ⋅ τA)
∆ n(s) =
c ⋅ Φ
2
(4.9)
c ⋅ Φ ⋅ (1+
s ⋅ τ + s ⋅ τ ⋅ τ )
A
M
M
A
A
M
2 π ⋅ R A
s ⋅ τM
⋅ ∆u
A (s) + ⋅ ∆m
W (s)
1
∆ i
c
A (s) = ⋅
⋅ Φ
(4.10)
2
R 1+
s ⋅ τ + s ⋅ τ ⋅ τ
L
R
⋅ J ⋅ 4 π
M
2
τ A =
A
R A
τM
=
A
2
(c ⋅ Φ)
(4.11)
Für Gleichstrommaschinen in Normalausführung mit Nennleistungen 100 W ≤ PN ≤ 100 kW
weisen die Zeitkonstanten τA ≈ 12...80 ms und τM ≈ 20...40 ms auf.
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte Antriebe FB Technik, Abt. E+I 40
(4.4)
(4.5)
(4.6)

Als Führungsverhalten des Antriebssystems bezeichnet man nach (Gl. 4.9 und 4.10) die
Abhängigkeit der Größen n(s) und iA(s) von uA(s) für ∆mW = 0. Bei den Anfangsbedingungen von
Null erhält man:
n(s) 1
1
u
i
u
A
A
A
= ⋅
(s) c ⋅ Φ 1+
s ⋅ τ
(s)
(s)
=
1
R
A
M
M
+ s
2
⋅ τ
A
A
⋅ τ
M
M
(4.12)
s ⋅ τM
⋅ (4.13)
2
1+
s ⋅ τ + s ⋅ τ ⋅ τ
Das Störverhalten bestimmt man mit ∆uA = 0:
n(s)
m W (s)
= -
2 π ⋅ R A
2
(c ⋅ Φ)
1+
s ⋅ τA
⋅
2
1+
s ⋅ τM
+ s ⋅ τ
iA
(s)
m (s)
=
2 π
⋅
c ⋅ Φ 1+
s ⋅ τ
1
2
+ s ⋅ τ ⋅ τ
W
M
A
A
M
⋅ τ
M
(4.14)
(4.15)
Die Übertragungungsfunktionen (4.12 bis 4.15) zeigen das gleiche Nennerpolynom. Es prägt den
Zeitverlauf von n und iA. Die Wurzeln der charakteristischen Gleichung 1 + s · τM + s 2 · τM · τA
lauten:
s 1/
2
1
= -
2 τA ⎛
⋅⎜
⎜
1±
⎝
4 τ ⎞ A
1-
⎟
τ ⎟
M ⎠
(4.16)
Für
4τA < τM sind s1/2 negativ und reell; die Vorgänge verlaufen aperiodisch. Dieser Verlauf tritt bei
den meisten Gleichstrommaschinen mit angekuppelter Arbeitsmaschine auf.
4τA = τM sind s1 = s2 = - 1/2τA. Die Wurzeln sind negativ und reell (aperiodischer Grenzfall).
4τA > τM sind s1/2 negativ und komplex; es bilden sich Schwingungsvorgänge aus. Dieser
Verlauf kann bei trägheitsarmen Antrieben auftreten.
Nach den Übertragungsfunktionen kann der Signalflußplan der konstant erregten Gleichstrom-
nebenschlußmaschine aufgestellt werden.
Führungsgröße
u A
1
3
+
⇒
⇒
-
u q
R
A
R
A
2
(c ⋅ Φ)
i A
+ -
1 2 3
1
⋅ (1+
s ⋅ τ
⋅ 2 π
⋅ s ⋅ τ
A
M
)
=
4
1
2 π ⋅s
⋅ J
m A
m B
m W
Störgröße
Regelgröße
Signalflußplan der Gleichstrom-Nebenschlußmaschine
2
4
⇒
⇒
n
c ⋅ Φ
2 π
c ⋅ Φ
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte Antriebe FB Technik, Abt. E+I
41

Das Übergangsverhalten bei sprungartiger Führungsgrößenänderung soll bei einer drehzahlunabhängigen
Belastung (MW = konst.) bestimmt werden. Bei stationärem Ausgangszustand und
sprungförmiger Spannungsänderung bestimmt man mit ∆uA(s) = ∆UA(s)/s und ∆mW(s) = 0 nach
Gl. (4.9 und 4.10) das Führungsverhalten.
∆U
A (s)
1
∆ n W (s) = ⋅
(4.17)
2
c ⋅ Φ s ⋅ (1+
s ⋅ τ + s ⋅ τ ⋅ τ )
∆U
(s)
M
τ
A
M
A
M
∆ i AW (s) = ⋅
(4.18)
2
R A 1+
s ⋅ τM
+ s ⋅ τA
⋅ τM
Für Gl. (4.17 und 4.18) erfolgt die Rücktransformation in den Zeitbereich. •⎯⎯⎯ο
∆n
W
(t)
=
s1
⋅ t s
∆U
⎛ A s 2 ⋅ e - s1
⋅ e
⋅⎜
⋅ Φ ⎜
1+
c ⎝ s1
- s 2
∆U
e
- e
2
⋅ t
⎞
⎟
⎠
(4.19)
s1
⋅ t s2
⋅ t
A
∆ i AW (t) = ⋅
(4.20)
R A ⋅ τA
s1
- s 2
1,5
1,0
∆ n W
∆ U/c· Φ
τ A = τ M
4τ A = τ M
1,0
∆ i AW
∆ U/R A
0,5
4τ A = τ M
0,5
0
τ A = τ M
1,5
-0,5 -0,5
0 2 4 6 8 10
t /τ A
0
Drehzahl- und
Stromübergangsverhalten
der Gleichstrom-
Nebenschlußmaschine bei
Spannungssprung
Das Störverhalten wird bei Betrieb an konstanter Spannung (UA = konst.) ermittelt. Bei
stationärem Ausgangszustand und sprungförmiger Änderung des Widerstandsdrehmoments
bestimmt man mit ∆mW = ∆MW/s und ∆uA(s) = 0 nach Gl. (4.9 und 4.10) das Störverhalten.
2 π ⋅ R A ∆M
W ⋅ (1+
s ⋅ τA
)
∆ n z (s) = - ⋅
(4.21)
2
2
(c ⋅ Φ)
s ⋅ (1+
s ⋅ τ + s ⋅ τ ⋅ τ )
M
A
M
2 π
1
∆ i Az (s) = ⋅ ∆M
W ⋅
(4.22)
2
c ⋅ Φ s ⋅ (1+
s ⋅ τ + s ⋅ τ ⋅ τ )
M
Für Gl. (4.21 und 4.22) erfolgt die Rücktransformation in den Zeitbereich. •⎯⎯⎯ο
2 π ⋅ R A
∆n
z (t) = - ⋅ ∆M
2
(c ⋅ Φ)
∆i
Az
2 π
(t) = ⋅ ∆M
c ⋅ Φ
W
W
⎛ s
⋅⎜
⎜
1+
⎝
2
s1
⋅
⋅ e
s
t
1
- s
- s
s1
⋅ t ⎛ s 2 ⋅ e - s1
⋅ e
⋅⎜
⎜
1+
⎝ s1
- s 2
A
1
2
⋅ e
s ⋅ t
2
⎞
⎟
⎠
M
s ⋅ t
2
+
s1
⋅ t
e
s2
- e
τ ⋅ (s - s
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte Antriebe FB Technik, Abt. E+I
M
1
⋅ t
2
⎞
⎟
) ⎟
⎠
(4.23)
(4.24)
42

Für t » τA kann das Glied e s 2 ·t = e -t/τ A ≈ 0 gesetzt werden. Die Übergangsvorgänge werden bei
τA « τM allein von der elektromechanischen Zeitkonstante geprägt. Der Strom iA kann sich dann
nahezu sprunghaft ändern. Die Drehzahländerung ist jedoch stets an die elektromechanischen
Zeitkonstante τM geknüpft.
1,5
Struktur und Parameteränderungen im Signalflußplan des stromrichtergesteuerten Gleichstromantriebes
beim Übergang in den Lückbereich erschweren die Optimierung des dynamischen
Verhaltens des geregelten Antriebssystems. Im Signalflußplan der Gleichstrom-Nebenschluß-
maschine (S. 41) ändert sich der Block 1.
1 ⇒
R
1
⋅ (1+
s ⋅ τ )
lückfreier Betrieb 1
Mit einer adaptiven Ankerstromregelung, die sich der Änderung der Regelstrecke anpaßt,
wird im gesamten Ankerstrombereich ein optimales Übergangsverhalten erreicht.
4.2 Antriebe mit Pulssteller
Bei batteriegetriebenen Elektrofahrzeugen werden zur Ankerspannungsstellung und bei
Gleichstromstellantrieben verlustarm arbeitende Pulssteller angewendet. Der Pulssteller ist ein
hochwertiges Stellglied mit geringer Totzeit.
Beim Pulssteller (Gleichstromsteller) wird durch ein elektronisches Stellglied S die Netzspannung
UN mit möglichst hoher Frequenz fP pulsförmig auf den Antrieb geschaltet. Bei der häufig
verwendeten Pulsbreitensteuerung ist dabei innerhalb der konstanten Periodendauer tp = 1/fP die
Einschaltzeit tE einstellbar. In den Pausen fließt der Ankerstrom über einen Freilaufkreis mit der
Diode D weiter.
I N
U N
S
I D
τ A = τ M
D
L
u L
τ A = τ M
∆ n 1,0 Z
−∆ M W ·(2 π ·R A )
(c· Φ) 0,5
4τ A = τ M
4τ A = τ M
1,0 ∆ i AZ
∆ M W ·2 π /(c· Φ )
0,5
Drehzahl- und
S tromübergangsverhalten
0
0
der Gleichstrom-
Nebenschlußmaschine
-0,5
0 2 4 6
t /τ A
8
-0,5
10
bei Drehmomentensprung
MW
2
A
A
I A
U A
GM
R A
i N
t E t A t P
u L
1,5
i D
u L
⇒
1
R
Al
lückender Betrieb
S elektronischer Ein-Ausschalter D Freilaufdiode
L Gesamtinduktivität des Ankerkreises (LP + LA) RA Ankerkreiswiderstand
Grundschaltung eines Pulsstellers und Pulsbreitensteuerung der Gleichspannung UA
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte Antriebe FB Technik, Abt. E+I
U A
U N
t
i A
43

Wenn das Stellglied S während der Zeit tE geschlossen ist, nimmt der Antrieb mit iA = iN Energie
aus dem Netz auf. Die Spannungsgleichung des Kreises bei geschlossenem Schalter (0 ≤ t ≤ tE)
lautet:
U
N
=
U
A
+ u
L
di A
= c ⋅ Φ ⋅ n + R A ⋅ i A + L ⋅
(4.25)
dt
In der Zeit tA ist das Stellglied S geöffnet; der Strom iA = iD klingt infolge der magnetischen
Energie der Induktivität L nur langsam über den Freilaufkreis ab. Im Freilaufkreis gilt bei
geöffnetem Schalter (tE ≤ t ≤ tP):
di A
U A + u L = 0 = c ⋅ Φ ⋅ n + R A ⋅ i A + L ⋅
(4.26)
dt
Mit den Gl. (4.3, 4.25 und 4.26) kann das Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinienfeld abhängig
vom Tastverhältnis tE/tP bestimmt werden. Für den Betrieb des pulsgesteuerten Antriebs sind auch
der Lückbereich und die auftretende Stromschwankungsbreite ∆iA von Bedeutung, die aus den
Stromverläufen (4.27 und 4.28) ermittelt werden. Schalter geschlossen (0 ≤ t ≤ tE):
U N - c ⋅ Φ ⋅ n ⎛ U N - c ⋅ Φ ⋅ n ⎞ −t
/ τA
i A =
+ I A1
-
e
R ⎜
⋅
A
R ⎟
(4.27)
⎝
A ⎠
Schalter geöffnet (tE ≤ t ≤ tP):
c ⋅ Φ ⋅ n ⎛ c ⋅ Φ ⋅ n ⎞ −(
t - t E ) / τA
i A = − + I A2
e
R ⎜ + ⋅
A
R ⎟
(4.28)
⎝
A ⎠
mit ∆iA = │IA2│ - │IA1│ als Stromschwankungsbreite.
Durch Einsetzen von tE und tP in Gl. (4.27 und 4.28) erhält man nach Umstellung für den Pulssteller
in Grundschaltung:
U (1-
e ) ⋅ (1-
e )
∆ (4.29)
iA = N ⋅
R A
−t
E / τA
−(
t P - t E ) / τA
−t
P / τA
1-
e
Für tP « τA vereinfacht sich Gl. (4.29) zu:
U ⎛ ⎞
N t E
∆i
⋅ ⋅ ⎜
⎟
A = t E 1-
(4.30)
L ⎝ t P ⎠
Bei tE/tP = 0,5 stellt sich die größte Stromschwankungsbreite ∆iA ein.
Das Stromlücken tritt dann auf, wenn der Strom iA nach Gl. (4.27 und 4.28) Null wird. Entspricht
dabei die Stromführungsdauer der Periodendauer tP, so liegt gerade die Lückgrenze vor. Bei
vorgegebenem Lückgrenzstrom Idl gilt für die erforderliche Ankerkreisinduktivität L = LP + LA:
R A ⋅ t P
L =
(4.31)
U N + 2 ⋅ Idl
⋅ R A
ln
U − 2 ⋅ I ⋅ R
N
dl
A
Durch geeignete Wahl der Pulsfrequenz bzw. Vergrößerung der Ankerkreisinduktivität kann der
Lückbereich eingeengt bzw. vermieden werden. Die Vergrößerung der Pulsfrequenz ist gegenüber
dem unwirtschaftlichen Einsatz von Glättungsdrosseln vorzuziehen. Außerdem wird damit
das dynamische Verhalten des Pulsstellers verbessert. Mit dem Gleichstromsteller können hohe
Forderungen an den Drehzahlstellbereich (S = 1 : 0,001) erfüllt werden.
Als Mittelwert der Spannungsimpulse stellt sich die Ankerspannung UA nach Gl. (4.32) ein.
t E t E
U A = U N ⋅ = U N ⋅
(4.32)
t t + t
P
E
A
Die Ankerspannung kann so stufenlos zwischen Null und UN variiert werden.
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte Antriebe FB Technik, Abt. E+I
44

Durch Vertauschen der Anordnung von Freilaufdiode und Stellglied kann eine Rücklieferung von
Energie in die Batterie beim Pulssteller erfolgen. Die Möglichkeit der Energierückgewinnung
wird bei Elektrofahrzeugen genutzt. Wegen der geringen dynamischen Anforderungen kann die
Umschaltung Fahr- zum Bremsbetrieb auch mit mechanischen Schaltern durchgeführt werden.
U N
T
i A
D1
u L
1
U A
2 1
GM
1 2
D2
Schalter 1 geschlossen:
Motorbetrieb
Schalter 2 geschlossen:
Nutzbremsung
Prinzipschaltung eines
Pulsstellers für
Elektrofahrzeuge
Im Motorbetrieb fließt der Ankerstrom im Kreis Gleichstrommaschine - Batterie - T. Den Freilaufkreis
bilden bei Löschung von T die Gleichstrommaschine - D1. Im Bremsbetrieb fließt bei
Löschung von T der Ankerstrom im Kreis Gleichstrommaschine - D2 - Batterie - D1. Den Freilaufkreis
bilden die Gleichstrommaschine - D2 - T.
Erfolgt die Einspeisung eines Elektrofahrzeuges durch einen Fahrdraht, so ist der Schaltungsaufbau
entsprechend. Es ist jedoch ein LC-Filter notwendig, um die Stromrichterventile bei
Stromunterbrechung vor Überspannungen, bedingt durch die Fahrleitungsinduktivität, zu
schützen.
Für Gleichstrom-Servoantriebe werden häufig transistorisierte 4-Quadranten-Gleichstromsteller in
Brückenschaltung (T1 - T4) verwendet.
L1
L2
L3
U C
T1 T3
C
L
GM
IA T2 T4
Als Stellglied werden heute eingesetzt:
• Feldeffekttransistoren bis zu rd. 10 kW bei hoher Pulsfrequenz (über 20 kHz);
• IGBT's bis zu rd. 1000 kW bei mittlerer Pulsfrequenz (bis rd. 16 kHz)
• GTO-Thyristoren bei hohen Leistungen (fP < 2 kHz).
U A
Prinzipschaltung eines
Transistorstellers
mit IGBT´s
4.3 Regelung von Gleichstromantrieben
Stromrichtergespeiste Gleichstromantriebe besitzen generell eine Steuer- und Regeleinrichtung.
Sie hat folgende Hauptaufgaben zu erfüllen:
• Bereitstellung der Steuersignale für das Stromrichterstellglied,
• Schutz des Stromrichterstellgliedes vor betriebsmäßigen Überlastungen,
• genaue Einhaltung vorgegebener Regelgrößen des Antriebssystems, wie Drehmomente,
Drehzahlen, Drehwinkel entsprechend den technologischen Sollwerten unabhängig von
Störgrößeneinwirkungen,
• Realisierung definierter Fahrkurven und Übergangsprozesse in den technologischen
Anlagen, in denen Antriebe als Stellglieder eingesetzt sind.
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte Antriebe FB Technik, Abt. E+I
45

Bei der Drehzahlverstellung einer stromrichtergespeisten Gleichstrommmaschine wird im
allgemeinen nur die Ankerspannung UA verändert. Die Spannung der Erregerwicklung UE wird
meistens nicht beeinflußt. Bei betriebswarmer Maschine stellt sich ein nahezu konstanter
Erregerstrom IE und damit ein entsprechend konstanter Fluß Φ in der Maschine ein.
Die Drehzahlverstellung kann grundsätzlich mit einer Steuereinrichtung oder einer Regeleinrichtung
erfolgen. Ein optimales dynamisches Verhalten bei Sollwert- und Störgrößenänderungen
kann jedoch nur mit Regeleinrichtungen erreicht werden.
Drehzahlsteuerung
Mit der Eingangsgröße (Führungsgröße w), die über ein Potentiometer einstellbar ist, wird das
Stellglied (vollgesteuerte B6-Schaltung mit Steuersatz) beeinflußt. Am Ausgang des Stellgliedes
steht die Gleichspannung Ud = UA als Stellgröße zur Verfügung. Der Ankerstrom Id = IA stellt sich
entsprechend dem Drehmoment ein. Die Drehzahl stellt sich proportional zur Maschinenquellenspannung
UqM ein, da der Fluß in der Maschine nahezu konstant ist.
U S
Führungsgröße
Signalfluß einer
Steuerung
α
Stellglied
L1L2L3
L A
U d Uq
R A
Steuerstrecke
GM
Stellgröße Steuergröße
Drehzahlsteuerung einer Gleichstrommaschine
w
z 1
Stellglied
z 1, z 2 Störgrößen
I d
y
I E
n
z 2
Steuerstrecke
w Führungsgröße (Sollwert) y Stellgröße
x Steuergröße
Drehzahlregelung
Der Drehzahlsollwert nW (Führungsgröße w) wird mit dem Drehzahlistwert der Tachomaschine
nM verglichen und die Sollwertabweichung dem Drehzahlregler zugeführt. Der Drehzahlregelung
ist eine Ankerstromregelung unterlagert, die einerseits den Stromrichter gegen Überlastung
schützt und anderseits zu einem guten dynamischen Verhalten für die Stromregelung führt. Der
überlagerte Drehzahl-Regelkreis liefert für den Ankerstrom-Regelkreis die Führungsgröße, die
mit dem Stromistwert verglichen wird. Der Ausgang des Stromreglers beeinflußt das Stellglied
(vollgesteuerte B6-Schaltung mit Steuersatz). Am Ausgang des Stellgliedes steht die Gleichspannung
Ud = UA als Stellgröße zur Verfügung. Der Ankerstrom Id = IA stellt sich abhängig vom
Drehmoment und vom Stromregler ein. Die Drehzahl stellt sich proportional zur Maschinenquellenspannung
UqM ein.
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte Antriebe FB Technik, Abt. E+I
M W
x
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n W
1 Drehzahlregler
2 Stromregler
1
Regler
u R
α
Stellglied
L1 L2 L3
U U M
d q GM
W
T n
Regelstrecke
Führungsgröße Stellgröße Regelgröße
Signalflußplan
einer Regelung
Verlauf der Regelgröße
nach einer sprunghaften
Änderung des Drehmomentes mW
2
L A
R A
Drehzahlregelung einer Gleichstrommaschine
z 1, z 2 Störgrößen
Verlauf der Regelgröße
nach einer sprunghaften
Änderung der Führungsgröße w
w
z 1
Regeleinrichtung
w Führungsgröße (Sollwert)
x
m
x
m
I d
y
Anregelzeit
Ausregelzeit
Ausregelzeit
Anregelzeit
Führungsgröße w
I E
z 2
Regelstrecke
y Stellgröße
x Regelgröße
Regelgröße x
Last m W
Regelgröße
x
Toleranzband
t
Toleranzband
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte Antriebe FB Technik, Abt. E+I
t
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Das quasistationäre und das dynamische Verhalten des drehzahlgeregelten Gleichstromantriebs
kann in einem Blockschaltbild dargestellt werden.
n W
1
+ _ + _
+ +
7 6 5 1 2
1
c ⋅ Φ
R A ⋅ 2 π 1
⇒ 2 ⇒ 3 ⇒
=
4
2
R ⋅ (1+
s ⋅ τ ) 2 π
(c ⋅ Φ)
⋅s
⋅ τ 2 π ⋅s
⋅ J
A
i AW
A
uR
u u 4
A q mA _
Blockschaltbild des drehzahlgeregelten Gleichstromantriebes
i A
M
_
m B
m W
3
⇒
n
c ⋅ Φ
Die Blöcke 1 - 4 stellen die Gleichstrommaschine mit sogenannter EMK-Schleife dar (Signalflußplan
der GNM 4.1-9).
s St k
− ⋅ τ
5 ⇒ ⋅
St e
Der Block 5 stellt den netzgeführten Stromrichter als Totzeitglied mit der Verstärkung kSt dar.
6
k
⋅ (1+
s ⋅ τ )
s ⋅ τ
i
i
⇒ 7
i
⇒
k
n
⋅ (1+
s ⋅ τn
)
s ⋅ τ
Block 6 stellt den Stromregler mit PI-Verhalten und Block 7 den Drehzahlregler ebenfalls mit PI-
Verhalten dar. Die PI-Regler verhindern eine bleibende Drehzahlabweichung bei Drehmomentensprüngen.
G. Schenke, 3.2003 Automatisierte Antriebe FB Technik, Abt. E+I
n
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