Elektrische Antriebssysteme und Aktorik Teil 1 Leistungselektronik, Maschinen und Labor Christoph Tenten www.dhbw-stuttgart.de Antriebstechnik, T2ELA3003.2, Teil 1 Maschinen, C. Tenten 1 5. Semester, Automation, 2016
Elektrische Maschinen ersetzen die Muskelkraft, wandeln also elektrische Energie in mechanische. Ziel der Vorlesung: Kennenlernen unterschiedlicher elektrischer Energiewandler Erzeugung von Drehmoment und Leistung Steuerverfahren von elektrischen Maschinen Einblicke in die Leistungselektronik Dynamisches Verhalten von elektrischen Maschinen Modellerstellung von elektrischen Maschinen (Scilab/Matlab-Simulink)
Moderne Antriebstruktur Zwischen -kreis Gleichrichter Universalumrichter Maschine = 1 Ansteuer- Logik (Hardware) Ansteuer- Programm (Software)
Antriebstechnik Gleichstrom- motor- Ansteuerung DASM DSM- Ansteuerung DC- Servo- motor- Ansteuerung Schrittmotor- Ansteuerung = 1 Universalumrichter H- Brücke Frequenzumrichter Stellglied Stellglied DC- Servomotor Gleichstrommotor DASM/ DSM Schrittmotor
Grundlagen elektrischer Maschinen Hauptgleichungen Gleichstrommaschine Elektronikmotor
Grundlagen der Gleichstrommaschine Aufbau N Erregerwicklung für Gleichstromerrregung bzw. Permanentmagnet Polkern mit Polschuh Stromwender Anker Ankerwicklung Ständer S Läufer:Blechpaket mit Ankerwicklung und Stromwender (Kommutator)
Grundlagen der Gleichstrommaschine Funktionsprinzip Kraft F N Drehmoment M N M = Kraft X Hebelarm M = F x l F M F Gesamtes Moment M g M g = 2 x M = 2 x F x l l F M S S
Grundlagen der Gleichstrommaschine Entstehung der Drehbewegung N N N F F F F F F S S S Leiterschleife beginnt sich zu drehen Leiterschleife kommt zum Stillstand Stromwendung notwendig nach der Stromwendung dreht sich die Leiterschleife weiter Stromrichtung unter dem Pol ist immer gleich Drehrichtungsumkehr: Ankerstrom umpolen
Grundlagen der Gleichstrommaschine Drehmomentengleichung Kraft auf stromdurchflossenen Leiter N F = B*I A *l Drehmoment eines Leiters M = F*r = B*I A *l*r Drehmoment aller Leiter (Z= Leiterzahl) F r r F M = B*I A *l*r*z mit B = /A M = l*r*z/a *I A * C M Maschinenkonstante, für das Drehmoment S M = C M * I A *
Grundlagen der Gleichstrommaschine Konsequenzen aus Drehmomentengleichung M = C M * I A * gilt für alle Maschinen Nebenschlussmaschine: = Konst. M ~ I Reihenschlussmotor: E = C * I A M =C M * C * I A * I A I M
Grundlagen der Gleichstrommaschine Spannungsgleichung Ankerersatzschaltbild der GM induzierte Spannung U i in einem Leiter I A R A U i = B * l * v U RA =I RA *R A I Err Ui bei Z-Leitern U A U i M U i = B * l * v * Z mit v=2* *r*n U i = B * l * 2* *r*n mit B = /A U i = l * 2* *r* 1/A * n * U i = C U * n * C U : Maschinenkonstante Anker Anker (Leiter) dreht sich im Magnetfeld (Erregerfeld) U i wird induziert. U i wirkt der angelegten Spannung U A entgegen (Pfeilung beachten). U A = I A * R A +U i
Grundlagen der Gleichstrommaschine Konsequenzen aus Spannungsgleichung Drehzahl wird von angelegter Spannung bestimmt Beim Anlauf bestimmen angelegte Spannung und Ankerwiderstand den Anlaufstrom da R A klein Anlaufstrom hoch Bei Belastung sinkt die Drehzahl ab U i sinkt Ankerstrom steigt an Drehzahlzahländerung erfolgt über Ankerspannungsänderung
Grundgleichungen elektrischer Maschinen Momentengleichung M = C M * I * Spannungsgleichung (für induzierte Spannung) U i = C U * n * Mit diesen Gleichungen lassen sich alle elektrischen Maschinen beschreiben
Ansteuern der Gleichstrommaschine Wunsch: Rechts-Linkslauf H- Brücke Wunsch: Drehzahlsteuerung PWM- Ansteuerung Wunsch: Rechts-Linkslauf und Drehzahlsteuerung H- Brücke mit PWM- Ansteuerung
Grundlagen der Gleichstrommaschine Motorbetrieb Tiefsetzsteller (PWM) I T T 1 L A U 2 I D U LA I M I T I D D 1 M t U i U i arithm. Mittelwert von U 2 U 1 U 2 U i U LA t t Durch Pulsweitenmodulation wird der arithmetische Mittelwert der Motorspannung verändert. U 2 = U i + U LA U LA Wechselspannungsanteil von U 2
Grundlagen der Gleichstrommaschine Motorbetrieb Tiefsetzsteller (PWM) I T T 1 L A Zum Betrieb des Gleichstomstellers wird T 1 in schneller Folge I D D 1 U LA M ein- und ausgeschaltet U 1 U 2 U i Der Strom steigt mit der Steilheit: di L = U U d L dt L Im ausgeschalten Zustand ist U L = 0 V und der Strom i L -durch die Drosselspule getrieben- über die Freilaufdiode D 1 weiter. Für die Stromsteilheit gilt: di L = U L dt L
Grundlagen der Gleichstrommaschine Generatorbetrieb Hochsetzsteller (PWM) Problem: Wie kann in den Zwischenkreis zurückgespeist werden, wo U i doch betragsmäßig immer kleiner ist als die Zwischenkreisspannung U 1? U1 C 1 D 2 T 2 U 2 L A U i G Abhilfe: Hochsetzsteller DC/DC- Aufwärtswandler
Grundlagen der Gleichstrommaschine Generatorbetrieb Hochsetzsteller (PWM) 1. Phase: D 2 L A T2 durchgesteuert I GT U LA U i ist treibende Spannung U1 C 1 T 2 U i G I GT fließt L A speichert Energie U 2
Grundlagen der Gleichstrommaschine Generatorbetrieb Hochsetzsteller (PWM) 2. Phase: T2 sperrt: U i ist treibende Spannung L A gibt gespeicherte Energie ab, wird zur Quelle U LA dreht sich um U i + U LA größer als U 1 U1 I D D 2 L A U LA C 1 T 2 U i U 2 Zwischenkreisspannung steigt an G I D fließt Rückspeisung in den Zwischenkreis Abhilfe: Bremschopper oder Einspeise/Rückspeise- Modul
Hoch- Tiefsetz- Steller Halbbrücke 1 D 2 T1 A1 L A T 2 D 1 M U 1 U 2 A2
Hoch- Tiefsetz- Steller Halbbrücke 2 Umzeichnen Halbbrücke Achtung!!!! Ansteuerung der beiden Transistoren muss invertiert erfolgen,ansonsten Kurzschluss des Zwischenkreises U 1 T1 T 2 D2 A1 D 1 U 2 L A M A2
FAZIT Halbbrücke 3 Mit einer Halbbrücke kann in eine Drehrichtung sowohl Motorbetrieb als auch Generatorbetrieb realisiert werden 2- Quadrantenbetrieb Mit zwei Halbbrücken kann in beiden Drehrichtungen sowohl Motorbetrieb als auch Generatorbetrieb realisiert werden 4- Quadrantenbetrieb
Elektronikmotor 1 Anforderungen an einen Servoantrieb hohe Dynamik guter Rundlauf, auch bei kleinsten Drehzahlen hohe Positioniergenauigkeit großer Drehzahlstellbereich geringes Volumen und Gewicht hoher Wirkungsgrad wartungsfreundlich hohe Schutzart
Vom Gleichstrommotor zum EC-motor Vorteile der Gleichstrommotors: einfach regelbar gute dynamische Eigenschaften Nachteile der Gleichstrommotors: Stromzuführung über Bürsten Verschleiß Bürstenfeuer Explosionsschutz nur mit hohem Aufwand machbar Die wesentlichen Verluste entstehen im Läufer, wo sie schwer abzuführen sind. Überlegung physikalischen Funktionen von Anker und Erregerfeld räumlich vertauschen 25
Elektronikmotor 2 Welcher Motor erfüllt diese Anforderungen am besten? die Gleichstrommaschine ABER: Bürsten und Kommutator Verschleiß Wartung Mechanische Kommutierung begrenzt Dynamik Bei hoher Belastung und hohen Drehzahlen Bürstenfeuer Drehmomentabgabe im Stillstand Bürsteneinbrennen Bei Belastung entsteht Verlustleistung im Anker Wärmeabführung problematisch Lösung: Ankerfunktion in Ständer verlegen und Ständerfunktion in Läufer
Elektronikmotor 3 Elektronikmotor (bürstenlose Gleichstrommaschine) Aufbau Ständerwicklung (Ankerfunktion) N permanenterregter Läufer (Polrad) Polradlagegeber S Ständer Wirkungsweise Polradlagegeber meldet die Läuferposition an die Auswertelogik Ansteuerung des Stellgliedes für die Ständerbestromung so, dass sich stromdurchflossene Leiter über den Polen befinden Drehung
Elektronikmotor 4 Elektronikmotor (bürstenlose Gleichstrommaschine) Drehmomentbildung F r N S r F B I F Kraft auf stromdurchflossenen Leiter bewirkt eine Drehung des beweglichen Rotors Daumen: Ursache ( I ) Zeigefinger: Vermittlung (B) Mittelfinger: Wirkung ( F ) Drehmoment: M =Kraft x Hebelarm Drehzahlveränderung gesamtes Moment: M g = 2 * F * r (vgl. GM.) über die angelegte Spannung!!!(vergl. Ankerspannung bei GM)
Elektronikmotor 5 L+ Entstehung der Drehbewegung beim Elektronikmotor L+ L- Umschalt-/Kommutierungssignal L- N S N S S N Kraft auf stromd. Leiter bewirkt eine Drehung des Polrads Stillstand Stromwendung erforderlich nach Stromwendung (im Ständer) dreht sich der Läufer weiter Stromrichtung über dem Pol ist immer gleich Drehrichtungsänderung: Ständerstrom umpolen
Bürstenloser Gleichstrommotor L+ N Kraft auf stromd. Leiter bewirkt eine Drehung des Ankers L- S 30
Bürstenloser Gleichstrommotor 3-strängig L+ L- Steuerung der Transistoren N S 31
Elektronikmotor 6 Vereinfachtes Ständer-Ersatzschaltbild I S R S I S R S n U S U i N S U S U i G Schmid/Ulmer Norm U i = C U * n * C U : Maschinenkonstante U S = I S * R S +U i (vgl. GM.)
Elektronikmotor 7 Der dreisträngige, sechspulsige Elektronikmotor Synchronmaschinen mit permanenterregtem Rotor meist Zylinderläufer Ständerwicklung dreisträngig Durch außenliegende Statorwicklung ausgezeichnetes thermisches Verhalten Speiseeinrichtung (Stellglied) hat Ständerstränge so zu bestromen, dass resultierende Durchflutungsachse immer senkrecht zur Erregerfeldachse steht
Elektronikmotor 8 Der dreisträngige, sechspulsige Elektronikmotor Ständerspeisungsarten Blockspeisung/Blockkommutierung Sinusspeisung/Sinuskommmutierung BL- DC- Servomotor EC- Gleichstrommotor AC- Servomotor Drehstromservomotor
Elektronikmotor 9 Blockspeisung/Blockkommutierung Immer nur zwei Stränge bestromt Gesamtstrom wird zyklisch auf die drei Stränge verteilt Bestromung nimmt innerhalb einer Periode sechs diskrete Zustände an (springende Drehdurchflutung) Rotorlageerfassung mit Hallgebern oder optischen Gebern Auflösung muss nicht hoch sein, da lediglich sechs Zustände Rotor radial magnetisiert konstante Luftspaltinduktion
Elektronikmotor 10 Induktionsverteilung und wirksame Stromverteilung B B Rotor I I Stator Umschalten von grün auf braun
Elektronikmotor 11 Sinusspeisung/Sinuskommutierung Alle drei Stränge werden abhängig von Rotorlage sinusförmig bestromt Rotor ist linear magnetisiert sinusförmige Luftspaltinduktion Rotorlage muss absolut, mit hoher Auflösung erfasst werden i.d.r. Resolver Auch bei extrem niederen Drehzahlen ist einabsolut ruhiger Rundlauf gegeben Läuferfeld und Ständerfeld stehen senkrecht aufeinander
Elektronikmotor 12 Induktionsverteilung und wirksame Stromverteilung B B Rotor I I Stator 2
Kennlinien und Steuerung von Gleichstrommaschine Nach der Drehmoment/Drehzahlbeziehung einer Gleichstrommaschine n = Ziel: Warum? U a c 2 M c 2 Drehzahl und Drehmoment so zu verstellen, dass ein vertretbarer Arbeitspunkt gefunden wird. Unter Vollast können unzulässig hohe Drehmomente erzeugt werden. Es können unzulässig hohe Ströme fließen Die Arbeitsmaschine kann Präzidieren
Welche Parameter kann man verändern? n = U a c 2 M c 2 R a R v c I Leerlauf Steilheit U a Verändert die Leerlaufdrehzahl Maschine läuft langsam hoch Verlustarm R V Verändert die Steilheit Begrenzt den Strom Widerstandsanlauf Verlusbehaftet
Welche Parameter kann man verändern? n = Leerlauf U a c Steilheit Veränderung c Verlustarm 2 M c 2 Wirkt auf die Leerlaufdrehzahl und die Steiheit der Kennlinie
Änderung der Vorwiderstände Leerlaufdrehzahl bleibt konstant Drehzahl n [U/min] Kennlinien werden steiler Verlustbehaftet Zunehmend Drehmoment M [Nm]
Feldschwächung Leerlaufdrehzahl ändert sich Kennlinien werden steiler Drehzahln n [U/min] Verlustarm Zunehmend Drehmoment M [Nm]
Dynamisches Verhalten von Gleichstrommaschinen Wie ändert sich der Betriebszustand bei Änderungen von Parametern im Betrieb? Problem: Ein Lastaufzug soll mit mehreren Personen genauso schnell sein, wie mit einer Person oder im leeren Zustand Bedeutung: Drehazahl wirkt auf das Drehmoment Also lastabhängige Drehzahlregelung
Dynamisches Verhalten von Gleichstrommaschinen
Gleichstrommaschine U A =R A i A L A di A dt U i U E =R E i E L E di E dt =N E E =L E i E Hiermit ist das elektrische Ersatzschaltbild für dynamische Vorgänge vollständig.
Mechanische Beschreibung der Gleichstrommaschine d dt = 1 J M M M L M Stör Störgröße durch z.b. Wind Änderung der Aufzubringendes Drehzahl Moment Trägheitsmoment des Systems
Darstellung der dynamischen Vorgänge Über die Kopplung der Mechanischen und elektrischen Größen ist es nun möglich ein Simulationsmodell zu erstellen, mit dessen Hilfe die Dynamik dargestellt werden kann. U a = c n = 2 n 60s M = c I A Mit Hilfe der Laplacetransformation Ist es nun möglich in Matlab/Simulink oder Scicos Ein Simulationsmodell zu erstellen
Das Simulationsmodell
Der Ankerkreis
Einbezug des Trägheitsmomentes der Maschine
Stabilitätsbedingung für einen Arbeitspunkt
Stabilitätsbedingung für einen Arbeitspunkt
Die Gleichstrommaschine wird aufgeschnitten Warum gibt es überhaupt Bürstenfeuer? Weil eine Spannungsdifferenz wegen der Kommutierung auftritt. Forderung: kein Brüstenfeuer Diese Forderung ist technisch nicht realisierbar, aber man kann dies verringern!
Wir sehen: eine Gleichstrommaschine hat mehr Wicklungen, als wir bislang kennengelernt haben
Wir haben also keine Gleichmäßige Flussverteilung!
= 0 p Erregerfeld und Ankerrückwirkung BLx l dx Im Leerlauf besteht nur das Magnetfeld der Hauptpole, das als Erregerfeld bezeichnet wird. Berechnet man das Integral durch Ersatz eines flächengleiches Rechteck, dann folgt: =B m l p = B L l p Der Qutient: = B m B L Ist der Polbedeckungsfaktor Würde man den Flussdichteverlauf z.b. mit einer Hallsonde aufnehmen, würde man eine starke Schwankung des Flussdichte B Lx im Wechsel Zahn-Nut-Zahn
Ankerstrombelag Im Betrieb tritt im Anker der Laststrom I A Eigenes Magnetfeld Zur Darstellung des Magnetfeldes muss die Durchflutung der stromdurchflossenen Ankerwicklung bekannt sein. Definition des Ankerstrombelages A Der Strom verteilt sich auf sämtliche Leiterstäbe z A Alles Stäbe führen den selben Strom I S
Ankerstrombelag A= I S z A d A A= I A z A 2a d A mit I S = I A 2a Anzahl der parallelen Ankerzweigpaare
Ankerquerfeld Die Folge des Strombelages ist eine Ankerdurchflutung Magnetfeld, das sich über die Polschuhe schleißen kann Die Flussdichte des Feldes wird durch den Verlauf der Felderregerkurve bestimmt.
Ankerrückwirkung Die Stromverteilung bewirkt eine gleichmäßige Durchflutung F. Die Induktion stellt sich gemäß der Reluktanz ein. In den Pollücken ist die Reluktanz am größten. BA überlagert sich mit Bf ==> Feldverzerrzung Bres ist nicht mehr 0 Resultierend: Bürstenfeuer
Ankerrückwirkung
Ankerrückwirkung Erregerfeld Im Betrieb Ankerquerfeld Das resultierende Feld stimmt nicht ganz mit der Addition der beiden Felder überein, wegen der magnetischen Sättigung Beeinflussung des Feldverlaufes innerhalb einer Polteilung 1) Die im Leerlauf symmetrische Induktion wird verzerrt: B max > B L 2) Wegen der magnetischen Sättigung ==> Feld in der einen Polhäflte weniger verstärkt als in der anderen Geschwächt F < F 0 ==> Gesamtfeld ist kleiner als im Leerlauf
Stromwendung Kommutierungszeit
Spulenstrom Stromwendung
Stromwendung U r =2 N S A Q l A b w U r =2 N S l A A Pickelmayer Formel = Q b w Während der Kommutierungszeit t k legt die Nut eine Wendezone b w = t k * n A genannte Strecke am Ankerumfang zurück
Bürstenfeuer Ist Folge einer Unterkommutierung Für die Stromdichte unter den beiden Teilfächen der Kohlebürste zur Lamelle 1 und 2 ergibt sich: J 1 = i 1 l B k t = I S i k l B b B t t K
Bürstenfeuer Ist Folge einer Unterkommutierung Für die Stromdichte unter den beiden Teilfächen der Kohlebürste zur Lamelle 1 und 2 ergibt sich: J 1 = i 1 l B k t = I S i k l B b B t t K J 1 =J B I S i k /2I S t /t K i J 2 = 2 l B b B k t = I S i k l B b B 1 t t K J B = 2I S l B b B Mittlere Stromdichte J 2 =J B I S i k /2I S 1 t /t K
Bürstenfeuer
Entstehung eines Lichtbogens: Abbau der Energie Bürstenfeuer Während der gesamten Kurzschlusszeit t K. Die Stromdichte der ablaufenden Bürstenkante, d.h. bei Lamelle 2 > J B Überschreitet die Überhöhung einen Grenzwert Bürstenfeuer Die verzögernde Wirkung von U r ist so stark, dass zur Zeit t = t K ist i 2 noch nicht null Wird duch Abriss des Kontaktes erzwungen
Querfeldspannung Wegen des Ankerquerfeldes In der geometrisch neutralen Zone tritt die Flussdichte B A auf Mit der Windungszahl N S folgt für die induzierte Bewegungsspannung U b =2 N S B A l A
Wendefeldspannung Die gleichsinnige Wirkung der beiden Spannungen U r und U b zeigt bereits die Möglichkeit auf, die unerwünschte Unterkommutierung zu vermeiden. U B A in der Pollücke beseitigen w =2 N S B w l U Durch ein entgegengesetztes Feld B r + U w = 0 w In der Praxis: U r + U w < 0 leicht beschleunigte Stromwendung
Wendepole Aufbau von Hilfs- oder Wendepolen in der neutralen Zone Wicklungen müssen gegensinnig vom Ankerstrom durchflossen werden Kompensation der magnetischen Spannung V A des Ankerquerfeldes Die erforderliche Flussdichte B w bestimmt sich aus der Forderung U r + U w = 0
Kompensationswicklung Die neutrale Zone ist nun neutralisiert Aber das Ankerquerfeld hat auch Einfluss auf das Feld unterhalb der Polschuhe Problem: Feldschwächebetrieb nicht möglich Wird bei voller Erregung (Aufbau des Luftspaltfeldes) ein Grenzwert überschritten Funkenüberschlag in der Stromwendeisolation Kann bei Feldschwächung Rundfeuer einleiten
Kompensationswicklung Dies wird vermieden, in dem man unter die Hauptpole eine weitere Wicklung anbringt, die in Reihe zur Wendepolwicklung liegt. Diese sind auch vom Ankerstrom durchflossen Idealerweise ist das Ankerquerfeld vollständig neutralisiert
Anschlussbezeichnungen der Gleichstrommaschine
Drehfelderzeugung Drehstromwicklung Drehstrom Gleichstrom Wechselrichter & & Frequenzumrichter Polradabhängige Ansteuerung & & & Polrad ausgeprägte Pole >1 Drehfeld & Elektronikmotor Läuferstellungsabhängiges Ständerfeld
Drehfelderzeugung an Drehstrom Resultierende Magnetfelder in den drei Wicklungen eines Drehfeldmotors: L1 L2 L3 i 1 i 2 i 3 N S Zeitpunkt = 0
Drehfelderzeugung an Drehstrom Resultierende Magnetfelder in den drei Wicklungen eines Drehfeldmotors: L1 L2 L3 i 1 i 2 i 3 S N Zeitpunkt = 90
Drehfelderzeugung an Drehstrom Resultierende Magnetfelder in den drei Wicklungen eines Drehfeldmotors: L1 L2 L3 i 1 i 2 i 3 S N Zeitpunkt = 180
Drehfelderzeugung an Drehstrom Resultierende Magnetfelder in den drei Wicklungen eines Drehfeldmotors: L1 L2 L3 i 1 i 2 i 3 N S Zeitpunkt = 270
Drehfelderzeugung an Drehstrom Resultierende Magnetfelder in den drei Wicklungen eines Drehfeldmotors: L1 L2 L3 => magnetisches Drehfeld i 1 i 2 i 3 N S Zeitpunkt = 360
Drehfelderzeugung an Drehstrom Berechnung der Drehfelddrehzahl n s (Umdrehungsfrequenz des Ständerdrehfeldes) Das Drehfeld macht während einer Periode eine Umdrehung => n s ~ f => Bei einer Netzfrequenz von f = 50 Hz: n s = 3000 min -1? Wie kann die Drehfelddrehzahl verändert werden?
Drehfelderzeugung an Drehstrom Veränderung der Drehfelddrehzahl n s => Die drei Wicklungen U, V und W werden geteilt L1 L2 L3 1U1 1V1 1W1 1U2 2U1 1V2 2V1 1W2 2W1 2U2 2V2 2W2
Drehfelderzeugung an Drehstrom Veränderung der Drehfelddrehzahl n s => resultierende Magnetfelder in den sechs Wicklungen eines Motors: L1 L2 L3 i 1 i 2 i 3 N 1 S 2 S 1 N 2 Zeitpunkt = 0
Drehfelderzeugung an Drehstrom Veränderung der Drehfelddrehzahl n s => resultierende Magnetfelder in den sechs Wicklungen eines Motors: L1 L2 L3 i 1 i 2 i 3 S 2 N 2 N 1 S 1 Zeitpunkt = 180
Drehfelderzeugung an Drehstrom Veränderung der Drehfelddrehzahl n s => resultierende Magnetfelder in den sechs Wicklungen eines Motors: L1 L2 L3 i 1 i 2 i 3 N 2 S 1 S 2 N 1 Zeitpunkt = 360
Drehfelderzeugung an Drehstrom Berechnung der Drehfelddrehzahl n s Das Drehfeld macht während einer Periode nur eine halbe Umdrehung => n s ~ f / 2 => Bei einer Netzfrequenz von f = 50 Hz: n s = 1500 min -1 => n s nur noch halb so groß wie bei drei Wicklungen Warum??
Drehfelderzeugung an Drehstrom Formel zur Berechnung der Drehfelddrehzahl n s Bei drei Spulen bilden sich zwei Magnetpole aus => 1 Polpaar (p = 1). Bei sechs Spulen bilden sich vier Magnetpole aus => 2 Polpaare (p = 2). => n s von der Polpaarzahl und von der Frequenz abhängig => n s = f / p [n s = min -1 ]
Drehfelderzeugung mit Frequenzumrichter nach dem Raumzeigerverfahren A B C L 1 L 2 L 3 Drei Halbbrücken werden über A,B und C angesteuert Mögliche Schaltzustände 8 relevant nur 6 Aufrufen der sechs relevante Zustände Drehfeld entsteht
Drehfelderzeugung mit Frequenzumrichter nach dem Raumzeigerverfahren Ergebnis: Drehfeld ist sechseckig Oberwellen ungünstig 011 001 010 101 110 100 Abhilfe?????
Drehfelderzeugung mit Frequenzumrichter nach dem Raumzeigerverfahren Wie kann ein kontinuierlicher kreisförmiger Verlauf des Raunzeigers erreicht werden? Durch PWM wird die Länge benachbarter Zeiger verändert Vektoraddition neuer vom Pulsverhältnis der beiden Raumzeiger abhängiger Raumzeiger ist entstanden Teil 101 001 neuer Raumzeiger Teil 001 101
Drehstromasynchronmotor Asynchron Läufer dreht sich langsamer als Drehfeld Aufbau W2 U1 V1 V2 U2 W1 Ständer (Stator) Drehstromwicklung am Drehstromnetz erzeugt Drehfeld Läufer (Rotor) Blechpaket in das die Läuferwicklung eingelassen ist Man unterscheidet Kurzschlussläufer (Läuferstäbe) Schleifringläufer (echte Wicklung) L1 L2 L3 L1 L2 L3 Klemmbrett Sternschaltung Dreieckschaltung
Drehstromasynchronmotor Wirkungsweise (Vereinfacht nur eine Windung gezeichnet) 1. Ständerdrehfeld schneidet Leiter Feldlinien werden geschnitten 2. Läuferspannung wird induziert 3. Läuferspule ist kurzgeschlossen => Läuferstrom fließt 4. Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld Ablenkung Drehbewegung F Ständerdrehfeld Schlupfdrehzahl = Drehfelddrehzahl - Läuferdrehzahl F n Ständer Ohne Schlupf kein Schneiden von Feldlinien Keine Induktionsspannung kein Induktionsstrom keine Kraftwirkung keine Drehbewegung
Drehstromasynchronmotor Wirkungsweise (mit UVW- Regel erklärt) 1. Induktionsspannung B v I 2. Kraftwirkung Daumen: Ursache ( v ) Zeigefinger: Vermittlung (B) Mittelfinger: Wirkung ( I ) Ständer v Läufer n Drehfeld F n Läufer B I F Daumen: Ursache ( I ) Zeigefinger: Vermittlung (B) Mittelfinger: Wirkung ( F )
Beziehungen Drehstromasynchronmotor 1. Induktionsspannung Motorhauptgleichung U i = C U * n * C U : Maschinenkonstante modifiziert für DASM Relevante Drehzahl für induzierte Spannung = Schlupfdrehzahl U i = C U * n Schlupf * C U : Maschinenkonstante Im Stillstand größte induzierte Spannung größter Strom im Läufer hoher Anlaufstrom
Beziehungen 2. Drehmoment Drehstromasynchronmotor Motorhauptgleichung M = C M * I * modifiziert für DASM Drehmomenten bildender Strom im Läufer ist Wirkstromanteil M = C M * I Läufer * * cos Läufer Wovon hängt der cos des Läufers ab??
Drehstromasynchronmotor Ersatzschaltbild des Läufers I L X L X L = s*x 1 Stillstand R L U il U L U il U L U RL L U RL I L Im Stillstand ist der Schlupf maximal X L maximal cos Läufer sehr schlecht resultiert Missverhältnis zwischen hohem Anlaufstrom und bescheidenem Anlaufmoment
Drehstromasynchronmotor Konstante Schlupfdrehzahl konstanter X L Konstanter cos Läufer konstanter Wirkstromanteil im Läufer, sofern U il konstant ist. U il ist konstant, wenn der Fluss konstant ist. Konstanter Wirkstromanteil im Läufer und konstanter Fluss führen zu einem konstanten Drehmoment. Fazit: Für alle Vorgänge in der Maschine ist der Schlupf und der Fluss entscheidend! Es ist gleichgültig von welchen Drehzahlen die Schlupfdrehzahl gebildet wird, nur die Differenz ist entscheidend (z.b. 3000 min -1-2800 min -1 = 200 min oder 1000 min -1 800 min -1 = 200 min -1 ) Konstantes Drehmoment bei gleicher Schlupfdrehzahl, aber unterschiedlichen Läuferdrehzahlen!!
Drehstromasynchronmotor Wovon hängt der Fluss in der Maschine ab? Ständerbetrachtung einfachster Fall: Leerlaufbetrachtung Problem reduziert sich auf einfache Spulenbetrachtung I S R S U S Ui S ungefähr U S h X S U S U is Annahme: h ist konstant, wenn I S konstant ist I S ist konstant, wenn U is /X S =konstant ist mit X S = 2* *f*l S U is ~ f s U RS
Drehstromasynchronmotor Für Frequenzen größer 15 Hz gilt Ui S ungefähr U S U S Ui S ungefähr U S s U RS Angelegte Spannung bestimmt den Fluss Wird U/f konstant gehalten, bleibt der Fluss konstant Frequenzumrichter muss U ~ f verändern
Drehstromasynchronmotor Verhältnisse bei niedrigen Frequenzen X S wird mit sinkender Frequenz immer kleiner Verhältnis U RS zu Ui S ändert sich gravierend U S Ui S U S s U RS Ui S nicht mehr ungefähr U S I S Wenn weiterhin U S ~ f verändert wird, sinkt der Fluss Soll der Fluss konstant gehalten werden, muss im unteren Frequenzbereich die Eingangsspannung U S um den Spannungsfall U RS angehoben werden man spricht dann Boost.
FAZIT: Drehstromasynchronmotor Der Frequenzumrichter muss nicht nur die Frequenz, sonder auch die Spannung verändern, um den Fluss in der Maschine konstant zu halten. Bis ca. 15 Hz U proportional f Bei Frequenzen unter 15 Hz sollte U individuell angehoben werden (überproportional) U/f- Kennlinie Grund: Wirkwiderstand der Ständerwicklung Um auch bei Belastung den Fluss konstant zu halten wird die Spannung in Abhängigkeit vom Ständerstrom angehoben I x R- Kompensation.
U/f- Kennlinie Drehstromasynchronmotor U U max Boost f Eck f
U/f- Kennlinie Drehstromasynchronmotor U U max I x R Kompensation I x R Anhebung f Eck f
Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine