Drehzahlvariabler Betrieb von Drehstrommaschinen

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1 Drehzahlvariable Antriebe Drehzahlvariable elektrische Antriebe werden heute in den meisten Fällen mit Käfigläufer Asynchronmaschinen, manchmal auch mit permanentmagneterregten Synchronmaschinen ausgeführt. Um diese Maschinen drehzahlvariabel zu betreiben, werden sie mit em Drehspannungssystem variabler Amplitude und Frequenz gespeist. Dieses variable Drehspannungssystem wird durch Spannungszwischenkreis-Umrichter erzeugt (Fotos: Siemens) 1

2 Spannungszwischenkreis-Umrichter Spannungszwischenkreis-Umrichter erzeugen aus er Gleichspannung Drehspannungssystem variabler Amplitude und Frequenz. Stellglieder sind dabei Leistungshalbleiter: Transistoren (IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor) und Dioden. Damit die Verluste beherrschbar bleiben, werden die Leistungshalbleiter entweder ganz geschaltet (kle Durchlassspannung, großer Strom) oder ganz ausgeschaltet (große Spannung, sehr kler Sperrstrom). Damit lassen sich dann Wirkungsgrade im Nennpunkt Spannungszwischenkreisumrichter von 97% - 99% erreichen. zur Speisung er Drehstrommaschine T1 D1 T3 D3 T5 D5 ASM T D T4 D4 T6 D6 Quelle: geprägte Spannung

3 Einspeisung Die Einspeisung in den Gleichspannungszwischenkreis erfolgt über en Gleichrichter aus dem Drehstromnetz, z.b. dem 400 V Netz. Wenn der Antrieb häufiger generatorisch arbeitet kann rückspeisefähiger Umrichter gesetzt werden, der die Bremsenergie in das Netz zurückspeist. Das verbessert den Wirkungsgrad und reduziert den Aufwand für den sonst notwenigen Bremssteller (mit großem Bremswiderstand) Einspeisung aus AC-Netz über Diodenbrücke, mit Bremssteller T1 D1 T3 D3 T5 D5 3 AC ASM T D T4 D4 T6 D6 - auch generatorischer Betrieb möglich - großes Volumen des Widerstands, Kühlung erforderlich (je nach Lastspiel) - Freilaufdiode im Bremssteller wegen parasitärer Induktivitäten im Widerstand 3

4 Spannungssteuerung Im Gegensatz zu em Linearverstärker, der e kontinuierliche veränderbare Spannung bereitstellt, kann damit der Spannungszwischenkreis-Umrichter die Ausgangsspannung nur in Stufen verändern: Die Ausgangsspannung ist entweder auf dem positiven oder dem negativem Zwischenkreispotential. Durch Pulsweitenmodulation (z.b. Sinus-Dreieck-Modulation) wird im Kurzzeitmittelwert (Mittelung über e Periode der Schaltfrequenz) e sinusförmige Spannung gestellt. Erzeugung der Ausgangsspannung durch Pulsweitenmodulation - Sinus-Dreieck-Modulation 0 i d u U0 * +1 s U -1 U +1 s V -1 V +1 i U u UV i V W i W u U u V u W K u U0 * S Uo S Uo s W S Uu -1 Uu / / - / - / aus aus aus u K0 u U0 u V0 u W0 0 uu U0 U0 / / Schaltfunktion s U : S Uo, S Uu aus: s U =1 - / - / 4

5 Laststrom Da die Last induktiven Charakter hat, entsteht trotz der bockförmigen Spannung sinusförmiger Stromverlauf mit mehr oder weniger starken Oberschwingungen Oberschwingungen führen im Motor zu zusätzlichen Verlusten, zu Pendelmomenten, zu Geräuschen. Durch e höhere Schaltfrequenz können die Oberschwingungsamplituden reduziert und ihr Frequenzbereich verschoben werden z.b. oberhalb der Hörschwelle. Allerdings führen höhere Schaltfrequenzen auch zu höheren Umrichterverlusten. 1 i1 t I L t t ms Motorstrom, bezogen auf den Grundschwingungseffektivwert Grundfrequenz 50 Hz, Schaltfrequenz 1 khz 5

6 Steuerung von Asynchronmaschinen Wenn ke besonderen Anforderungen an die Dynamik und an Schutzfunktionen gestellt werden, kann die Steuerung der ASM über e u/f-kennlinie erfolgen: Frequenz und Spannung werden proportional verstellt, damit ist die Leerlaufdrehzahl der ASM bestimmt, die genaue Drehzahl ergibt sich aus der Belastung (wie beim Betrieb am 50 Hz-Netz). Dieses fache Verfahren ist gut geeignet, um z.b. Pumpen und Lüfter mit verminderter Drehzahl und damit reduziertem Volumenstrom zu fahren. Bei hohen Anforderungen an die Dynamik kann die feldorientierte Regelung oder die Direct- Torque-Control zum Einsatz kommen. Diese Regelverfahren beruhen auf em Maschinenmodell, das auch das dynamische Verhalten richtig wieder gibt, erfordern erheblich mehr Rechenaufwand in der Steuerung und e genaue Kenntnis der Maschinenparameter. Diese hochwertigen Verfahren kommen z.b. in Fahrzeugantrieben und bei Werkzeugmaschinen zum Einsatz. Quelle: Leonhard, Regelung elektrischer Antriebe 6

7 Die geregelte Drehstrommaschine als Stellglied Im Gesamtsystem kommt der drehzahlvariabel betriebenen Drehstrommaschine die Rolle als Stellglied es Reglers zu. Einflussfaktoren für die erreichbare Dynamik: Zulässiges Drehmoment Trägheitsmoment des Gesamtsystems Güte und Abtastrate der Regler Schaltfrequenz des Stromrichters Schnittstelle zum übergeordneten Regler: Drehmomentsollwert. Datenübertragung über en Feldbus, z.b. CAN, Profibus, Quelle: Leonhard, Regelung elektrischer Antriebe 7

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