Choppersteuerung eines separat erregten Gleichstrommotors

Ein Chopper ist ein Gerät, das eine feste Gleichspannung (Gleichstrom, DC) in eine variable Gleichspannung umwandelt. Selbstkommutierte Bauteile wie Metal-Oxide-Semiconductor-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), Isolierte-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBTs), Leistungstransistoren, Gate-Turn-Off-Thyristoren (GTOs) und Integrierte-Gate-Kommutierte-Thyristoren (IGCTs) werden häufig bei der Herstellung von Choppers verwendet. Diese Bauteile können direkt über ein Gattersignal mit geringer Leistung eingeschaltet oder ausgeschaltet werden und benötigen keinen zusätzlichen Kommutierungsschaltkreis, was sie sehr effizient und praktisch für Chopperanwendungen macht.

Choppers werden in der Regel mit hohen Frequenzen betrieben. Dieses Hochfrequenzbetrieb verbessert die Motorenleistung erheblich, indem Spannungs- und Stromschwankungen reduziert und unterbrochene Leitung vermieden werden. Einer der bemerkenswertesten Vorteile der Choppersteuerung ist ihre Fähigkeit, regeneratives Bremsen auch bei sehr niedrigen Drehzahlen zu ermöglichen. Diese Funktion ist besonders wertvoll, wenn das Antriebssystem mit einer festen bis niedrigen Gleichspannungsquelle versorgt wird, was eine effiziente Energierückgewinnung während des Bremsvorgangs ermöglicht.

Motorenbetriebssteuerung

Die folgende Abbildung zeigt einen separat erregten Gleichstrommotor, der durch einen Transistorchopper gesteuert wird. Der Transistor Tr wird periodisch mit einer Periode Tr geschaltet und bleibt für eine Dauer Ton im leitenden Zustand. Die entsprechenden Wellenformen der Motorklemmenspannung und des Armaturstroms sind ebenfalls in der Abbildung dargestellt. Wenn der Transistor eingeschaltet ist, beträgt die Motorklemmenspannung V, und der Betrieb des Motors kann wie folgt beschrieben werden:

Während dieses spezifischen Zeitintervalls steigt der Armaturstrom von ia1 auf ia2 an. Diese Phase wird als Arbeitsintervall bezeichnet, da der Motor während dieser Zeit direkt mit der Energiequelle verbunden ist. Die direkte Verbindung ermöglicht den Transfer elektrischer Energie von der Quelle zum Motor, was es ihm ermöglicht, mechanisches Drehmoment zu erzeugen und sich zu drehen.

Wenn t = ton, wird der Transistor Tr deaktiviert. Im Anschluss beginnt der Motorstrom, durch den Freilaufdioden Df zu fließen. Als Ergebnis fällt die Spannung an den Motorklemmen innerhalb des Zeitintervalls ton≤t≤T auf Null. Dieses Intervall wird als Freilaufintervall bezeichnet. Während dieses Freilaufphases wird die in dem magnetischen Feld und der Induktivität des Motors gespeicherte Energie über die Freilaufdioden abgegeben, wodurch der Stromfluss in einem geschlossenen Kreis aufrechterhalten wird. Der Betrieb des Motors während dieses Intervalls kann weiter analysiert und beschrieben werden, indem man die elektrischen und magnetischen Wechselwirkungen innerhalb der Schaltungskomponenten untersucht.

Der Motorstrom sinkt während dieses Intervalls von ia2 auf ia1. Das Verhältnis des Arbeitsintervalls ton zur Chopperperiode T wird als Tastgrad bezeichnet.

Regeneratives Bremsen

Die folgende Abbildung zeigt einen Chopper, der für den regenerativen Bremsbetrieb konfiguriert ist. Der Transistor Tr wird zyklisch mit einer Periode T und einer Einschaltzeit ton geschaltet. Nebenstehend sind die Wellenformen der Motorklemmenspannung va und des Armaturstroms ia unter kontinuierlicher Leitung dargestellt. Um den Induktivitätswert La zu erhöhen, wurde ein externer Spule in den Schaltkreis integriert.

Wenn der Transistor Tr eingeschaltet wird, steigt der Armaturstrom ia von ia1 auf ia2. Diese Steigerung des Stroms erfolgt, während elektrische Energie temporär in der Spule und dem magnetischen Feld des Motors gespeichert wird, was die Grundlage für den nachfolgenden Energieumwandlungsprozess bildet, der charakteristisch für das regenerative Bremsen ist.

Wenn der Motor im regenerativen Bremsmodus arbeitet, fungiert er als Generator und wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um. Ein Teil dieser elektrischen Energie trägt dazu bei, die magnetische Energie, die in der Induktivität des Armaturkreises gespeichert ist, zu erhöhen. Gleichzeitig wird der verbleibende Teil der elektrischen Energie als Wärme in den Armaturwicklungen und den Transistoren abgegeben, aufgrund des inhärenten Widerstands dieser Komponenten.

Wenn der Transistor ausgeschaltet wird, fließt der Armaturstrom durch die Dioden D und die Energiequelle V und sinkt von ia2 auf ia1. In diesem Prozess wird sowohl die in dem Schaltkreis gespeicherte elektromagnetische Energie als auch die vom Maschinengenerator erzeugte Energie zurück in die Energiequelle eingespeist. Das Zeitintervall von 0 bis ton wird als Energiespeicherintervall definiert, während dessen Energie im System akkumuliert wird. Im Gegensatz dazu wird das Intervall von ton bis T als Arbeitsintervall bezeichnet, während dessen Energieübertragung und Systembetrieb stattfinden.

Steuerung des Motorenbetriebs und des Bremsvorgangs

Während des Motorenbetriebs wird der Transistor Tr1 reguliert, um Energie an den Motor zu liefern und ihn vorwärts laufen zu lassen. Im Gegensatz dazu übernimmt für den Bremsvorgang der Transistor Tr2 die Kontrolle. Die nahtlose Übergabe der Steuerung von Tr1 zu Tr2 schaltet den Betrieb des Systems von Motorenbetrieb auf Bremsvorgang, und die Umkehrung dieser Steuerung bringt das System wieder in den Motorenbetrieb. Dieses präzise Steuerungsmechanismus stellt sicher, dass das elektrische Antriebssystem unter verschiedenen Arbeitsbedingungen effizient und zuverlässig funktioniert.

Dynamische Steuerung

Der dynamische Bremskreis zusammen mit seiner entsprechenden Wellenform ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Im Zeitintervall von 0 bis Ton steigt der Armaturstrom ia stetig von ia1 auf ia2. Während dieser Phase wird ein Teil der elektrischen Energie in der Induktivität gespeichert, die als Reservoir für nachfolgende Operationen dient. Gleichzeitig wird der verbleibende Teil der Energie als Wärme in den Armaturwiderstand Ra und den Transistor TR abgegeben, was eine notwendige Folge des elektrischen Widerstands in diesen Komponenten ist.

Im Zeitintervall Ton ≤ t ≤ T fällt der Armaturstrom ia von ia2 auf ia1. In dieser Phase wird sowohl die vom Motor erzeugte Energie als auch die in den Induktivitäten gespeicherte Energie über den Bremswiderstand RB, den Armaturwiderstand Ra und die Dioden D abgegeben. Der Transistor Tr spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der in RB abgegebenen Energiemenge. Durch die präzise Steuerung des Betriebs von Tr kann man die in RB abgegebene Leistung effektiv modulieren, was die Gesamtleistung des Bremsvorgangs und den effektiven Wert der abgegebenen Energie beeinflusst. Dieser Steuerungsmechanismus ermöglicht eine Feinabstimmung des dynamischen Bremsvorgangs und gewährleistet eine optimale Energiemanagement und Systemstabilität.