Elektrische Energietechnik (S8803) Seite 4.11 Asynchronmaschine

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1 Elektrische Energietechnik (S8803) Seite Drehtransformator Wird die Ständerwicklung einer ASSM mit festgebremsten Läufer an ein dreiphasiges Spannungssystem mit der Frequenz f S angeschlossen, so erregt die symmetrische Drehstromwicklung ein mit der synchronen Drehzahl n d = f S /p umlaufendes Drehfeld. Dieses induziert auf Grund seiner Relativbewegung gegenüber dem Läufer in jedem Strang der Läuferwicklung die Spannung U L, die man bei stillstehendem Läufer als Läuferstillstandsspannung U L0 bezeichnet. Sie kann bei offener Wicklung (Läufer stromlos) an den Schleifringen gemessen werden. Die induzierten Spannungen der drei Läuferstränge haben den gleichen Effektivwert und sind zeitlich um 120 verschoben (Bild 4.6a). Das Übersetzungsverhältnis U S /U L ergibt sich aus dem Windungszahlenverhältnis (ü = N S /N L ), die Phasenlage zwischen U S und U L aus dem Winkel der Wicklungsachse der Ständerwicklung Strang U (W.A.S.U) und der Wicklungsachse der Läuferwicklung Strang U (W.A.L.U). Bei einer Verdrehung des festgebremsten Läufers ändert sich der Betrag der Läuferspannung nicht, wohl aber ihre Phasenlage gegenüber der Netzspannung, da die Wicklungsachsen der Rotorwicklungen W.A.L. gegenüber denen des Ständers W.A.S. verdreht sind (Bild 4.6b). Bild 4.6: a) Wicklungsanordnung eines Drehstromtransformators b) bei festgebremstem Läufer mit Versatz der Ständer- und Läuferwicklung um α

2 Seite 4.12 Elektrische Energietechnik (S8803) Diese Eigenschaften des Schleifringläufers werden beim Drehtransformator ausgenutzt. Drehtransformatoren werden in Laboratorien zur Erzeugung einer stufenlos verstellbaren Drehspannung eingesetzt Wicklungsersatzschaltbilder Zur Ableitung des Ersatzschaltbildes werden beide Dreiphasenwicklungssysteme (Läufer, Ständer) durch 2 x 3 einphasige ersetzt. Dies ist dann zulässig, wenn sie symmetrisch durchflutet werden, was im störungsfreien Betrieb i.a. erfüllt ist. (Wechselfelder und Gegensystem gleich Null, keine Oberwellen im Drehfeld). Unter diesen Bedingungen hat das Ersatzschaltbild und Zeigerdiagramm der Ständerwicklung folgende Form: Bild 4.7: Ersatzschaltbild und Zeigerdiagramm der Ständerwicklung Das Ersatzschaltbild der Läuferwicklung (auf die Ständerseite umgerechnet) hat die gleiche Form. Bild 4.8: Ersatzschaltbild der Läuferwicklung (auf die Ständerseite umgerechnet)

3 Elektrische Energietechnik (S8803) Seite 4.13 Werden beide Ersatzschaltbilder zusammengefaßt (jx Sh = jx Lh ), folgt das einphasige Ersatzschaltbild der ASSM. Es ist vergleichbar mit dem des Transformators (Kapitel 3). Bild 4.9: Ersatzschaltbild der ASSM; R V = Eisenverluste, I 0 = Leerlaufstrom, U L = Läuferspannung Läuferspannung Im Gegensatz zum Transformator kann sich die "Sekundärwicklung" auf dem Läufer gegenüber der "Primärwicklung" des Ständers drehen. Die Erfahrung zeigt, daß sich die Spannung U L mit steigender Läuferdrehzahl n entsprechend der Abnahme des Schlupfes linear ändert. U L n rel n d ] U L0 n d n n d ] U L0 s] U L0 (4.19) Bild 4.10: U L = f(n) Die Läuferfrequenz f L beträgt bei Stillstand: f L = f S (s = 1) Synchronismus: f L = 0 (s = 0) (es wird keine Spannung mehr induziert) f L n rel ] f n S n d n ] f d n S d (4.20) s] f S Bild 4.11: f L = f(n)

4 Seite 4.14 Elektrische Energietechnik (S8803) Asynchron-Kurzschlußläufer-Maschine (ASM) Wird die Läuferwicklung einer ASSM kurzgeschlossen, spricht man von einer ASM mit Kurzschlußläufer (ASMK). Der Kurzschlußläufer hat nur noch massive Läuferstäbe in den Nuten, die nicht einmal vom Läufereisen isoliert zu sein brauchen und nur an beiden Stirnflächen des Läufers durch je einen Ring leitend miteinander verbunden sein müssen. Ein Käfigläufer hat keine definierte Polpaarzahl. In ihm wird sich eine der Polpaarzahl des Ständers entsprechende Stromverteilung einstellen, d.h. kann er im Gegensatz zum Schleifringläufer mit Ständern beliebiger Polpaarzahl zusammenwirken. Bild 4.12: 7,5 kw Drehstrommotor Bild 4.13: Stromdämpfungsläufer

5 Elektrische Energietechnik (S8803) Seite Berechnung des Läuferstromes eines Kurzschlußläufers Der Läuferstrom I L des Kurzschlußläufers kann mit Hilfe der Läuferspannung U L = f(s) (Gl. 4.19) berechnet werden. I L su L0 R 2 L (ω LL Lσ )2 (4.21) R L s U L0 2 X 2 Lσ Die Umformung der Gleichung (4.21) zeigt, daß man im Läuferkreis die induzierte Spannung gleich der Läuferleerlaufspannung setzen kann, wenn man den schlupfabhängigen Widerstand R L/s einführt. R L s R L s R L s 1 s R L R L R L ] s s (4.22) Die Läuferwiderstandsaufteilung Gleichung (4.22) führt mit der Gleichung (4.21) zu folgendem Ersatzschaltbild 4.14: Bild 4.14: Läufer-Ersatzschaltbild Hierin ist der Läuferwiderstand R L vom Schlupf unabhängig. Im folgenden wird gezeigt, daß die im schlupfabhängigen Widerstand umgesetzte Leistung der mechanischen Leistung P m entspricht.

6 Seite 4.16 Elektrische Energietechnik (S8803) 4.4 Leistung und Drehmoment Leistungsbilanz Der Leistungsfluß im Motorbetrieb kann mit folgendem Diagramm verdeutlicht werden Bild 4.15: Leistungsflußdiagramm Im Leistungsflußdiagramm, das die Leistungsbilanz der für Motorbetrieb zeigt, kommen folgende Leistungsgrößen vor: P S vom Ständer aus dem Netz aufgenommene Wirkleistung P VS Verluste im Ständer P i über den Luftspalt auf den Läufer übertragene Wirkleistung, die Ständerdreh feldleistung (innere Leistung)

7 Elektrische Energietechnik (S8803) Seite 4.17 s P i im Läufer elektrisch umgesetzte Leistung, die Läuferdrehfeldleistung P VL Verluste im Läufer P L vom Läufer abgegebene elektrische Leistung (ASSM) P VR Reibungs- und Lüfterverluste P M an der Welle abgegebene mechanische Leistung Hinweis: Die Nennleistung bei Maschinen ist immer die abgegebene Leistung (bei Motoren mechanische Leistung, bei Generatoren elektrische Leistung) Inneres Drehmoment Das innere Drehmoment M i einer Maschine ist gleich dem im Luftspalt aus der inneren Leistung P i bei der Drehfelddrehzahl n d magnetisch erzeugten Drehmoment. Es kann errechnet werden aus der aufgenommenen elektrischen Wirkleistung P S vermindert um die Eisenverluste P VFe und die Wicklungsverluste P VCu des Ständers. P S 3(I 2 S R S U 2 S R V ) P i P VS M i ] ω d (4.23) Die um die Läuferverluste P VL verminderte innere Leistung P i steht als mechanische Leistung P m zur Verfügung. Die abgegebene Motorleistung P M ergibt sich aus P m durch Subtraktion der Reibungsverluste P VR (P L = 0). P i M i ] ω d 3] I 2 L R L M ì ω P VL P VR P M (4.24) Mit P VL = M i (ω d - ω) folgt für die innere Leistung (ω d = ω rel + ω) P i M i ] ω d P VL ω d ω ω d P n d VL n d n P VL s (4.25) P m P i P VL P i sp i (1 s)p i (4.26) und für das innere Drehmoment M i P VL ω d ω 2 I L 3] R L (4.27) ω rel

8 Seite 4.18 Elektrische Energietechnik (S8803) Der Strom I L ist i.a. jedoch nicht bekannt. Um dennoch eine erste Aussage über die Abhängigkeit M i = f(s) machen zu können, wird zunächst eine verlustlose Maschine zugrunde gelegt. (P VS = P VL = 0) Die gesamte aufgenommene Wirkleistung P S wird dann auf der Läuferseite wieder abgegeben. Es gilt mit U S = U L0 (ESB, Bild 4.14) P S P i P m 3 U 2 S ] s R L M i ω d (4.28) Danach errechnet sich die mechanische Leistung P m aus der im schlupfabhängigen Läuferwiderstand R L/s umgesetzten Wirkleistung M i 3 U 2 s (ω d ω) ω d ω d R L 3Ψ 2 s 2π(n d n) R L (4.29) M i 3Ψ 2 ω d s s J φ 2π(n 2 d n) R L R L (4.30) mit dem sog. Ständerverkettungsfluß ψ S N S ] φ S U S und p = 1. ω S Im Motorbetrieb (M i > 0) ist s > 0, im Generatorbetrieb (M i < 0) ist s < 0. Diese Näherungsformel für M i gilt nur bei s «1, weil dann die Ungleichung (ESB, Bild 4.14) I s L R L «I L R L s P m R L s I 2 L (4.31) erfüllt ist (Läuferverluste klein gegenüber P m ). Das innere Drehmoment M i ist also proportional dem Schlupf s und dem Quadrat des Ständerverkettungsfluß ψ S, wenn ω d und R L als konstante Größen angenommen werden. Dies ist bei konstanter Netzfrequenz und Maschinentemperatur erfüllt.

9 Elektrische Energietechnik (S8803) Seite Anlaufstrom und -Drehmoment Bei konstanter Spannung U S und Drehfeldfrequenz ω d würde das Drehmoment M i nach Gleichung (4.30) für n = 0 (Stillstand) sehr große Werte annehmen. M imax 3 U S ω d U S R L 3ψ S I L (4.32) Dies stimmt mit der Realität nicht überein, weil die Voraussetzung s «1 für die Gültigkeit der Näherungsformel nicht erfüllt ist. Der Anlaufstrom I A kann aus dem ESB Bild (4.9) für I 0 = 0, s = 1 und kurzgeschlossene Schleifringe berechnet werden. (vgl. Kurzschlußversuch beim Transformator) I A (I L) I S U S (R S R L) 2 (X sσ X Lσ ) 2 (4.33) Die Impedanz Z ist wesentlich größer als R L (z.b. Z = 10 R L bei P ASM = 100 kw). Der Anlaufstrom I A beträgt bei ausgeführten Maschinen daher "nur" das 4-8fache des Nennstromes. Drehmomentbildend wirkt dabei nur der Stromanteil, der mit der Hauptfeldspannung U Sh in Phase liegt (Wirkanteil) bzw. senkrecht auf dem Hauptfluß ψ h = jl Sh I µ steht. Das Anlaufmoment kann erhöht werden, wenn R L für s K 1 vergrößert wird (höherer Wirkanteil). Unter Ausnutzung des Stromverdrängungseffektes im Läuferkäfig kann dieses Ziel erreicht werden. Bei ω rel K ω d wird der Läuferstrom zur Oberfläche des Läufers hin verdrängt (Skineffekt). Wenn in diesem Bereich R L Skin > R L (z.b. zweiter Käfig aus Bronze) gilt, wird der Wirkanteil des Anlaufstromes und damit das Anlaufmoment größer. Gleichzeitig wird der Anlaufstrom auf kleinere Werte begrenzt. Durch geeignete Wahl der Form des Nuten- und damit des Stabquerschnittes lassen sich die in den Läuferstäben auftretenden Stromverdrängungserscheinungen in gezielter Weise nützlich auswerten, damit wird auch die Drehmoment-Drehzahl-Charakteristik verändert.

10 Seite 4.20 Elektrische Energietechnik (S8803) Bild 4.16: Erreichbare Drehmoment-Kennlinie von Drehstrommotoren mit Käfigläufer (ca. 15 kw bei 1500 U/min) Bild 4.17: Nutenquerschnitt von Wirbelstromläufern

11 Elektrische Energietechnik (S8803) Seite Drehmoment-Schlupf-Kennlinie Zur genaueren Berechnung des Drehmoment-Drehzahl (Schlupf)-Verhaltens ist die Annahme einer verlustlosen Maschine zu grob (Abs ). Es wird nun, daher ausgehend vom vollständigen Ersatzschaltbild (ESB, Bild 4.9), eine verfeinerte Näherung angewendet. Es werden die Eisenverluste und die Ständerverluste (zum Teil) vernachlässigt und der Magnetisierungsstrom I µ als konstant angenommen. Dadurch läßt sich die formale Ableitung der Kennlinie erheblich vereinfachen. Die Vernachlässigungen haben bei Maschinen mit Leistungen größer als 15 kw bei Betrieb mit Nennfrequenz nur einen geringen Einfluß auf das Betriebsverhalten. Bei kleineren Maschinen wird der prinzipielle Verlauf der Kennlinie hinreichend genau erfaßt, zumal durch die Vernachlässigung der Oberwellen und Stromverdrängungseffekte (R L = f(ω)) auch das vollständige Gleichungssystem nur eine Näherung darstellt. Nach dem vollständigen ESB (Bild 4.9) gilt für die ständerseitige Masche mit I 0 = I µ (R V = Q) U S I S jx Sσ I S R S U Sh (4.34) Mit U Sh = U L0 folgt mit der Maschengleichung des läuferseitigen ESB (Bild 4.14) U L0 I L(jX Lσ R L s ) (4.35) sowie der Knotenpunktsgleichung I S I µ I L (4.36) Für die Ständerspannung die Ständerspannung gilt also U S I µ (jx Sσ R S ) I L(jX Sσ R S ) I L(jX Lσ R L s ) U S I µ (jx Sσ R S ) I L(jX σ R L s R S ) (4.37) mit X σ = X Sσ + X lσ.

12 Seite 4.22 Elektrische Energietechnik (S8803) Wegen werden. U S» I µ X 2 Sσ R 2 S kann die Näherung I µ R S S 0 und I µ X σs S 0 gemacht Daraus folgt: U S I L(jX σ R L s R S ) I L (jx σ R S R L R L 1 s ) (4.38) s Der Ständerstrom I S kann mit der Knotenpunktgleichung (4.36) und der Näherung I µ = konstant = U S /jx Sh berechnet werden. I S U S jx S U S R S R L s jx σ (4.39) Diese Gleichung beschreibt das vereinfachte ESB nach Bild Bild 4.18: Vereinfachtes Ersatzschaltbild der Ein Vergleich mit ESB Bild 4.9 verdeutlicht noch einmal die gemachten Näherungen: Der Magnetisierungsverlustwiderstand R V wird vernachlässigt Die Spannungsabfälle I µ ] R S und I µ ] jx Sσ werden vernachlässigt Der Magnetisierungsstrom I µ bleibt konstant, U Sh = U S S R S und X Sσ können also in den Läuferkreis verschoben werden.

13 Elektrische Energietechnik (S8803) Seite 4.23 Die innere Leistung P i wird aus der im Widerstand R L/s umgesetzten Wirkleistung bestimmt. Setzt man zur weiteren Vereinfachung im ESB Bild 4.18 R S = 0 folgt P i 3I 2 L R L s 3] R L s U 2 S 2 X 2 σ ] R L s (4.40) Das innere Moment M i ergibt sich dann aus M i f(s) P i ω d 3U 2 S ] R L ω d X 2 σ 1 R L 2 1 s s (4.41) X σ Die Funktion M i = f(s) hat folgenden Verlauf: Bild 4.19: Drehmoment-Schlupf-Kennlinie Die Funktion M i = f(s) hat drei ausgeprägte Punkte: 1. s = 1; Stillstand. Zum Anfahren der Maschine muß das Anlaufmoment größer als das Belastungsmoment sein. (Die Differenz bewirkt die Beschleunigung) 2. s = s N = 0,1...0,03; Nennbetrieb. Gleichgewicht von Belastungsmoment und Motormoment.

14 Seite 4.24 Elektrische Energietechnik (S8803) 3. s = s k ; Kippunkt. Wird das maximal mögliche Motormoment (Kippmoment M k ) vom Belastungsmoment überschritten, "kippt" der Asynchronmotor und kommt zum Stillstand, sofern für s > s k kein neuer stabiler Betriebspunkt vorhanden ist. Normiert man die Gleichung (4.41) auf das maximale Drehmoment M i max = M k, welches bei s k = R L/X σ auftritt, ergibt sich die sog. Kloss sche Formel M i 2 s k 3 U S ] M k ω d M k X σ 3 U S 2 2ω d M k X σ ] 1 s k 2 1 s s s k 2 (4.42) s s s k Kloss sche Formel: m i 2 s k s s (4.43) s k mit M k 3U 2 S 2ω d X σ (4.44) Die Kloss sche Formel hat eine große praktische Bedeutung weil sie, trotz der gemachten Vernachlässigungen, die wesentliche Drehmoment-Drehzahl-Charakteristik in mathematischer Form für den stationären Betriebszustand der ASMK (Zeigerdiagramm) wiedergibt.

15 Elektrische Energietechnik (S8803) Seite Betriebsverhalten Bei dreiphasiger Speisung der Ständerwicklung entsteht ein Drehfeld, das gegenüber dem Ständer und dem Läufer mit den Winkelgeschwindigkeiten ω d 2π f s p und ω rel ω d ω (4.45) umläuft. f S p ω d ω rel ω Ständerfrequenz bzw. Netzfrequenz Polpaarzahl Winkelgeschwindigkeit des Drehfeldes gegenüber dem Ständer (synchrone Winkelgeschwindigkeit) Winkelgeschwindigkeit des Drehfeldes gegenüber dem Läufer, bzw. Frequenz des Läuferstromes Winkelgeschwindigkeit des Läufers gegenüber dem Ständer Der Schlupf s ω d ω ω d 1 ω ω d (4.46) ist ein Maß für die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dem Drehfeld und dem Läufer. Für s > 0 oder s < 0 treten durch Induktionswirkung im Läuferkreis Ströme auf, die zusammen mit dem Luftspaltfeld das Drehmoment erzeugen. Es ist stets so gerichtet, daß es die Entstehungsursache, d.h. die Relativbewegung zwischen Drehfeld und Läufer, aufzuheben trachtet. Das ist vollständig nie möglich, weil hierbei die Induktionswirkung und die Drehmomentbildung aufhören. Eine kann daher aus eigener Kraft die Synchrondrehzahl nicht erreichen. Im Motorbetrieb (0 < ω < ω d ; 1 > s > 0, vgl. Bild 4.20) bewegt sich der Läufer im Drehsinn des Drehfeldes. Die bezieht elektrische Leistung aus dem Netz und gibt mechanische an der Welle ab. Wird der Läufer in Drehrichtung des Feldes angetrieben (ω > ω d ; s < 0), wirkt das erzeugte Moment gegen die Richtung des Drehfeldes. Die Maschine arbeitet als Generator. Sie nimmt mechanische Leistung auf und führt elektrische an das Netz ab. Wird der Läufer entgegen der Drehrichtung des Feldes bewegt (ω < 0 ; s > 1), wirkt die Maschine als Bremse. Sie bezieht über die Welle mechanische und über den Ständer elektrische Leistung. Beide Anteile werden in Wärme umgesetzt.

16 Seite 4.26 Elektrische Energietechnik (S8803) Bild 4.20: Verhältnis Läuferfrequenz ω rel zur Drehfeldfrequenz ω d als Funktion von s Stationäre Betriebskennlinien Bild 4.21 charakterisiert das typische Verhalten eines Drehstrom-Asynchronmotors im Nennarbeitsbereich. Die Drehzahl ändert sich nur geringfügig mit der Belastung. Der Leerlaufstrom beträgt i.a. etwa 20 bis 40 % des Nennstromes; der Leerlaufleistungsfaktor liegt in der Größenordnung zwischen 0,05 und 0,1. Im Teillastbereich arbeitet der Asynchronmotor mit niedrigem Wirkungsgrad und kleinem Leistungsfaktor. Ein wirtschaftlicher Einsatz einer ASM erfordert daher eine gründliche Analyse der zu erwartenden Belastungsverhältnisse. Bild 4.21: Betriebskennlinie eines Drehstrom-Asynchronmotors

17 Elektrische Energietechnik (S8803) Seite Verlustarmes Drehzahlstellen Darunter sind Verfahren zu verstehen, bei denen sich bei einer Verstellung der Drehzahl der Gesamtwirkungsgrad des mit einem konstanten Moment belasteten Antriebs nicht oder nur unwesentlich ändert Polumschaltung Durch Veränderung der Polpaarzahl p kann gemäß ω d 2π f S p (4.47) die synchrone Winkelgeschwindigkeit ω d und damit die Drehzahl des Asynchronmotors geändert werden (praktisch in etwa 2 bis 4 Stufen). Verschiedene Polzahlen ergeben sich durch Umschaltung einer Wicklung oder durch die Verwendung mehrerer Wicklungen. Bei Schleifringläufermotoren müßten auch die Läuferwicklungen polumschaltbar ausgeführt sein. Dadurch kompliziert sich der Aufbau der Maschine. Polumschaltbare Schleifringläufermotoren werden daher nicht hergestellt Frequenzsteuerung Durch Ändern der Primärfrequenz f S läßt sich laut Gleichung (4.47) die synchrone Winkelgeschwindigkeit ω d und damit die Betriebsdrehzahl des Asynchronmotors verändern. Die Drehmoment-Schlupf-Kennlinien können parallel zur Drehmomentachse verschoben werden Läuferspannungssteuerung Wird die Läuferspannung U L durch eine äußere schlupffrequente Spannungsquelle vorgegeben, können das Spannungsgleichgewicht im Läuferkreis und damit die Größe des bei einer bestimmten Last sich einstellenden Schlupfes willkürlich beeinflußt und der läuferseitig Leistung entnommen bzw. zugeleitet werden. Entsprechende Schaltungen bezeichnet man als Stromrichterkaskaden. Im untersynchronen Betrieb wird darin die Schlupfleistung P L = P i s (elektrische Läuferleistung) des Asynchronmotors an der Motorwelle abgeführt und über einen Wechselrichter ins speisende Netz zurückgeliefert, bei übersynchroner Betriebsweise kehren sich die

18 Seite 4.28 Elektrische Energietechnik (S8803) Energieflüsse um. Dadurch ist ein verlustarmes Drehzahlstellen oberhalb und unterhalb der Synchrondrehzahl möglich. Bild 4.22: Untersynchrone Kaskade mit elektrischer Rückgewinnung der Schlupfleistung In der Schaltung nach Bild 4.22 wird die Schlupfleistung über den Wechselrichter W ins Netz zurückgespeist. Die Drehzahlverstellung erfolgt hier durch entsprechende Steuerung des Wechselrichters W. Die Schaltung erlaubt eine verlustarme Drehzahlstellung im untersynchronen Bereich, d.h. unabhängig von der Größe des Schlupfes sind zugeführte und abgegebene Leistung einander gleich (beim Maschinenwirkungsgrad η = 1). Das typische Drehzahl-Drehmoment-Verhalten ist in Bild 4.23 wiedergegeben. Bild 4.23: Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie eines Asynchronmotors bei Läuferspannungssteuerung

19 Elektrische Energietechnik (S8803) Seite Ständerspannungssteuerung Gemäß Gleichung (4.44) ändert sich M i quadratisch mit U S. Der Kippschlupf s k dagegen (Gleichung (4.42)) bleibt konstant. Bei symmetrischer Spannungssteuerung (z.b. Regeltransformator oder Drehstromsteller) ergibt sich damit das in Bild 4.24b dargestellte Kennlinienfeld. Bild 4.24: Symmetrische Ständerspannungssteuerung a) Prinzipschaltung mit Drehstromsteller b) Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie Die Drehzahl kann beispielsweise bei dem zugrunde gelegten Verlauf des Widerstandsmomentes M W zwischen n 1 und n 2 eingestellt werden. Praktisch wird heute die Spannungssteuerung mit Drehstromstellern auf Thyristorbasis realisiert Verlustbehaftetes Drehzahlstellen Bei den folgenden Verfahren wird die gesamte Schlupfleistung P i ] s des Asynchronmotors in Verlustwärme umgesetzt, so daß sich der Motorwirkungsgrad η K P M P i (1 s) 1 s mit P P i P m K P M (4.48) i mit zunehmendem Schlupf verschlechtert. Sie werden vorwiegend in kurzzeitigen oder aussetzend arbeitenden Anlagen angewandt. In Anlagen, die im Dauerbetrieb arbeiten, aus wirtschaftlichen Gründen nur dann, wenn sich das Widerstandsmoment quadratisch mit der Drehzahl ändert (Zentrifugalpumpen, Lüfter, Gebläse), der geforderte Stellbereich ausgehend von der Nenndrehzahl sehr klein ist oder nur gelegentlich für kurze Zeit mit Teildrehzahlen gefahren wird.

20 Seite 4.30 Elektrische Energietechnik (S8803) Läuferzusatzwiderstände Durch das Einschalten von ohmschen Widerständen (Fest- oder Flüssigkeitswiderstände) läßt sich gemäß Gleichung (4.42) bei gleichbleibendem Kippmoment M K der Kippschlupf s k vergrößern und damit die Betriebsdrehzahl des belasteten Motors verkleinern (Bild 4.25). Die Beeinflussung der Leerlaufdrehzahl ist nicht möglich. Bild 4.25: Drehzahlstellen mit Läuferzusatzwiderständen bei ASSM a) Prinzipschaltung b) Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien (R Z3 >R Z2 >R Z1 ) Der zum Einstellen eines bestimmten Schlupfwertes s x erforderliche Zusatzwiderstand R Zx wird bei beliebigem Verlauf des Widerstandsmomentes M W am einfachsten graphisch ermittelt. Aufgrund der vereinfachten Gleichung (4.30) und einer Auswertung des Bildes 4.26 erhält man R Zx R L] B A 1 (4.49) R L ist dabei der Wirkwiderstand eines Läuferstranges.

21 Elektrische Energietechnik (S8803) Seite 4.31 Bild 4.26: Graphische Bestimmung des erforderlichen Läuferzusatzwiderstands R Zx bei beliebigem Verlauf des Widerstandsmomentes M W Anlaßverfahren Teilspannungsanlauf In den weitaus meisten Anwendungsfällen ist es üblich, n mit Kurzschlußläufer direkt an das Netz zu schalten. Es gibt jedoch auch Fälle, in denen entweder der Anlaufstrom I A mit Rücksicht auf die Netzverhältnisse klein gehalten werden muß oder in denen ein bestimmtes Beschleunigungsmoment mit Rücksicht auf die Arbeitsmaschine nicht überschritten werden darf. Sind Trägheitsmoment und Gegenmoment klein, liegt also ein Leichtanlauf vor, so kann ein Teilspannungsanlauf in Betracht gezogen werden. Beim Teilspannungsanlauf gehen der Strom etwa linear und das Drehmoment etwa quadratisch mit der Spannung zurück. Bei Niederspannungsmaschinen wird der Teilspannungsanlauf durch eine Stern-Dreieck- Umschaltung der Maschine erreicht. Im normalen Betrieb ist die dabei in Dreieck geschaltet, der Anlauf dagegen erfolgt in Sternschaltung (Bild 4.27) Bild 4.27: Schaltplan eines Asynchronmotorantriebes mit Stern-Dreieck-Anlauf

22 Seite 4.32 Elektrische Energietechnik (S8803) Die Spannung U 1 an einem Wicklungsstrang der Maschine ist in Sternschaltung um den 1 Faktor kleiner als bei Dreieckschaltung, der Strangstrom I 1 geht damit ebenfalls etwa 3 1 um den Faktor zurück. In der Dreieckschaltung ist 3 I 1 3 I 12 (4.50) in der Sternschaltung dagegen ist I 1 I 12 (4.51) Da die Spannung an der Wicklung in Sternschaltung um Leiterstrom in Sternschaltung 1 3 kleiner ist, folgt für den I 1Y 1 3 I 1 (4.52) Beim Anlauf in Sternschaltung gehen bei linearer Betrachtung Leiterstrom und Maschinenmoment auf ein Drittel gegenüber den Nennwerten für Dreieckschaltung zurück. Wenn der Stern-Dreieckanlauf hinreichenden Nutzen bringen soll, ist auch hier auf eine vernünftige Zuordnung der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie von Asynchron- und Arbeitsmaschine zu achten. Bei dem in Bild 4.28 dargestellten Fall liegt der Gegenmomentverlauf niedriger, die kann in der Sternschaltung weiter hochlaufen, und beim Umschalten in die Dreieckschaltung springt das Moment nur auf den 1,6-fachen und der Leiterstrom auf den 1,9-fachen Nennwert. (abhängig vom Umschaltpunkt) Bild 4.28: Drehmoment-Drehzahl-Verläufe und Leiterstrom-Drehzahl-Verläufe bei Stern-Dreieck-Anlauf

23 Elektrische Energietechnik (S8803) Seite Bremsen und Umsteuern Bisher wurde nur der Betrieb im ersten Quadranten der Drehmoment-Drehzahl-Ebene besprochen: Das Beschleunigen des Antriebes und der Betrieb in einem stabilen Schnittpunkt der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie von Motor und Arbeitsmaschine. Ein elektrischer Antrieb muß aber auch abgebremst oder auf die entgegengesetzte Drehrichtung umgesteuert werden können. Das Bremsen kann grundsätzlich in zweierlei Weise geschehen, entweder mechanisch oder elektromagnetisch. Das mechanische Bremsen kann durch eine an die an- oder auch in sie eingebaute Bremse erfolgen. Motoren, in die eine mechanische Bremse integriert ist, werden auch als Bremsmotoren bezeichnet. Hier soll in der Folge das elektromagnetische Bremsen behandelt werden. Dazu ist zunächst einmal die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie auf den Bereich n d _< n _< 2n d zu erweitern. Bild 4.29 zeigt die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie einer stark stromverdrängungsbehafteten Maschine mit einem Doppelkäfigläufer. Bild 4.29: Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie einer mit Käfigläufer für Anlauf, Bremsen und Umsteuern Bezüglich der Drehmoment-Drehzahl-Ebene (vgl. Bild 1.11) lassen sich drei Betriebsquadranten unterscheiden, denen drei Betriebsbereiche entsprechen. 1. Quadrant: 0 < n < n d bzw. o < s < 1; Hochlauf und Motorbetrieb 2. Quadrant: n d < n _< 2n d bzw. -1 _< s < 0; generatorisches oder übersynchrones Bremsen

24 Seite 4.34 Elektrische Energietechnik (S8803) 3. Quadrant: Ohne Drehfeldumkehr ist kein Betrieb möglich 4. Quadrant: -n d _< n < 0 bzw. 1 < s _< 2; Gegenstrombremse Obgleich sich die möglichen Betriebsbereiche im 2. und 4. Quadranten bis zu höheren Drehzahlen erstrecken können, soll nur der Bereich -n d _< n _< 2n d betrachtet werden, in dem sich der Betrieb einer normalerweise abspielt Übersynchrones Bremsen Bremsbetrieb oberhalb der Synchrondrehzahl n d ist nur möglich beim Herabsetzen der Ständerfrequenz, bei durchziehender Last oder bei polumschaltbaren Motoren nach dem Umschalten von niederer auf höhere Polzahl. Die arbeitet in allen Fällen generatorisch. Sie nimmt mechanische Leistung auf und liefert elektrische an das Netz. Bei Polumschaltung und bei Frequenzminderung wird ein Übergangsvorgang ausgelöst, d.h. der Arbeitspunkt wandert auf dem Kennlinienstück a von P1 nach P2 (Bild 4.30). Bei durchziehender Last (z.b. Last am Kranhaken) ist stationärer Bremsbetrieb im Punkt P3 möglich. Der Motor wird dabei im Senksinn eingeschaltet und durch das Lastmoment M W bis zum Punkt P3 beschleunigt. Die auftretenden Ströme und Bremsmomente entsprechen etwa denen bei Motorbetrieb. Bild 4.30: Übersynchronbremsung einer durch Polumschaltung

25 Elektrische Energietechnik (S8803) Seite Gegenstrombremsung Die Gegenstrombremsung wird zum Stillsetzen des Antriebs und zum Bremsen durchziehender Lasten (z.b. Gegenstromsenkbremsung bei Kranhubwerken) benutzt. In beiden Fällen arbeitet die bei Schlupfwerten s > 1 und bezieht sowohl elektrische Leistung aus dem Netz, als auch mechanische Leistung über die Welle. Bild 4.31: Gegenstrombremsung einer Zum Stillsetzen werden zwei Ständerzuleitungen vertauscht. Dadurch ändert sich der Umlaufsinn des Drehfeldes. Der Läufer bewegt sich gegen die Drehrichtung des Feldes und wird abgebremst (Kurve a in Bild 4.31). Um zu verhindern, daß der Motor in entgegengesetzter Richtung wieder anläuft, muß er rechtzeitig vom Netz genommen werden. Das geschieht mit Hilfe eines sog. Schleppschalters oder durch ein Hilfsschütz, das von der Schleifringspannung gesteuert wird. Für den leerlaufenden Motor entspricht die beim Stillsetzen des Antriebes entwickelte Bremswärme etwa dem dreifachen Wert der Anlaufwärme. Die Bremszeit richtet sich nach dem Verlauf des Bremsmoments und damit nach der Größe des Läuferwiderstandes. Beim Abbremsen durchziehender Lasten wird die Maschine durch das Lastmoment M W entgegen der Umlaufrichtung des Drehfeldes bewegt. Das ist möglich, wenn der Vorschaltwiderstand im Läuferkreis genügend groß ist (Kennlinie b, Arbeitspunkt P2 in Bild 4.31). Die Drehzahl kann durch Verstellen des Läufervorschaltwiderstandes geändert werden.

26 Seite 4.36 Elektrische Energietechnik (S8803) 4.7 Regelung von n Einführung Die günstigen regelungstechnischen Eigenschaften der stromrichtergespeisten Gleichstrommaschine beruhen darauf, daß die beiden drehmomentbildenden Komponenten - Ankerstrom I A und Hauptfeld φ h - voneinander unabhängig und bei Vorhandensein einer Wendepol- und Kompensationswicklung auch rückwirkungsfrei zu verstellen sind. Es entstanden standardisierte Antriebslösungen mit höchster Regeldynamik, an denen andere Antriebslösungen gemessen werden. Gegenüber der Drehstrom- mit Käfigläufer hat die Gleichstrommaschine zwei gravierende Nachteile, die ihre Einsatzmöglichkeiten einschränken: 1. den Kommutator 2 die Ankerwicklung im Läufer. Dagegen steht der einfache konstruktive Aufbau der o.g., der zu folgenden Vorteilen führt: hohe Drehzahlen (n» 3000 min -1 bei Umrichterbetrieb) geringer Wartungsaufwand gute Gleichlaufeigenschaften bei Gruppenantrieben mit Sammelschienenspeisung kleines Massenträgheitsmoment hohe Grenzleistungen kleines Leistungsgewicht Einsatz unter erschwerten Umweltbedingungen, Explosionsschutz möglich Im Gegensatz zur Gleichstrommaschine ist die Zahl der möglichen Varianten bei den drehzahlgeregelten stromrichtergespeisten Drehstromantrieben sehr groß. Es werden deshalb hier nur grundlegende Steuer- und Regelverfahren für die stromrichtergespeisten Drehstrom- mit Käfigläufer beschrieben, die auf Kennliniensteuerung und feldorientierten Verfahren beruhen.

27 Elektrische Energietechnik (S8803) Seite Problemstellung für die stromrichtergespeiste Im Gegensatz zur Gleichstrommaschine kennzeichnen folgende Unterschiede eine Antriebslösung mit einer : als Stelleingang ist nur eine Ständerwicklung vorhanden Läuferstrom ist meßtechnisch nicht erfaßbar starke Verkoppelung der gewünschten Stellgröße Fluß Φ h und Läuferstrom I L schwach gedämpftes Schwingungsverhalten (Pendelneigung) bei dynamischen Vorgängen durch komplexe Maschinenstruktur (magnetische und elektrische Energiespeicher) erheblicher Einfluß des gewählten Umrichterprinzips auf das Betriebsverhalten des Antriebes Die prinzipiellen Unterschiede für den Entwurf des Strukturbildes der ergeben sich durch die Entscheidung für eine Spannungs- oder Stromeinprägung der Ständergrößen (Bild 4.32). Bild 4.32: mit a) U-Umrichter, b) I-Umrichter Bei Spannungseinprägung werden die Ständerspannung U S und Ständerfrequenz f S vom Umrichter vorgegeben, während sich der Ständerstrom I S lastabhängig einstellt. Diese Betriebsart liegt auch bei direkter Netzeinspeisung vor. Im Gegensatz zum Netz hat der Umrichter als Spannungsquelle einen relativ hohen Innenwiderstand. Belastungsstöße führen zu starken Spannungseinbrüchen, deshalb wird eine Spannungsregelung benötigt.

28 Seite 4.38 Elektrische Energietechnik (S8803) Durch die Spannung ist der Fluß Φ h in der Maschine auch annähernd eingeprägt. Sein Betrag ist allein durch das Verhältnis von Spannung und Frequenz geprägt. Bei Stromeinprägung wird das uns bekannte natürliche Verhalten der aufgehoben. Vom Umrichter werden jetzt Ständerstrom I S und Ständerfrequenz f S vorgegeben. Der Fluß Φ h und die Ständerspannung U S stellen sich damit lastabhängig ein. Ohne Belastung dient der Ständerstrom I S nur zur Magnetisierung, d.h. I S = I µ J Φ h, dem Magnetisierungsstrom (vgl. vereinfachtes ESB, Bild 4.18). Bei Belastung entsteht ein Schlupf s, der einen Läuferstrom I L bewirkt, der im wesentlichen einen Wirkstrom darstellt. Damit teilt sich der Ständerstrom I S in einen flußbildenden Anteil I Sµ (Magnetisierungstrom) und einen drehmomentbildenden Wirkstromanteil I SW auf (Bild 4.33). Diese senkrecht aufeinanderstehenden Komponenten entsprechen genau den Größen Erregerstrom I f (flußbildend) und Ankerstrom I A (drehmomentbildend) der Gleichstrommaschine. Bild 4.33: mit eingeprägtem Strom (I-Umrichter) Um also die stromgespeiste im gesamten Lastbereich mit konstantem Fluß betreiben zu können, muß die Regelung für eine konstante Stromkomponente I Sµ sorgen. Dies kann nur dadurch geschehen, daß abhängig vom Lastzustand, außer dem Strombetrag von I S, auch der Winkel ε in dem Stromdreieck oder der diesem Winkel entsprechende Schlupf s J tan ε eingeprägt wird. Mit Hilfe eines Tachos läßt sich die Drehzahl messen und durch entsprechende Vorgaben der Ständerfrequenz n d = n rel + n, mit Hilfe des Umrichters, der Schlupf bzw. die Läuferfrequenz einprägen. Dadurch wird eine Entkoppelung im vereinfachten ESB der bewirkt. Bei der Verwendung von Normmotoren ist eine Tachorückführung nicht vorgesehen, so daß nur eine Frequenzsteuerung und keine Schlupfaddition möglich ist. Um wie bei der Gleichstrommaschine eine vollkommene Entkoppelung, d.h. getrennte Einstellung von Fluß und Drehmoment zu erreichen, müssen Verfahren der Feldorientierung angewendet werden. Damit lassen sich dann Regelungen mit hohen dynamischen Anforderungen realisieren. Da die Drehstrom- ein stark schwingungsfähiges Gebilde ist, sollte auch eine Regelung des Drehmoments oder ersatzweise des Stromes erfolgen. Bei ausschließlicher Steuerung über die Ständerfrequenz können erhebliche Ausgleichsvorgänge auftreten.

29 Elektrische Energietechnik (S8803) Seite Kennliniensteuerungen In vielen Anwendungsfällen sind die Anforderungen an die Regeldynamik nicht zu hoch, so daß auf Kennliniensteuerung beruhende Regelverfahren ausreichen. Es genügt, Ständerspannung oder -strom nach Größe und Frequenz vorzugeben. Bild 4.34: Ersatzschaltbild der Ständerspannung - Ständerfrequenz - Kennliniensteuerung Um den Hauptfluß Φ h = ψ S /N S konstant zu halten, muß die Hauptfeldspannung U Sh = jω S L h I µ (Bild 4.34) proportional zur Ständerfrequenz f S verändert werden. Da die Hauptfeldspannung U h nicht direkt gemessen werden kann, wird die Ständerspannung U S genommen. Diese ist jedoch entsprechend U S = R S I S + jω S (L Sσ ] I S + L h ] I µ ) bei konstanter Hauptfeldspannung nicht mehr proportional zur Ständerfrequenz. Um bei Drehzahlverstellung über die Ständerfrequenz f S die Verluste in der Maschine gering zu halten, muß bei kleinem Schlupf im linearen Teil der Drehzahl-Drehmoment- Kennlinie (s < s k ) gearbeitet werden. In Bild 4.35 sind die für einen konstanten Hauptfluß Φ h einzuhaltenden U S - f S - Kennlinien dargestellt. Es zeigt sich, daß unterschiedlichen Lastzuständen auch unterschiedliche Kennlinien zugeordnet sind. Für die Kennliniensteuerung wird eine U S - f S - Kennlinie so gewählt, daß auch bei kleinen Ständerfrequenzen das maximal geforderte Drehmoment aufgebracht werden kann (I]R - Kompensation). Aus der Vielzahl der Antriebe mit U S - f S - Kennliniensteuerung, die sich meist aus patentrechtlichen Gründen nur in der Form der gewählten Regelung und überlagerten Steuerung unterscheiden, werden zwei typische Anwendungsfälle betrachtet: 1. Gruppenantriebe am Umrichter mit Spannungszwischenkreis (U-Umrichter) (Bild 4.36) 2. Einzelantrieb am Umrichter mit Stromzwischenkreis (I-Umrichter) (Bild 4.37)

30 Seite 4.40 Elektrische Energietechnik (S8803) Bild 4.35: Ständerspannung - Ständerfrequenz - Kennlinie für konstanten Hauptfluß a) bei kleinen Frequenzen, b) Kennlinie für Kennliniensteuerung In Bild 4.36 ist der grundsätzliche Aufbau für einen Gruppenantrieb mit U-Umrichter dargestellt. Am Hochlaufgeber wird eine der gewünschten Ausgangsfrequenzen f S proportionale Steuerspannung u f * vorgegeben. Um sprunghafte Änderungen des Sollwertes zu verhindern, ist ein Steilheitsbegrenzer oder Hochlaufgeber vorgesehen. Dieser formt das Signal u f * in ein Signal u f mit zulässiger Anstiegs- und Abfallsteilheit um. Der zulässige Wert von Mu f ist so zu wählen, daß beim Beschleunigen die Maschinen nicht über ein vorgegebenes maximales Drehmoment unterhalb des Kippmoments belastet werden. Beim Bremsen muß sich, wenn kein Bremsstromrichter (gestrichelt gezeichnet) vorhanden ist, der Antrieb am Gegenmoment der Arbeitsmaschine M W * abbremsen können. Das Signal u f wird nun auf zwei Steuerwegen weiterverarbeitet. Im oberen Kanal wird es von einem Funktionsgeber entsprechend der U S - f S - Kennlinie in die Führungsgröße u aw der Ausgangsspannung überführt; im zweiten Signalweg, in einem Spannungs-Frequenzwandler, in die Steuerfrequenz f st für den Steuersatz 2 des selbstgeführten Stromrichters (SR2) umgesetzt. Der Spannungsregler, ein PI-Regler, verarbeitet die Regeldifferenz zwischen Führungsgröße u aw und der Regelgröße u a der Ausgangsspannung, und wirkt über den Steuersatz 1 auf den netzgeführten Stromrichter (SR1) so ein, daß die Regeldifferenz im stationären Betrieb Null wird. Wenn kein Bremsstromrichter vorgesehen ist, muß eine Ausgangsbegrenzung des Spannungsreglers die Aussteuerung und damit die Spannung des Zwischenkreises U d zurücknehmen.

31 Elektrische Energietechnik (S8803) Seite 4.41 Bild 4.36: Einzel- (n=1) oder Gruppenantrieb am U-Umrichter mit Frequenzsteuerung und Spannungsregelung

32 Seite 4.42 Elektrische Energietechnik (S8803) Bild 4.37: Einzelantrieb am I-Umrichter mit Thyristoren. Drehzahlregelung mit U-f- Steuerung und unterlagerter Spannungs- und Stromregelung

33 Elektrische Energietechnik (S8803) Seite 4.43 Beim Beispiel des Einzelantriebes nach Bild 4.37 wird ein I-Umrichter eingesetzt. Im Gegensatz zum vorher besprochenen Antrieb (Bild 4.36) ist hier der Frequenzsteuerung noch eine Drehzahlregelung überlagert. Die Regelgröße Drehzahl wird dabei von einer Gleichstrom-Tachomaschine geliefert. Auch hier wird die Führungsgröße n W * über einen Steilheitsbegrenzer dem überlagerten Drehzahlregler (PI-Regler) zugeführt. Das Ausgangssignal u f des Drehzahlreglers wird zweikanalig verarbeitet. Im oberen Funktionsgeber mit der U S - f S - Kennlinie wird die Führungsgröße u SW der Ständerspannung gebildet. Der untere Funktionsgeber, ein Betragsbildner, bildet den Betrag von u f. Diese Größe wird in einem U/f- Wandler in eine der Steuerspannung proportionale Steuerfrequenz f st umgesetzt und dem Steuersatz 2 des selbstgeführten Stromrichters (SR2) mit Phasenfolgelöschung zugeführt. Dieser benötigt noch als zusätzliche Information die gewünschte Drehrichtung des Vierquadrantenantriebes über das Vorzeichen der Drehzahl (sign ω S ). Über die Reihenfolge der Steuerimpulse für die einzelnen Thyristoren wird die erforderliche Richtung des Drehfeldes in der vorgegeben. Dem Spannungsregler wird die Differenz aus u SW - u S zugeführt. Die Ausgangsgröße des Spannungsreglers mit Spannungsbegrenzung gibt die Führungsgröße i dw für den unterlagerten Stromregler (PI-Regler) vor. Der Stromregelkreis stellt über den Steuersatz 1 des netzgeführten Stromrichters 1 (SR1) den gewünschten Zwischenkreisstrom I d ein. Dem I-Umrichter werden somit über die Führungsgrößen i dw und f st die Drehzahl n und der Ständerstrom I S = 0,816 I d vorgegeben. Ständerstrom-Läuferfrequenz-Kennliniensteuerung Bei der U S - f S - Kennliniensteuerung läßt sich der magnetische Hauptfluß nicht lastabhängig konstant halten, was sich insbesondere bei kleinen Werten der Ständerfrequenz, bei denen der Ständerwiderstand R 1 der Ständerstreureaktanz X Sσ = 2π f S L Sσ überwiegt, störend auswirkt. Für geregelte Antriebe, die auch bei kleinen Drehzahlen im ganzen Drehmoment-Stellbereich arbeiten müssen, muß also eine bessere Lösung gefunden werden. Zwischen dem Läuferstrom I L und der Läuferfrequenz n L besteht bei konstantem Hauptfluß Φ h eine feste Zuordnung. Da die Größen I L und Φ h nicht meßtechnisch erfaßt werden können, werden wieder der Ständerstrom I S und die Ständerfrequenz f S sowie die Drehzahl n vorgegeben. Über den Frequenzzusammenhang der Drehfeldmaschinen läßt sich die Läuferfrequenz ermitteln: n rel f S p n n d n (4.53) Aus dem vereinfachten Ersatzschaltbild läßt sich nun der Zusammenhang zwischen Läuferfrequenz f L und dem Ständerstrom I S, für konstanten Magnetisierungsstrom I µ, einfach berechnen (Bild 4.38).

34 Seite 4.44 Elektrische Energietechnik (S8803) Bild 4.38: Ständerstrom-Läuferfrequenz-Kennlinie und Läuferfrequenz-Drehmoment- Kennlinie der Liegt neben der I S - f L - Steuerkennlinie auch die zugehörige Drehmoment-Läuferfrequenz f L -Kennlinie (aus der Kloss schen Formel) vor (Bild 4.38), so hat man die Steuerfunktion um einen drehzahlgeregelten Antrieb mit unterlagerter Drehmomentenregelung aufzubauen. Wird ein Antrieb mit I-Umrichter verwendet, so kann statt des Ständerstromes I S, wegen I S = 0,816 I d, auch der Strom im Gleichstromzwischenkreis geregelt werden. Bild 4.39 zeigt eine entsprechende Antriebsregelung, die häufig eingesetzt wird. Das Antriebsbeispiel stellt einen Umkehrantrieb für alle vier Quadranten mit I-Umrichter dar.

35 Elektrische Energietechnik (S8803) Seite 4.45 Über den Zusammenhang zwischen der Führungsgröße des Drehmomentes m W und der des Ständerstromes i SW, die dem Bild 4.38 entnommen werden können, läßt sich dieser Antrieb einfach entwickeln. Die Regeldifferenz des Drehzahlreglers (n W - n) bewirkt über den Drehzahlregler (PI-Regler) die für den jeweiligen Betriebszustand erforderliche Führungsgröße des Drehmomentes m W. Diese wird über zwei Funktionsgeber, entsprechend den Kennlinien nach Bild 4.38, zu Führungsgrößen für den Ständerstrom I S und der Ständerfrequenz ω S = 2π f S umgeformt. Die Führungsgröße i dw für den unterlagerten Stromregelkreis wirkt über den PI-Stromregler auf die Steuerspannung u st des Steuersatzes 1 ein, der über den netzgeführten Stromrichter (SR1) den Zwischenkreisstrom I d entsprechend der Vorgabe einstellt. Aus der Führungsgröße ω LW, vom zweiten Funktionsgeber, muß jetzt die für den selbstgeführten Stromrichter (SR2) erforderliche Steuergröße für die Ständerfrequenz f S gewonnen werden. Über die von einer Gleichstrom-Tachomaschine gelieferte Drehzahl n f S wird die Ständerkreisfrequenz p n rel ω S = 2π f S mit Hilfe eines Läuferfrequenzreglers (PI-Regler) gebildet. Über einen U/f- Wandler wird der Steuersatz 2 des selbstgeführten Stromrichters (SR2) so ausgesteuert, daß die gewünschte Ständerfrequenz entsteht. Die erforderliche Umlaufrichtung des Drehfeldes wird wieder dem Steuersatz 2 über das Vorzeichen von ω S = 2π f S (sign ω S ) vorgegeben. Für die in Bild 4.39 beschriebene Regelung ist der I-Umrichter nicht zwingend vorgeschrieben; sondern es können auch Umrichter mit Spannungszwischenkreis und Pulsumrichter verwendet werden. (Standard-Drehstromantriebe der Zukunft)

36 Seite 4.46 Elektrische Energietechnik (S8803) Bild 4.39: Einzelantrieb am I-Umrichter mit abschaltbaren Thyristoren (GTO). Drehzahlregelung mit unterlagerter Ständerstrom- und Läuferfrequenzregelung nach dem Ständerstrom-Läuferfrequenz-Kennlinienverfahren

37 IEE Institut für Elektrische Energietechnik S8803 Elektrische Energietechnik Deckblatt und Inhaltverzeichnis Kapitel 1 Kapitel 2 Kapitel 3 Kapitel 4 Seite 1 bis 10 Kapitel 4 Seite 11 bis 46 Kapitel 5 und Literatur S8803 Arnuphap Dowrueng IEE - Skripten online