Antriebsumrichter MOVIDRIVE® - siva.bgk.uni-obuda.husiva.bgk.uni-obuda.hu/~szakacs/segedanyagok/0910/ME13NDC/D55B9A11d01.pdf · Relais- oder Schützspule). Durch Verwendung eines

Produkttraining

Antriebsumrichter MOVIDRIVE®

Grundlagen Antriebstechnik

AS/TP87.DRW_1

U

I

UNetzStrU

Frequenzumrichter Motor

Typ R97 CV132S-4/BMG/HR/TF/AV1H/ISNr. 01.3214863201.0001.02Nm 110

Nm 37,00 S1

IM M1

Bremse V400 AC

CLP 220 MINER.ÖL/4,60

3 ~ IEC 34

Max.Motor i 27,58 :1 R/min 2100/76,0Hz 72,3 V 335∆ A 19,20

Kg IP Iso.Kl.Kg

Nm 100 Gleichrichter

Vorwort

Produkttraining 20.08.2004

Diese Unterlagen sind als informierende schulungsbegleitende Unterlagen erstellt worden, sind aber auch durch die Kombination von Aufgaben und anschließender Lösungsvorschläge zum Selbststudium geeignet. Diese Unterlagen ergänzen die bei SEW vorhandenen Dokumentationen. Sie sind nach bestem Wissen und Gewissen erstellt. Wir übernehmen keine Haftung für etwaige Fehler. Ebenso übernehmen wir keine Haftung für etwaige daraus resultierende Schäden oder Mangelfolgeschäden. Bei Fragen oder für Anregungen stehen Ihnen die Verfasser gerne zur Verfügung. Verantwortlich: DriveAcademy Produkttraining Bedeutung der Symbole im Workbook:

Bedienungshinweise

Achtung wichtige Informationen

Besonderer Tipp

Vorgehensweise bei Diagnose und Fehlersuche

Praktische Aufgabe

Hinweis auf zusätzliche Dokumentation

Inhalt


1. Grundlagen Antriebssysteme 1 1.1 Gegenüberstellung verschiedener Antriebe 2 1.2 Kennlinien verschiedener Antriebssysteme 3

2. Grundlagen zum Asynchronmotor 4 2.1 Aufbau und Funktionsweise eines Drehstromasynchronmotors 4 2.2 Wirkungsweisen im Asynchronmotor 5 2.3 Drehmomentkennlinie des Drehstromasynchronmotors am Netz 8 2.4 Das Typenschild 9 2.5 Wichtige Zusammenhänge beim Drehstromasynchronmotor 10 2.6 Eigenschaften des Drehstromasynchronmotors bei Netzbetrieb 11

3. Grundlagen Frequenzumrichter 12 3.1 Das Leistungsteil eines Frequenz-/Antriebsumrichters 12 3.1.1 Der Netzgleichrichter 13 3.1.2 Der Gleichspannungszwischenkreis 13 3.1.3 Der Wechselrichter 13 3.1.4 Der IGBT 15 3.2 Funktionsbeschreibung Frequenzumrichter-Prinzip 16 3.3 Einsatz und Funktion des Bremschoppers 17 3.4 Der 4-Quadrantenbetrieb 17 3.5 Netzrückspeisung 19

4. Grundlagen zum Asynchronmotor am Antriebsumrichter 21 4.1 Hinführung zur U/f-Kennlinie 21 4.1.1 Übersicht über die verschiedenen U/f Kennlinien 22 4.1.2 Einfluß der Frequenz auf Nennmoment und Kippmoment 23 4.2 Die 50 Hz-Kennlinie mit fmax = 70 Hz 24 4.3 Die 87 Hz Kennlinie mit D-Schaltung 26 4.4 Eigenschaften des Drehstromasynchronmotors bei Umrichterbetrieb 29 4.5 Die Drehzahlregelung 30

5. Steuer- und Regelverfahren 31 5.1 Nicht-Feldorientierte Systeme 31 5.2 Feldorientierte Umrichtersysteme 32 5.3 Spannungs-Frequenzgeführte Feldorientierung für Asynchronmotoren 32 5.4 Stromgeführte Feldorientierung 33 5.5 U/f ohne Drehzahlrückführung 34 5.6 U/f mit Drehzahlrückführung 35 5.7 VFC ohne Drehzahlrückführung 37 5.8 VFC mit Drehzahlrückführung 39 5.9 CFC mit Drehzahlrückführung für Asynchronmotoren 40 5.10 CFC mit Resolver für Synchronservomotoren 43 5.11 Unterschiede: Spannungs/Frequenz- und Feldorientierte Systeme 45 5.11.1 Spannungs-Frequenz-geführten Systems 45 5.11.2 Feldorientierte Antriebssysteme 47 5.11.3 Spannungs-Frequenz geführte feldorientierte Systeme 47 5.11.4 Stromgeführte, feldorientierte Systeme 49 5.11.5 Drehmoment-Anregelzeiten 50

1. Grundlagen Antriebssysteme 1


1. Grundlagen Antriebssysteme Ziel:

Der Teilnehmer kennt die Eigenschaften verschiedener Antriebssysteme. Er kennt die Anforderungen an ein Antriebssystem bei verschiedenen Applikationen.

Durch die Kombination von Frequenzumrichter und Drehstromantrieb wurden die stromrichter-gespeisten Gleichstrommaschinen zunehmend verdrängt. Möglich wurde dies durch die Entwicklung leistungsstarker Mikroprozessoren und Leistungstransistoren.

Bei SEW-Eurodrive unterscheidet man zwischen Frequenzumrichter und Antriebsumrichter. Grundsätzlich handelt es sich bei beiden Geräten um Frequenzumrichter, jedoch spricht man bei MOVIDRIVE® vom Antriebsumrichter. Der Grund hierfür ist die hohe Funktionalität, die in diesem System implementiert ist. Im Unterschied zur Frequenzumrichterreihe MOVITRAC®31C arbeitet der Antriebsumrichter MOVIDRIVE® mit feldorientierten Regelverfahren. So können auch bei Drehstromasynchronmotoren hinsichtlich Dynamik und Regelgüte Eigenschaften realisiert werden, die sonst nur mit Gleichstrom- oder Servoantrieben zu erreichen waren.

Zusätzlich besteht die Möglichkeit über den standardmäßig vorhandenen Systembus mehrere Antriebsumrichter miteinander zu vernetzen, um einen schnellen Datenaustausch zwischen den Geräten zu realisieren.

Die integrierte Positionier- und Ablaufsteuerung IPOSPLUS® ermöglicht es Bewegungsabläufe sehr maschinennah direkt im Umrichter zu steuern.

Im folgenden wird nur der Umrichtertyp mit Gleichspannungszwischenkreis behandelt (U-

Umrichter). Diese Gruppe ist die bedeutendste für den Leistungsbereich ab 0,5 kW bis 100 kW.

1. Frequenz-/Antriebsumrichter

2. Drehstrommotor (hier: Asynchronmotor)

3. Nach Auswahl des Steuer- oder Regelverfahrens mit oder ohne Drehzahlrückführung

1

2 3



1.1 Gegenüberstellung verschiedener Antriebe Eigenschaft Drehstrom-

asynchronmotor mit Frequenzumrichter

Drehstrom-asynchronmotor mit Antriebsumrichter

Servomotor mit Servo-umrichter

System U/f - gesteuert Feldorientiert: - spannungsgeführt

- stromgeführt

Feldorientiert

Wartung am Motor keine keine keine

Gewicht/Leistung* 100% ~100-150% ~170%

Regelbereich 1:20 gesteuert 1:200 geregelt

1:100 gesteuert 1:800 geregelt

1:5000 *1 *2

1:3000 *2

Belastbarkeit kurzzeitig

1,5 * MN

3 * MN bis 2/3 fnenn

1,6 * MN bzw bis

3 * MN von n=0 bis nmax

3 * M0

Verschleiß gering gering gering

Dynamik * 100% ~400% ~500%

SEW Verstärker 0,37kW - 45kW 1,5kW - 90kW 0,30kW - 11/30kW

Preis Systemabhängig

*1 strom- bzw. momentengeführte Feldorientierung mit hochauflösendem sin/cos-Geber

*2 volles Drehmoment bis zum Stillstand (kurzzeitig dreifache Überlast) * Die Eigenschaften "Gewicht / Leistung" und "Dynamik" sind stets abhängig von der Ausführung des Motors, speziell beim Gleichstrommotor, z.B. Schutzart ....

Bezugsgrösse ist die maximale Leistung, die man von einem entsprechenden Motor entnehmen kann. Bezogen auf sein Bauvolumen bzw. sein Baugewicht kann, z.B. mit feldorientierten Regelverfahren der Asynchronmotor wesentlich besser ausgenutzt werden. Daher erhöht sich hier auch der Faktor ‘Gewicht / Leistung’ gegenüber dem gleichen Faktor bei U/f-gesteuert.



1.2 Kennlinien verschiedener Antriebssysteme

Ein vollständiger Antrieb besteht aus der Kraftmaschine (Motor) und der Arbeitsmaschine.

Der Elektromotor, der ein mit der Drehzahl veränderliches Drehmoment erzeugt, wird allgemein mit der Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie beschrieben.

Die Arbeitsmaschine stellt diesem Motormoment M bei gleicher Drehzahl ein Lastmoment entgegen.

Die nachfolgenden Bilder zeigen die verschiedenen Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinien von

Antriebsmaschinen. Diese Eigenschaften beeinflussen die Auswahl eines Antriebes.

Es gilt: P M=

∗ n9550 , mit P [kW], M [Nm], n [min-1]

Md ~ 1n

Md = konstant Md ~ n Md ~ n²

P = konstant P ~ n P ~ n² P ~ n³ P

Md

GRD010.DRW

P

Md

PMd

P Md

Wickelantriebe Spindelantriebe, für: Plandrehen Rundschälen

Hebezeuge Förderbänder Walzwerke Hobelmaschinen Verarbeitungsmasch.

Kalander mit viskoser Reibung Wirbelstrombremsen

Pumpen Lüfter Zentrifugen

Md = Dauermoment

Unterscheidet man Motormoment und Lastmoment, so wird bei größerem Motormoment, in Bezug auf die Leistung, das Antriebssystem beschleunigt und bei kleinerem Motormoment das System abgebremst.

Die Hauptaufgaben des Antriebsmotors sind: Anlauf

Nennbetrieb

Drehzahlverstellung

Bremsen

Hinweis zur Projektierung: Zur Dimensionierung muss das vom Motor geforderte Last- und Beschleunigungsmoment mit dem zur Verfügung stehenden Motormoment verglichen werden. Hierzu müssen die Drehmomentkennlinien eines Motors herangezogen werden. Diese sind jeweils in den Motorenkatalogen abgebildet.

2. Grundlagen zum Asynchronmotor 4


2. Grundlagen zum Asynchronmotor Ziel:

Dem Teilnehmer kennt die wichtigsten physikalischen Zusammenhänge und Eigenschaften eines Asynchronmotors. Er kennt das Verhalten eines Asynchronmotors bei Netzbetrieb.

2.1 Aufbau und Funktionsweise eines Drehstromasynchronmotors Aufbau Der DASM besteht aus den Hauptkomponenten Stator und Rotor.

Stator Der Stator besteht aus Gehäuse, Ständerblechpaket und

Ständerwicklung. Die Ständerwicklung ist räumlich über den gesamten Umfang verteilt und hat im Gegensatz zum Gleichstrommotor keine ausgeprägten Pole. Die Wicklung ist in den Nuten des Eisenblechpakets untergebracht.

Wicklung Die Wicklung besteht aus drei Teilen, die je nach Polzahl um 120°, 60°, 30°

usw. versetzt sind. Die Anfänge der Wicklungen tragen die Bezeichnungen U1, V1 und W1. Die Enden werden mit U2, V2 und W2 bezeichnet. Die Wicklungen können in Stern- oder Dreiecksschaltung angeschlossen werden.



Rotor Es soll hier nur der Käfigläufer betrachtet werden. Der Läufer ist das rotierende Teil des Motors. Er ist im Ständer gelagert und mit zwei Ringen und Kurzschlussstäben aus Aluminium, Kupfer, Messing oder Bronze aufgebaut. Ringe und Stäbe bilden dabei einen Kurzschlusskäfig. Zwischen Stator und Rotor besteht im Motor ein Luftspalt. Dieser Luftspalt hat eine zentrale Notwendigkeit bei der Funktions- und Wirkungsweise des Motors.

2.2 Wirkungsweisen im Asynchronmotor Hinweis 1

Wird ein elektrischer Leiter in einem permanenten Magnetfeld mit einer Geschwindigkeit v bewegt und schneiden die magnetischen Feldlinien den Leiter im rechten Winkel, so wird im Leiter eine Spannung Uind induziert.

Die Induktionsspannung kann durch höhere Geschwindigkeit, durch mehr Leiterschleifen oder durch ein höheres Magnetfeld erhöht werden.

Grundlage der Induktion ist jedoch immer eine Bewegung des Leiters im Magnetfeld bzw. eine grundsätzliche Änderung des Magnetfeldes gegenüber dem Leiter.

Die Ladungsträger im Leiter erfahren eine Kraft F, die die Ladungsträger (Elektronen) in eine Richtung drängt. Dadurch kommt in einem Punkt des Leiters ein Ladungsträger-überschuß zustande (Minuspol) und in einem anderen Punkt ein Ladungsträgermangel (Pluspol). Diese Ladungsträgerverschiebung bzw. Potentialdifferenz kann man nun als Spannung messen.

Hinweis 2

Jeder stromdurchflossene Leiter wird von einem rechtsdrehenden (in Bezug auf den Stromfluß) Magnetfeld umgeben.

Werden mehrere Leiterschleifen zusammen-gefasst, so entsteht eine Spule. Im Inneren addieren sich die magnetischen Feldlinien zu einem resultierenden Magnetfeld (Prinzip des Relais- oder Schützspule).

Durch Verwendung eines magnetischen Materials als Spulen- oder Wickelkörper kann die Stärke des Magnetfeldes erhöht werden.

N

S V

v

+

-



Umsetzung der Hinweise 1 und 2 auf das Verhalten des Asynchronmotors:

Der Stator des Asynchronmotors besteht prinzipiell aus drei Spulen, die auf einen ferromagnetischem

Trafoblechkörper gewickelt sind.

Die Spulenenden können in der Schaltungsart STERN oder DREIECK zusammengefaßt werden.

Beim Einschalten (Netzbetrieb, z.B. in Sternschaltung) fließt ein Einschaltstrom I durch die Spulen. In jeder Spule entsteht ein Magnetfeld.

Addiert man alle drei Magnetfelder zusammen entsteht ein resultierendes Magnetfeld des Ständers, das mit 50 Hz (3000 1/min) konstant umläuft.

Der Rotor

des Asynchronmotors, ist als zylindrischer Käfig (Käfigläufermotor) aufgebaut. Einzelne Stäbe

werden über dicke Kurzschlußringe zusammengefaßt.

Im Einschaltmoment (mechanische Drehzahl = 0 1/min) erfährt jeder einzelne Stab eine Änderung des Magnetfeldes von 3000 1/min, also eine maximale Änderungsgeschwindigkeit.

So wird hier auch die maximale Spannung in jedem einzelnen Stab induziert. Durch den Kurzschlußring fließt unmittelbar ein Kurzschlußstrom durch die Rotorstäbe. Jeder stromdurchflossene Leiter wir von einem Magnetfeld umwirbelt.

Addiert man die einzelnen Felder des Rotors, so erhält man ein resultierendes Magnetfeld des Rotors.

Ständermagnetfeld

Rotormagnetfeld

U

V

W

50Hz



Der Motor

besitzt nun nach der Magnetisierungsphase zwei Magnetfelder. Das Statorfeldfeld koppelt über den Luftspalt des Motors auf den Rotor. Das zunächst schnellere Statorfeld zieht das Rotorfeld mit. Der Rotor beginnt sich zu drehen. Dadurch wird die relative Änderungsgeschwindigkeit zwischen Rotor und Stator geringer. Es wird weniger Spannung induziert, es fließt ein kleinerer Kurzschlußstrom, das Rotorfeld wird schwächer.

Bei Rotordrehzahl = Statorfrequenz ist die relative Änderungsgeschwindigkeit = 0. Also fällt der Rotor in seiner Drehzahl ab, da nun keine magnetische Kraft mehr wirken kann. Es bildet sich ein Verhältnis zwischen Rotordrehzahl und Statorfrequenz, in Abhängigkeit der Last an der Abtriebswelle des Motors. Dieses Verhältnis wird Schlupf genannt. Es ist notwendig um überhaupt eine Kraftwirkung über die magnetische Induktion am ASM zu erreichen.

Die induzierte Spannung ist bei stillstehendem Rotor am größten. Da die ASM in erster Näherung ein Transformator mit sekundärseitig kurzgeschlossener Wicklung ist , erklärt sich nun auch die hohe Stromaufnahme bei mechanisch stehendem Motor. (Induktionsspannung maximal sekundärer Kurzschlußstrom maximal, daher primärseitige Stromaufnahme maximal)

Der Statorwiderstand stellt die ohmschen Verluste der Kupferwicklungen dar. Die Streuinduktivität

die magnetischen Verluste im Eisenpaket des Läufers. Die Hauptinduktivität sorgt für die Magnetisierung der Maschine. Der Magnetfluss wird über den Luftspalt auf den Rotor transformiert. Der Rotor besitzt ebenfalls magnetische und ohmsche Verluste, da es sich um einen realen elektrischen Leiter (Aluminium) , eine Leiterschleife handelt.

Magnetfeld Luftspalt

Der Motor ist grundsätzlich für ein fest definiertes Spannungs-Frequenz-Verhältnis (U/f-Verhältnis) konstruiert. Dies wird vom Versorgungsnetz am Einsatzort bestimmt. Steigt dieses Spannungs-Frequenz-Verhältnis über den Bestimmungspunkt (Spannung gegenüber der Frequenz zu groß), so wird der Motor übermagnetisiert, in die andere Richtung untermagnetisiert.

Ist der Motor untermagnetisiert, so wird er geschwächt und kann kein Nennmoment mehr abgeben. Der Motor kann überlastet werden.

Ist er während des Normalbetriebs übermagnetisiert wird der Motor überlastet. Dies schlägt sich in einer zu starken Erwärmung des Motors nieder. Beide Fehlmagnetisierungsmöglichkeiten können zur thermischen Zerstörung des Motors führen.

Das Magnetfeld rotiert im Luftspalt. Es wird durch die Ständerspulen induziert. Durch die Nutzung der drei Phasen (drei Wicklungen) entsteht ein Drehfeldsystem mit einem symmetrisch rotierendem Magnetfeld. Dieses resultierende Magnetfeld hat die Aufgabe, eine Spannung im Rotor zu erzeugen, damit eine Drehbewegung zustande kommt. Bei Netzbetrieb stellt sich ein konstantes Magnetfeld in Abhängigkeit der Spulen und der Spulenwiderstände ein. Ebenso wird sich ein lastbedingtes, resultierendes Magnetfeld des Rotors ergeben. Ständerfeld und Rotorfeld sind über den Luftspalt gekoppelt.

Durch Einsatz eines Frequenzumrichters kann nun dieses Spannungs-Frequenz-Verhältnis beeinflusst werden.



2.3 Drehmomentkennlinie des Drehstromasynchronmotors am Netz

MA ist das Anlaufmoment des Motors, wenn im Stillstand Nennspannung und Nennfrequenz

angelegt werden.

MK wird als Kippmoment bezeichnet und ist das größte Moment, das der Motor bei angelegter Nennspannung und Nennfrequenz abgeben kann.

MN ist das Nennmoment des Motors. Dieses stellt sich ein, wenn der Motor mit Nennfrequenz, Nennspannung und Nennlast betrieben wird.

Die sog. Nenndaten stehen auf dem Typenschild des Motors. Sie geben den optimalen Arbeitspunkt des Motors bei Netzbetrieb an.

Die Zusammenhänge zwischen Motormoment bzw. Stromaufnahme und Drehzahl haben einen charakteristischen Verlauf. Durch unterschiedliche Läuferbauformen oder unterschiedliche Wicklungen ergeben sich spezifische Kennlinien.



2.4 Das Typenschild

DT 71D4 / BMG / TH / HR / AV1H / IS

Integrierter SteckverbinderAbsolutwertgeber HiperfaceHandlüftung für BremseTH/TF TemperaturfühIer BR/BMG BremseDT/DV Fußmotor71mm Bauhöhe4 Pole

K67 DT 71D4 / BMG / TH / HR / AV1H / IS

Kegelradgetriebe

Bei einem Getriebemotor könnte die Bezeichnung folgendermaßen aussehen:



2.5 Wichtige Zusammenhänge beim Drehstromasynchronmotor Ständer drehzahl

pfnsync

60⋅=

mit: f = Frequenz p = Polpaarzahl

Rotor drehzahl

601⋅

−⋅=

p)s(fn

mit: f = Frequenz p = Polpaarzahl s = Schlupf

Schlupf

sync

sync

nnn

s−

=

Schlupf drehzahl

nnn syncs −=

Schlupf frequenz

60pnf s

s⋅

=

Die Schlupfdrehzahl eines Motors kann dem Typenschild, dem Motordatenblatt oder dem Motorenkatalog entnommen werden.

Spannung

ΦfkπU m2= mit: kM = Maschinenkonstante

f = Frequenz Φ = magnetischer Fluß

Der magnetische Fluß ist in Verbindung mit dem Strom maßgebend für das vom Motor abzugebende Moment. Bleibt der Fluß und der Strom konstant, ist auch das Moment konstant.

Hieraus ergibt sich die Forderung:

fUk,ttankonsΦ M ⋅⋅⇒= 444

da aber kM ebenfalls ein konstanter Faktor ist, ergibt sich der direkt Zusammenhang von:

M ∼ ttankonsMfU

=⇒

Moment beim Drehstromasynchronmotor

M ∼ ΦI ⋅ Das Moment ist im Nennschlupfbereich nahezu proportional dem Strom und dem magnetischen Fluß.



Die Drehzahlverstellung beim Asynchronmotor ist möglich über: Änderung des Schlupfes

- Vorwiderstände bei Schleifringläufer-Motoren - Energierückspeisung aus dem Läufer ins Netz - Änderung der Klemmenspannung

Änderung der Polpaarzahl ⇒ polumschaltbare Motoren

Änderung der angelegten Frequenz ⇒ Antriebs- bzw. Frequenzumrichter

2.6 Eigenschaften des Drehstromasynchronmotors bei Netzbetrieb Der Drehstromasynchronmotor ist sehr robust, praktisch wartungsfrei und im Vergleich zu anderen

Elektromotorarten die preiswerteste Lösung. Die Betriebseigenschaften bei Netzbetrieb, abhängig von Nennleistung PN (Bemessungsleistung) und Polzahl, sind: hoher Anlaufstrom IA (3,5...7 ⋅ IN)

hohes Anlaufmoment MA (2...3 ⋅ MN)

lastabhängige Drehzahl n (Schlupfwerte: 2...8 % bzw. 30...120 min-1 Drehzahlfall bei MN, bezogen auf 1500 min-1 bei einem 4 poligem Motor)

zulässiges Drehmoment - Überlastbarkeit zwischen 1,6...1,8 x MN. Bei höherer Belastung steigt die Kippgefahr, der Motor bricht in der Drehzahl ein und wird innerhalb kurzer Zeit (10...30 s) seine maximal zulässige Grenztemperatur erreichen

begrenzte Schalthäufigkeit (thermisch zulässige Anzahl von Einschaltungen pro Stunde) abhängig vom Massenträgheitsmoment

Kippmoment MKipp 2,2...3 ⋅ MN

3. Grundlagen Frequenzumrichter 12


3. Grundlagen Frequenzumrichter Ziel:

Der Teilnhemer lernt den prinzipiellen Aufbau und die Funktion der SEW Frequenz-/Antriebsumrichter kennen. Der Teilnehmer kennt die Möglichkeiten einen 4-Quadranten-Betrieb zu realisieren

SEW-Eurodrive fertigt prinzipiell Frequenz- bzw. Antriebsumrichter mit Gleichspannungszwischenkreis, d.h. die Energie wird in einem Kondensator gespeichert. Dahingegen gibt es Umrichtersysteme, die mit einem sog. Stromzwischenkreis arbeiten. Deren Energiespeicher ist induktiver Art. Im folgenden wird Bezug auf Umrichtersysteme mit kapazitivem Energiespeicher genommen.

3.1 Das Leistungsteil eines Frequenz-/Antriebsumrichters

LEIST_1.DRW/OE

L1

L2

L3

1

2

3

4 5 6

T1 T2 T3

T4 T5 T6

C

Eingang Drehstromnetzungesteuerter GleichrichterB6 Schaltung

Gleichspannungs -zwischenkreis

Wechselrichter mitIGBT Transistoren

Drehstromasynchronmotor

Netzanschluss: Klemme 1, 2, 3, Phasenfolge muss nicht beachtet werden. Motoranschluss: Klemme 4, 5, 6, hier Drehrichtung beachten. Drehrichtung des Motors kann durch Phasentausch erreicht werden.



3.1.1 Der Netzgleichrichter Der Netzgleichrichter besteht aus einer ungesteuerten dreiphasigen Brückenschaltung. Ihre Aufgabe ist

es, die Wechselspannung des Stromnetzes in eine (pulsierende) Gleichspannung umzuwandeln, die durch den Zwischenkreiskondensator geglättet wird.

L1L2

L3

û, U

û = StrU⋅6

U = 1,35 * U_

Netz

û = VV 5632306 =⋅

U = 1,35 * 400V = 540V_

3.1.2 Der Gleichspannungszwischenkreis schlanker Zwischen-kreis

Moderne dreiphasige Umrichter besitzen keine großen Zwischenkreiskondensatoren mehr Damit werden kleinere Einschaltströme und günstigere Netzrückwirkungswerte erreicht. Derartige Umrichter sind dadurch erkennbar, dass ihr Netzeingangsstrom kleiner ist, als der Ausgangsstrom. Vorteil: Keine Ladeschaltung erforderlich und kleinere Geräte möglich, da geringe Zwischenkreiskapazität. Nachteil: Geringerer Energiepuffer bei Netzschwankungen bzw. schnellere Abschaltzeiten bei kurzzeitigen Netzspannungseinbrüchen.

3.1.3 Der Wechselrichter Der Wechselrichter besteht aus drei Brückenzweigen, die aus jeweils zwei Transistoren und zwei

Dioden bestehen. Der Wechselrichter wandelt die Zwischenkreisspannung in eine dreiphasige pulsierende Ausgangsspannung um. Erzeugung der sinusbewerteten Ansteuerspannungen für die Wechselrichterventile



U3

T1 T2 T3

T4 T5 T6

IZ

UZ

U12

U1

U2

t

t

t

t

t

US

U1

U2

U3

U12

Umschaltpunkt

UZ

Grundschwingung

Ansteuer-spannung

Zur Erzeugung der sinusbewerteten Ansteuerspannungen der Wechselrichterventile wird pro Wechselrichterzweig eine variable sinusförmige Referenzspannung mit einer dreieckförmigen Hilfsspannung verglichen. Dies alles wird auf digitalem Wege durchgeführt. Die unterschiedlichen Sinus-Referenzsignale sind in einem Tabellenspeicher hinterlegt (EEPROM) und werden je nach Sollwert vom Mikrocontroller ausgelesen und verarbeitet. In den Schnittpunkten der Dreieckspannung mit den sinusförmigen Referenzspannungen werden die Transistoren des Wechselrichters ein- bzw. ausgeschaltet. Ist die Dreieckspannung größer als die Sinusspannung, dann wird der Ausgangspuls negativ (-UZ/2) - ist sie kleiner, wird er positiv (+UZ/2). Somit ist in jedem Brückenzweig entweder der obere oder der untere Transistor durchgesteuert. Je nach Schaltzustand der einzelnen Brückenzweige liegt an den Wicklungen entweder der positive oder der negative Pol der Zwischenkreisspannung. Die wirksame Summenspannung ergibt sich aus der Überlagerung der einzelnen an den Wicklungen anliegenden Spannungen.

Freilauf- dioden

Da im Umschaltmoment hohe Induktionsspannungen an der induktiven Ausgangslast auftreten sind parallel zu jedem Transistor Freilaufdioden geschaltet. Beim Umschalten entstehen in den Wicklungsinduktivitäten, durch Selbstinduktion, treibende Spannungen. Diese erzwingen, dass die Motorströme in ihren bisherigen Richtungen weiterfließen und zwar nur über die Freilaufdioden. Ohne die Dioden würden die Schaltelemente aufgrund der hohen Induktionsspannungen an den Wicklungsinduktivitäten zerstört werden. Die für den Motor notwendige Blindleistung wird ebenso über die Freilaufdioden gedeckt.



Verlauf des Stromes, der in den Motorinduktivitäten entsteht:

Soll-Strom

Obere Toleranz

Untere Toleranz

+Uz

-Uz

3.1.4 Der IGBT Der Wechselrichter ist mit IGBTs (Isolated Gate Bipolar Transistoren) aufgebaut. Diese Transistoren

vereinheitlichen zwei Transistor-Technologien. Der IGBT ist eine Kombination aus bipolarer Transistortechnik und Feldeffekt-Transistortechnik. Hierbei wurde versucht die Vorteile beider Systeme zu nutzen und die Nachteile auszuschließen. Angesteuert wird der Transistor über ein hochohmiges Gate (MOS-Technologie) wie ein Feldeffekttransistor. Somit kann der Transistor sehr leistungsarm gesteuert werden. Der Strompfad (Collektor-Emitter-Pfad) ist in Bipolar-Technik ausgeführt. Dadurch wird die CE-Strecke bei voll durchgesteuertem Zustand sehr niederohmig. Damit verursachen weniger Durchlaßverluste geringere Verlustleistung im Transistor. Der IGBT ist ein Silizium-Metall-Oxid (MOS) Bauelement und sehr empfindlich gegenüber statischen Aufladungen bzw. Entladungen (ESD).



3.2 Funktionsbeschreibung Frequenzumrichter-Prinzip

123PE

456

B6

Steuerelektronik

Gleichrichter Zwischenkreis Wechselrichter Asynchron-motor

A B C

GRD008.DRW

Steuern / Regeln / ÜberwachenSollwerteEin-/Ausgänge

Kommunikation

Die Eingangsspannung (A) wird vom Gleichrichter gleichgerichtet und mit einem Kondensator spannungsmäßig stabil gehalten (⇒ Gleichspannungszwischenkreis). Die Zwischenkreisspannung wird vom Wechselrichter in eine getaktete periodische Form gewandelt. Das Verfahren beruht auf der sinusbewerteten Pulsweitenmodulation (Sinus PWM). Die Gestaltung dieser getakteten Ausgangsspannung ist abhängig von der gewünschten Ausgangsfrequenz. Über die Fourier-Analyse könnte gezeigt werden, daß die getaktete Ausgangsspannung des Umrichters die gleiche Wirkung am Asynchronmotor zeigt, wie eine sinusförmige Spannung gleicher Amplitude und Frequenz. Dies alles wird von einer Steuerelektronik geregelt. Moderne Frequenzumrichter, wie die der SEW, werden voll digital gesteuert. Erzeugung des Motordrehfeldes, Kommunikation, Verarbeitung der Sollwerte, sinusbewertete PWM, usw. werden digital erzeugt und verarbeitet.



3.3 Einsatz und Funktion des Bremschoppers

LEIST_2.DRW/OE

L1

L2

L3

1

2

3

5 6

T1 T2 T3

T4 T5 T6

C

Eingang Drehstromnetzungesteuerter GleichrichterB6 Schaltung

Wechselrichter mitIGBT Transistoren

Drehstromasynchronmotor

8 9Widerstand

T7

4

mitBremschopper

4 Q - Betrieb

Ein Bremschopper in Verbindung mit Bremswiderstand ermöglicht beim Antriebssytem mit einem Umrichter den 4 Quadrantenbetrieb, d.h. der Motor kann in beiden Drehrichtungen treiben und bremsen. Die kinetische Energie die der Antriebsstrang nach seiner Beschleunigung besitzt wird beim Verzögerungsvorgang in die Zwischenkreiskapazität gespeichert und dann in Wärmeenergie umgewandelt.

3.4 Der 4-Quadrantenbetrieb

I. QuadrantII. Quadrant

III. Quadrant IV. Quadrant

motorisch

rechtslauf(treiben)

generatorisch

linkslauf(bremsen)

motorisch

linkslauf(treiben)

generatorisch

rechtslauf(bremsen)

M

n

M

Energieflußnmot

M

Energieflußnmot

M

Energieflußnmot

M

Energieflußnmot

Diese Betrachtungsweise bezieht sich auf den Antriebsmotor, nicht auf die Last, die der Motor anzutreiben bzw. zu bremsen hat.



Wird ein Antriebssystem mit einer momentanen Geschwindigkeit v abgebremst, so muß die kinetische Energie, die im System steckt, zurückgeführt und umgewandelt werden. Im Verzögerungsfall wird diese Bremsleistung über die Endstufe des Umrichters in den Zwischenkreis in Form von generatorischem Strom fließen. Die Zwischenkreisspannung steigt dabei an. Ab einer bestimmten Höhe der UZ (BRC EIN) wird der Bremswiderstand zugeschaltet. Zwischenkreisenergie wird dann über den Widerstand abgebaut und die Spannung sinkt, bis zu einer Abschaltschwelle. Die kinetische Energie wird so, bis auf einen kleinen Teil, in Wärme umgewandelt.



3.5 Netzrückspeisung Unter Netzrückspeisung versteht man die Energierücklieferung beim Mehrquadrantenantrieb in das

speisende Netz. Anstelle die Energie, die der generatorische Antrieb in den Umrichter zurückspeist, als Wärme umzuwandeln, wird die Energie mit einem Wechselrichter phasensynchron ins Netz zurückgegeben. Dies funktioniert also nur, wenn die Richtung des Energieflusses umgekehrt wir. Hierbei muß der Bremswiderstand durch ein Netzrückspeisemodul ersetzt werden. Der Zwischenkreis eines oder mehrerer Geräte wird mit dem Netzrückspeisemodul gekoppelt. Steigt die Zwischenkreisspannung auf einen bestimmten Wert, so wird die Gleichspannung im Zwischenkreis durch einen Wechselrichter amplituden- und phasensynchron in das Netz zurückgegeben.

ML1

L2L3

Uz

Wechselrichter

Wechselrichter

Gleichrichter

AS/Bn/NetzRSp.DRW/11.02.98

Rückspeiseeinheit Umrichtereinheit

Netzrückspeisegerät und Frequenzumrichter sind bei der Antriebsumrichterfamilie MOVIDRIVE® getrennt. Das Netzrückspeisegerät versorgt den Gleichspannungs-Zwischenkreis mit Energie für den motorischen Betrieb. Es können bei bis zu sechs Umrichter (MOVIDRIVE® ) ohne Dämpfungsmodul an ein Netzrückspeisemodul angeschlossen werden. Der Umrichter selbst ist nicht an das Netz angeschlossen. Der Zwischenkreis des Umrichters wird direkt mit der Spannung Uz des Netzrückspeisemoduls versorgt. Dies erfolgt über einen Gleichrichter über das speisende Netz. Die Rückspeisung bei generatorischem Betrieb des Motors erfolgt über einen, zum Gleichrichter antiparallel geschalteten Wechselrichter. Dieser arbeitet phasensynchron zum Netz. Hierbei wird zum Zeitpunkt t = 0 im Drehstromnetz die Phase detektiert, die den höchsten Spannungswert hat. Phasensynchron wird nun Energie in das Netz zurückgegeben. Es wird jeweils auf die nächste Phase kommutiert, wenn diese die erste in der Höhe der Spannung übersteigt.



Vergleich zwischen Netzrückspeisung und Bremschopperbetrieb Ja nach Anwendungsfall muss anhand der Eigenschaften entschieden werden, welches Verfahren am besten geeignet ist. Netzrückspeisung Bremschopper +

Bremswiderstand

Unterbringung separates Netzrückspeisemodul Bremschopper im AU integriert, Bremswiderstand ist extern anzubringen.

Auswirkung auf Umgebungstemperatur

max. zulässige Betriebstemperatur Wärmeentwicklung durch BW

Verdrahtung Mittel gering Kosten Mittel gering Energiebilanz elektrische Energie bleibt nahezu

erhalten elektrische Energie wird in Wärmer umgesetzt

Aufwand für EMV Netzfilter geschirmte Leitungen zu BW notwendig

Kommutierung zum Netz

Netzdrossel notwendig unrelevant

Nutzen bei: - großen Leistungen - bei nichtzulässigem Betrieb von BW

pro Umrichter ein Bremswiderstand

4. Grundlagen zum Asynchronmotor am Antriebsumrichter 21


4. Grundlagen zum Asynchronmotor am Antriebsumrichter Ziel:

Der Teilnehmer kennt das Verhalten eines Asynchronmotors am Antriebsumrichter. Hiermit wird eine theoretische Grundlage geschaffen, um spätere Fehler in der Projektierung oder bei der Inbetriebnahme zu vermeiden.

U/f-Verfahren

Das bekannteste Verfahren um einen Asynchronmotor in seiner Drehzahl stufenlos mit einem Frequenzumrichter zu verstellen, ist das sogenannte U/f-Verfahren oder auch Spannungs-Frequenz-Verfahren. Hierbei wird über eine sehr einfache Kennlinie (U/f-Kennlinie), die aus der Physik des Motors hervorgeht, zur entsprechenden Frequenz des Drehspannungsystems eine Motorphasenspannung ausgewählt, so dass der Motor weder unter- noch übermagnetisiert ist. Bei feldorientierten Systemen existiert prinzipiell ebenfalls eine ähnliche Kennlinie, die aus der Physik des Motors abgeleitet ist und in einem Motormodell hinterlegt wird. Daher ist bei feldorientierten Systemen einige Forschungs- und Entwicklungsarbeit notwendig um die oben genannte „einfache“ U/f-Kennlinie für dieses Motormodell zu modifizieren, anzupassen und exakt auf den Motor abzustimmen. Daher soll zunächst das Prinzip der U/f-Kennlinie erläutert werden, um anschließend bei der Erklärung der feldorientierten Systemen den Zusammenhang zwischen den einzelnen Komponenten besser verstehen zu können.

4.1 Hinführung zur U/f-Kennlinie Wie wir gesehen haben gibt der Drehstromasynchronmotor ein konstantes Moment ab, wenn er einen

konstanten magnetischen Fluß und einen konstanten Strom erhält. Dies wird erreicht durch 1. ein konstantes U/f Verhältnis (konstanter Fluß) 2. eine möglichst konstante Last (was in der Regel nicht vorkommt) Den konstanten Fluß erhält man, wenn das Verhältnis Spannung / Frequenz konstant bleibt (U/f = konst). Beispiel: Motor Nenndaten 230/400 V 50 Hz Sternschaltung, Spannung 400 V, f = 50 Hz → U/f = 8 Werden also 5 Hz gefahren, muß eine Spannung von 40 V eingestellt werden (ideal, Verluste sind hier noch nicht berücksichtigt).



4.1.1 Übersicht über die verschiedenen U/f Kennlinien Grundstell-bereich

Die einfachste Kennlinie: Die maximale Spannung (in der Regel = Motornennspannung) wird bei der Nennfrequenz erreicht / eingestellt. Damit der Umrichter diese Werte "kennt" sind zwei Parameter notwendig: Motorspannung und Nennfrequenz (Man spricht anstelle der Nennfrequenz auch von der Eckfrequenz) Die maximale Frequenz (Drehzahl) entspricht hier fN.

Konstantes Moment von "0" bis fN. Dieser Bereich wird Grundstellbereich genannt.

Feld-schwäch-bereich

Es gibt Fälle bei der die Motorfrequenz von den 50 Hz in Europa abweicht. In Amerika z.B. gibt es 60 Hz Netze und damit auch Motoren. Deshalb muss es möglich sein die Eckfrequenz zu verstellen, um die Motoren mit ihren Nenndaten betreiben zu können. Wird aber ein 50 Hz Motor mit einer 60 Hz Kennlinie betrieben, wird das verfügbare Moment linear über den gesamten Frequenzbereich von 0 ... hier 60 Hz reduziert.

Konstantes aber reduziertes ( 0,836050 = ) Moment

von "0" bis fN (UN50=UN60) Dieser erweiterte Bereich wird Feldschwächbereich genannt.

U/f- Kennlinie

Natürlich soll auch die maximale Drehzahl des Motors über die Nenndrehzahl hinaus eingestellt werden können. Dies wird erreicht in dem wir einen neuen Parameter einführen: nmax. Damit haben wir die heute gebräuchliste U/f-Kennlinie. Von 0 ... fN (feck) konstantes Verhältnis von U und f (Grundstellbereich), über fN konstante Spannung und steigende / variable Frequenz für höhere Drehzahlen.

Konstantes Moment von "0" bis fN darüber hinaus mit 1

f reduziert (Spannungskennlinie).

Die verschiedenen U/f-Kennlinien hängen vom Einsatzfall und der Anwendung ab. Sie können individuell am Umrichter eingestellt werden.



4.1.2 Einfluß der Frequenz auf Nennmoment und Kippmoment

Deutlich sichtbar ist der Verlauf des Kippmomentes, das quadratisch mit zunehmender Frequenz

kleiner wird. Deshalb darf die Maximalfrequenz beim Betrieb eines Standardmotors mit 50 bzw. 60 Hz nicht beliebig hochgefahren werden. Der Motor könnte (ohne Kippschutz) sonst einfach kippen. Reelle absolut maximale Frequenzen sind je nach Antrieb und Belastung etwa 2 x fNmotor. Bei SEW-Frequenzumrichtern wird im Feldschwächbereich die interne Stromgrenze automatisch herabgesetzt, so dass ein Schutz gegen das Kippen des Motors gewährleistet ist. Diese beschriebenen Kennlinien-Charakteristiken liegen in der Physik des Asynchronmotors begründet. Dies bedeutet, dass auch bei feldorientierten Systemen diese Grundlagen von Grundstellbereich und Feldschwächbereich beachtet werden müssen. Es folgen Beispiele zur Nutzung unterschiedlicher Frequenzen, bzw. Drehzahlen beim Umrichterbetrieb.



4.2 Die 50 Hz-Kennlinie mit fmax = 70 Hz Beim Antriebsumrichter MOVIDRIVE® werden diese Einstellungen bereits mit der

Inbetriebnahmefunktion vorgenommen. Zum einfacheren Verständnis in Verbindung mit der U/f-Kennlinienbeschreibung werden in dieser Anwendungsbeschreibung Frequenzen verwendet. Die Drehzahlen werden in Klammer für einen 4poligen Motor angegeben. Beim Hubwerk sind einige Besonderheiten bei der Auswahl von Getriebemotor und Antriebsumrichter zu beachten. Die diversen SEW-Dokumentationen geben hierüber Auskunft. Das nachfolgende Beispiel zeigt welche Auswirkungen und Vorteile die 50 Hz-Kennlinie (1500min-1) mit fmax = 70 Hz (2100min-1) beim Hubwerksbetrieb hat. Beim Antriebsumrichter MOVIDRIVE® wird grundsätzlich nur während der Inbetriebnahme die Nennfrequenz des Motors eingegeben. Alle weiteren Angaben erfolgen durch Eingabe von Drehzahlen. Das Beispiel zeigt zwei reelle Getriebemotorenkombinationen die möglich sind. Die Forderung lautet natürlich, dass die Abtriebsgeschwindigkeit die gleiche bleibt. Die Getriebeuntersetzung wird im Verhältnis 70/50 (2100/1500) geändert: 25,49 x 70/50 = 35,7 ⇒ i = 35,95. Die Leistung bleibt unverändert.

50 Hz- Kennlinie 70 Hz-Kennlinie

Getriebemotor lt. Katalog

R82DT100L4

i=25,49na=55

GRD005.DRW GRD005.DRW

i=35,95na=39

Katalogdaten (bei 50 Hz) P= 3kW

na = 55 min-1

Ma = 520 Nm

i = 25,49

na = 39 min-1

Ma = 735 Nm

i = 35,95

Moment bei "0" ... 50 Hz 520 Nm 735 Nm

Moment bei 70 Hz (371 Nm) 520 Nm

nmax: 55 min-1 bei 50 Hz 55 min-1 bei 70 Hz



Vorteil der 50 Hz Kennlinie mit fmax = 70 Hz: M, U

M

U

M Kipp ~1/f²

AS/GRD006.DRWf [Hz]0

50 70f N

MN

2,50 x MN

0,72 x MN

U N

AS/GRD009.DRW

n [1/min]0 5539

M100

140M

M

Unterhalb von 50 Hz ist konstanter Fluß und dadurch 100 % Nennmoment (konstant) beim Motor, und aufgrund der anderen Getriebeuntersetzung 1,4-fach höheres Abtriebsmoment gegenüber der 50 Hz-Kennlinie mit fmax = 50 Hz verfügbar. Gerade beim Anfahren ist das ein grosser Vorteil. Die 50 Hz-Kennlinie mit fmax = 70 Hz bietet sich deshalb an, da hier ein Optimum an Reserven vorhanden ist, und meistens die Getriebe entsprechend ausgewählt werden können. Bei Fahrwerken kann diese Kennlinie ebenfalls genommen werden. Hier hat sich jedoch oftmals die 87 Hz / ∆-Kennlinie bewährt.



4.3 Die 87 Hz Kennlinie mit D-Schaltung Eine Möglichkeit der erhöhten Motorausnutzung ist die Dreieckschaltung mit feck = 87 Hz. Hierbei ist

folgendes zu beachten. Nur bei nachfolgender Konstellation (oder entsprechend vergleichbaren) ist dies zu realisieren: Netzspannung Motorspannung

∆ / Umrichterausgangs-spannung

230 V 127 V / 230 V 3 * 230 V 400 V 230 V / 400 V 3 * 400 V 500 V 290 V / 500 V 3 * 500 V

Anhand eines Beispieles soll die Wirkungsweise erklärt werden. Der Umrichter hat eine Nenneingangsspannung von 400 V. Hierbei ist es nicht von Bedeutung ob es sich um ein einphasiges oder dreiphasiges Netz handelt. Der Motor ist gewickelt für eine Spannung von 230 V / 400 V ∆/ , 50 Hz. Aufgrund dieser Daten wird am Umrichter folgende Einstellung vorgenommen: Motorspannung = 230 V, Motornennfrequenz = 50 Hz; der Motor wird in Dreieck geschaltet.

(Bei maximaler Ausgangsspannung wird eine Frequenz von 50 Hz x 3 = 87 Hz ausgegeben. Durch Umschalten des Motors von Stern- auf Dreieckschaltung und Änderung der Motorspannung von

400 V nach 230 V bei der Inbetriebnahme, wird der Motor bei der Frequenz von 87 Hz die 3 - fache Leistung entwickeln. Wegen erhöhten Verlusten (Eisen-, Lüfter-, mechanische Verluste) und der daraus resultierenden höheren thermischen Belastung empfiehlt SEW jedoch nur die Ausnutzung mit der Leistung des nächst größeren listenmäßigen Motors. Beispiel: Motor DT 100 L4 mit Listenleistung PN = 3 kW Spannung = 230 V / 400 V ∆/ , Strom = 11,4 A / 6,6 A ∆/ , bei 50 Hz

erhöhte Leistung bei ∆-Schaltung und feck = 87 Hz: 3 kW 3 = 5,2 kW (kurzzeitig) nutzbare Dauerleistung im S1-Betrieb und Stellbereich 1:10, 4 kW bei Wärmeklasse F (150°C). 4 kW deshalb, weil der nächstgrößere Motor 4 kW hat. Damit hat der Motor immer noch eine 4/3 = 1,33-fache Leistung gegenüber der Nennleistung.

Auswahl des Umrichters für Dreieck-Betrieb

Bedingt durch den größeren Strom beim Umschalten von Stern- auf Dreieckschaltung muß auch der Umrichter in der Leistung erhöht werden.

Der Umrichter muss diejenige Leistung abgeben können, mit der der Motor belastet wird. Beispiel: Der vorherige Motor wird mit einem MOVIDRIVE betrieben in:

-Schaltung, S1-Betrieb mit MDF/MDV 60A 0030 (3 kW, Ausgangsstrom 7 A) ∆ -Schaltung, S1-Betrieb mit MDF/MDV 60A 0040 (4 kW, Ausgangsstrom 9,5 A) ∆ -Schaltung, S3-Betrieb mit MDF/MDV 60A 0055 (5,5 kW, Ausgangsstrom 12,5 A)



Der S3-Betrieb (oder andere zulässige Betriebsarten) muss jedoch sorgfältig projektiert werden, um die Maschine thermisch nicht zu überlasten, insbesondere bei kleinen Drehzahlen (Stellbereich beachten). Sternschaltung und fNenn = 50 Hz, Motorspannung = 400 V

AS/TP87.DRW_1

U

I

UNetzStrU


Umrichter mit Motor in Sternschaltung

UNetz

AS/TP87.DRW_3

M, U, P

f

M

U,P

0,57 x MN

fN 2 x fN0

PN

3 x fN

MN

Betriebskennlinien bei Typenpunkt 50 Hz

Bei den oben stehenden Abbildungen sind die Zusammenhänge zwischen Frequenz, Drehmoment, Spannung und Leistung sichtbar. Im Bereich von "0 Hz" bis fN ist das Drehmoment konstant, oberhalb fN ist die Leistung konstant und das Drehmoment nimmt reziprok mit steigender Frequenz ab.

Dreieckschaltung und Motorspannung = 230V (feck = 87 Hz)

Bei Dreieckschaltung gelten zunächst die Forderungen: das U/f-Verhältnis muss gleich bleiben

die Nennleistung muss verfügbar sein

Am einfachsten ist es, wir betrachten das System wieder bei 50 Hz. Wenn das U/f-Verhältnis gleichbleiben soll, muß bei der ∆-Schaltung bei gleicher Frequenz auch gleiche Strangspannung (230V)anliegen wie bei -Schaltung. Da bei ∆-Schaltung U = Ustr, ist das auch gleichzeitig die Spannung, die der Umrichter ausgeben muß. Deshalb wird der Typenpunkt von 50 Hz auf 87 Hz intern und automatisch geändert. Damit wird erreicht, daß bei 50 Hz 230 V bzw. bei 87 Hz 400 V ausgegeben werden. Diese Festlegung wird beim Umrichter MOVIDRIVE® über die Inbetriebnahme vorbereitet. Hierbei wird die Spannung angegeben, die der Umrichter bei 50 Hz ausgeben soll (also 230 V). Der Umrichter errechnet sich die 87 Hz-Kennlinie selbständig.

StrU

I

U

AS/TP87.DRW_2

UNetzStrI


Umrichter mit Motor in Dreieckschaltung

AS/TP87_4.DRW

f

MN

0

PN

3 x PN,

M, U, P

UNetz

fN 2 x fN3 x fN

U

Gewinn

M

P

Betriebskennlinien bei Typenpunkt 87 Hz



Durch das gleiche U/f-Verhältnis und der Schaltungsart wird sichergestellt, dass der Motor bei 50 Hz

weiterhin seine Nennleistung abgeben kann. Dies ist aber nur erreichbar durch einen 3 -fach höheren Strom. Beweis: Bei Dreieckschaltung des Motors und feck = 87 Hz herrschen folgende Verhältnisse (Betrachtung bei Ausgangsfrequenz 50 Hz): Die angelegte Spannung am Motor beträgt U = 230 V, = Strangspannung. Da die Strangspannung bei 50 Hz bei Sternschaltung und Dreieckschaltung die gleiche ist, fließt bei Nennlast auch der gleiche Strom (IStr = 6,6 A) durch diese Wicklung.

Es gilt U = UStr = 230 V, I = 3 IStr

Die Leistung errechnet sich aus: P50 = 3 U I cos ϕ η,

P50 = 3 230 V 3 6,6 A cos ϕ η = 3 kW bzw

bei 87 Hz: P87 = 3 400 V 3 6,6 A cos ϕ η = 5,2 kW Hieraus ergibt sich ein erhöhter Bedarf an Strom, den der Umrichter liefern muss - auch bei 50 Hz. Wird die Ausgangsfrequenz erhöht, so erhöht sich jetzt auch die Leistung bis auf den

3 -fachen Wert bei 87 Hz. Grund ist das gleichbleibende Drehmoment, da ja das U/f-Verhältnis in der Maschine gleichbleibt. Erst darüber hinaus geht die Maschine in den Feldschwächbereich und das Drehmoment wird kleiner. Zwar erhöht sich die Strangspannung auf 400 V bei 87 Hz, bauartbedingt besitzen SEW-Motoren aber eine erhöhte Spannungsfestigkeit, so dass hierbei keine Nachteile entstehen.

Vorteile

Die Vorteile der erhöhten Motorausnutzung lassen sich dreifach aufzeigen. 1. Ein vorhandener Antrieb kann mit höherem Stellbereich und größerer Geschwindigkeit betrieben

werden. Da das Getriebe die höhere Leistung übertragen muß, ist dies neu zu überprüfen. 2. In Verbindung mit einer Erhöhung der Getriebeübersetzung i wird ein höheres Drehmoment und

eine Erhöhung des Stellbereiches erzielt als bei feck = 50 Hz. 3. Anstatt eines 4 kW Motores mit Sternschaltung und feck = 50 Hz wird ein Getriebemotor mit 3 kW

Listenleistung und geändertem i in Dreieckschaltung mit feck = 87 Hz verwendet. Vorteil: kleinerer Motor.

Nachteil

Nachteil ist der erforderliche Wechsel des Umrichters, da dieser die geforderte Leistung aufbringen muss. Bei unserem Beispiel mit dem DT 100 L4 reicht ein 4 kW Umrichter, wenn gemäß SEW Projektierungsrichtlinien die Anlage mit einer Leistung von 4 kW und dem dazugehörigen Drehmoment betrieben wird. Allerdings ist zu beachten, dass bei anderen zulässigen Betriebsarten, z.B. S3-Betrieb, die volle Leistung/Strom abverlangt werden kann, wodurch der Umrichter an die Stromgrenze getrieben wird, und eventuell mit Fehler Dauerüberlast oder n-Überwachung abgeschaltet wird. Abhilfe bringt hier der Einsatz eines 5,5 kW Umrichters.



Anmerkung

Es könnte der Eindruck enstehen, dass die beschriebene erhöhte Motorausnutzung das non-plus-ultra ist. Tatsache ist, dass die Mehrzahl der Antriebe "normal" betrieben werden. Gründe sind unter anderem im Bereich der drehzahlabhängigen Verluste im Getriebe und Geräusche in Getriebe und Motor zu finden. Weitere Einschränkungen sind bei Hubwerksbetrieb zu finden. Notbetrieb d.h. Motor am Netz, ist nur mit verminderter, der Nennleistung, und Änderung der Schaltungsart, von ∆ in , möglich. Eine weitere Grenze sind die Motoren selbst. Ab bestimmten Spannungs-/Leistungs-Verhältnissen ist aufgrund des Drahtdurchmessers und der Wicklungsanzahl der Bau der Motoren nicht mehr möglich.

Mehr Details zur Projektierung kann in der Praxis der Antriebstechnik Band 5, Projektierung von Frequenzumrichter gespeisten Drehstromantrieben entnommen werden.

4.4 Eigenschaften des Drehstromasynchronmotors bei Umrichterbetrieb Durch den Betrieb am Antriebsumrichter MOVIDRIVE® erhält der Drehstromasynchronmotor

grundsätzlich und gegenüber dem Betrieb mit MOVITRAC® verbesserte und zum Teil erweiterte Eigenschaften. Folgende Ausführungen beziehen sich auf eine leistungsmäßig angepaßte Motor-Frequenzumrichter-Kombination und einen optimal in Betrieb genommenen und arbeitenden Antriebsumrichter: Strombegrenzung typisch bis 1,5 x IN einstellbar.

Drehmoment einstellbar über Strombegrenzung des Umrichters.

exakte Drehmomentenregelung bei Verwendung des stromgeführten Verfahrens (CFC).

Einfache Inbetriebnahmefunktionen für alle Steuerverfahren stellen optimale Bedingungen für das Antriebssystem zur Verfügung.

Steuerverfahren umschaltbar

kontinuierliche Berechnung eines Motomodells bei VFC- und CFC-Betriebsart

keine lastabhängige Abweichung der Drehzahl von nN, im angegebenen Stellbereich, durch hohe Qualität der Schlupfkompensation bei VFC.

Kippgefahr des Motors wird durch Überwachungsfunktionen im Umrichter vermieden.

Schalthäufigkeits-Betrachtungen sind bei Umrichterbetrieb nicht mehr relevant, da der Motor stets im stabilen Kennlinienbereich mit max. 1,5 x IN betrieben wird.

Stellbereich der Drehzahl je nach Maximaldrehzahl und Motornennleistung typisch bis ca. 1...100 bei VFC ohne und 1...250 bei VFC mit Drehzahlregelung. Beim CFC-Steuerverfahren ist ein Stellbereich von 1:3000 möglich. (Lüftungsbedingungen bei kleineren Drehzahlen schränken den Dauerbetrieb ein Eigenlüftung/Fremdlüftung)

möglicher Nachteil: Motor kann erhöhte Geräusche entwickeln, wenn die Maximalfrequenz über 50 Hz liegt (verursacht durch das Lüfterrad) und wenn die PWM-Frequenz im Hörbereich liegt

Positionierbetrieb wird möglich

Winkel - Synchronlauf mehrerer Antriebe wird ermöglicht

Umfangreiche Steuerungsmöglichkeiten stehen zur Verfügung



4.5 Die Drehzahlregelung Die Eigenschaften des Drehstromasynchronmotors am Antriebsumrichter lassen sich durch

Drehzahlregelung erheblich verbessern. Voraussetzungen für die Drehzahlregelung sind bei MOVIDRIVE®-Geräten: die Steuerkarte mit Drehzahlerfassung (MDV)

ein am Motor angebauter Drehimpulsgeber bzw. Encoder (Strichzahl 512, 1024, 2048, / TTL-, HTL-Technik, bzw. Sinus-Cosinus-Geber)

Betriebsart mit Drehzahlregelung einstellen

Beim Servosystem, Verwendung der MDS-Steuerkarte mit Anschluß des am Motor standardmäßig vorhandenen Resolvers.

Inbetriebnahme und Optimierung des Drehzahlreglers

Folgende Eigenschaften lassen sich durch die Drehzahlregelung verbessern: Der Stellbereich der Drehzahl, hier Regelbereich,

ist von 1:200 auf mindestens 1:800, (Geber-Strichzahl 1024) vergrößert. (Bezug auf n = 3000 1/min). Bei CFC-Steuerverfahren bis zu 1:5000 möglich (nur mit Sin/Cos-Geber).

Die lastabhängige Abweichung der Drehzahl (statische Regelgenauigkeit) wird von 1...3 % auf < 0,05 % bezogen auf nN und Lastsprung ∆M = 80 % verbessert.

Die Ausregelzeit bei Laständerung (Regeldynamik) wird bei einem Lastsprung ∆M = 80 % von ca. 0,5 - 2 s auf ca. 0,1 - 0,3 s verkleinert. (Diese Zeitangaben sind abhängig von der Antriebseinheit)

Das Drehmoment und dessen Konstanz, läßt sich unterhalb feck erheblich erhöhen, da hier dem Motor durch die Berechnung des Motormodells eine optimal angepaßte Eingangsspannung und damit mehr Strom zur Verfügung gestellt werden kann.

Neben der Erweiterung des Regelbereiches, welcher der Eigenschaft eines geregelten Gleichstrommotors nahekommt, ist die Erhöhung der erzielbaren Drehmomente ein sehr interessanter Aspekt. Bei entsprechender Frequenzumrichter - Zuordnung kann der Motor sogar höhere Kurzzeit-Drehmomente erzeugen als bei Netzbetrieb (bis zu 3 x Mnenn ist möglich). Um unterschiedliche Betriebseigenschaften zu erreichen bzw. um mit einem Gerät (Umrichter) eine Vielzahl von Applikationen realisieren zu können sind unterschiedliche Betriebsarten und Reglereinstellungen notwendig. Die in Kapitel 5 beschriebene Physik der Asynchronmaschine wurde bei den U/f-gesteuerten Systemen ausgenutzt. Die Umrichterfamilie MOVIDRIVE® besitzt unterschiedliche feldorientierte Regelverfahren. Die Basis ist wiederum die Physik der ASM, wie sie beschrieben wurde. Durch den Einsatz von feldorientierten Regelverfahren soll das Betriebsverhalten des Motors wesentlich verbessert werden. Die somit erreichbare Performance, durch Verwendung von Standardasynchronmotoren, setzt neue Maßstäbe in der Automatisierungstechnik.

5. Steuer- und Regelverfahren 31


5. Steuer- und Regelverfahren Ziel:

Der Teilnehmer lernt die unterschiedlichen Steuer- und Regelverfahren kennen.

Man kann die Systeme in nicht-feldorientierte und feldorientierte Systeme mit oder ohne

Drehzahlregelung unterscheiden. In diesem Kapitel soll ein grundsätzlicher Überblick der Systeme geboten werden.

5.1 Nicht-Feldorientierte Systeme U/f-Verfahren

Als nicht-feldorientiertes Verfahren ist das U/f-Verfahren das gängige Verfahren zur Motorsteuerung. Siehe Kapitel 5.1 ff. Dieses System kann als rein gesteuertes oder auch als drehzahlgeregeltes System betrieben werden. Bei drehzahlgeregelten U/f-Antrieben wird die Drehzahlkonstanz sowie auch Drehmoment-Anregelzeiten deutlich verbessert. Jedoch wird bei dieser Art spannungsgeführter Antriebe kein Motormodell zur Bestimmung von Wirkstrom, Phasenspannungen, Magnetisierung, usw. berechnet. Gegebenenfalls muß hier z.B. mit einer stärkeren Erwärmung des Motors im unteren Drehzahlbereich gerechnet werden. Betriebsarten, wie Momentenregelung, lassen sich nur mit zusätzlichem Aufwand und dann sehr ungenau realisieren. Diese Art der Umrichter-Motor-Systeme sind aber für eine Vielzahl der Anwendungen ausreichend.



5.2 Feldorientierte Umrichtersysteme

Feldorientierung bedeutet, daß zwei existierende Magnetfelder gegeneinander orientiert werden.

Eine Feldorientierung ist für Asynchronmotoren und Servomotoren gleichbedeutend. Hierbei spielt

jedoch die Physik der unterschiedlichen Motorarten eine wichtige Rolle. Die Feldorientierung für Servoregler ist ein schon im Einsatz befindliches Verfahren. Hier wird das resultierende Feld des Stators gegenüber dem permanenterregten des Rotors ausgerichtet. Die Orientierungsdaten werden durch einen Sensor (Resolver) dem System zugeführt. Bei der Feldorientierung für Asynchronmotoren muß eine größere Anzahl physikalischer Randparameter beachtet werden, um eine konstante Magnetisierung des Rotors, ähnlich dem Servomotor, zu erhalten. Feldorientierte Systeme haben sehr gute Anregelzeiten für Drehmomente und entwickeln eine sehr hohe Dynamik und Drehzahlkonstanz. Bei stromgeführten feldorientierten Systemen kann eine exakte Berechnung und Einprägung des drehmomentbildenden Stromes erfolgen. Synchronservomotoren erreichen eine sehr hohe Dynamik durch ein geringes internes Massenträgheitsmoment des Rotors.

Bei feldorientierten Systemen für Asynchronmotoren kann in Systeme mit und ohne

Drehzahlrückführung und in stromgeführte und spannungsgeführte Feldorientierung unterteilt werden. Bei diesen Systemen für Asynchronmotoren besteht die Schwierigkeit eine konstante Magnetisierung des Rotors zu erhalten, um auf dieser Magnetisierung aufbauend ein nahezu gleiches Verhalten wie beieinem Synchronservosystem zu erreichen. Wie in Kapitel 3.1 beschrieben ist der Rotor des Asynchronmotors nicht magnetisch. Somit muß hier ein Rechenmodell eingesetzt werden. Das ermöglicht auf der Basis einiger Parameter aus dem System, nach einer kurzen Einschwingphase nach dem Einschalten des Systems, eine exakte Berechnung der Rotormagnetisierung. Ist das resultierende Magnetfeld des Rotors bekannt, so kann dieses nun mit dem Statorfeld orientiert werden.

5.3 Spannungs-Frequenzgeführte Feldorientierung für Asynchronmotoren VFC Die SEW hat für diese Art der Feldorientierung das Steuerverfahren VFC (Voltage Flux Control)

entwickelt. Dies ist in den Frequenzumrichtern MOVIDRIVE® als Standard-Steuerverfahren implementiert. Das VFC-Verfahren kann als sensorloses Verfahren oder als Verfahren mit einer Drehzahlrückführung genutzt werden und unterstützt Standard-Asynchronmotoren. Beide Varianten ermöglichen eine deutliche Erhöhung von Dynamik, Reduzierung der Motorerwärmung bei niederen Drehzahlen und Leistungsoptimierung durch Berechnung exakter Motormodelle sowie Phasenspannungen.



5.4 Stromgeführte Feldorientierung CFC Für diese Art der Feldorientierung wurde das Steuerverfahren CFC (Current Flux Control) entwickelt.

Dies ist in den Frequenzumrichtern MOVIDRIVE® als Steuerverfahren verfügbar, wenn die Steuerkarte MDV eingesetzt ist. Das Verfahren muß bei der Inbetriebnahme ausgewählt werden. Das CFC-Verfahren benötigt einen Inkrementalgeber (nicht sensorlos) und unterstützt Standard-Asynchronmotoren der SEW-EURODRIVE. Synchronservomotoren werden ebenfalls im CFC-Verfahren betrieben, müssen allerdings mit einem Resolversystem ausgestattet sein. Hierzu werden zwei unterschiedliche Steuerungskarten angeboten. Für Asynchronmotoren und Synchronmotoren existieren Unterschiede in der Auswertung der Drehzahlrückführung. Beide Systeme erlauben eine identische hohe Dynamik. Die stromgeführte Feldorientierung für Asynchronmotoren bietet dem Servosystem gegenüber allerdings einen größeren Leistungsbereich für dynamische Anwendungen. Servosysteme bieten aber nach wie vor eine höhere Dynamik durch die massenträgheitsarme und schlanke Ausführung des Rotors. Im weiteren soll nun ein kurzer Systemüberblick über die Regelverfahren der SEW-Frequenzumrichter gegeben werden. Angefangen bei der U/f-Steuerung bis zur stromgeführten Feldorientierung für ASM.



5.5 U/f ohne Drehzahlrückführung

UNetz~ M~

Stromerfassung

Leistungsteil

IIs t

Iext.fsoll Ûist (Spannungsamplitude)

Ram pengenerator

maxfsoll

nsoll

fsoll fmax

Iint.

t

fsollmax

nsoll

+10V

fsoll

Geräte-steuer-ung

BRC-Ansteuerung

Uz

t

onoff

Motorführun g

BRC

BW

U/f-Grundkennlinie,mit 'Boost' + 'IxR'

Umax

'Boost''IxR'

f

U

IIst

fsoll

Kippschutz :*

fsol l , wenn

{

bis IIst =

≥

Imax

IIst ≥ Imax

?Imax

IIst Imax

}

IIs t

Puls-Weiten-Modulation

PWM-MODULATOR

Drehspannungssy stem

Ux soll

Ûist

t

U

IIs t

Durch die Vorgabe eines Drehzahlsollwertes (hier: Potentiometer) wird über die Zuordnung der Maximalfrequenz die entsprechende Drehfeldsollfrequenz ermittelt. Die dem Drehzahlsollwert zugeordnete Sollfrequenz wird über einen Rampengenerator begrenzt bzw. geführt. Die Kippschutzeinrichtung nimmt Einfluss auf den Rampengenerator. Sie hält diesen an bzw. reduziert die Frequenz bei erreichen der Stromgrenze, um so ein Kippen des ASM zu verhindern. Über die U/f-Kennlinie wird zu jeder neuen Ausgangsfrequenz des Rampengenerators die entsprechende Spannung geliefert. Die Ausgangsfrequenz des Rampengenerators und die Spannungshöhe der U/f-Kennlinie sind Eingangsgrößen zur Generierung des Drehspannungssystems. Aus Sollfrequenz und Spannungshöhe werden über einen Spannungszeiger die puls-weiten-modulierten Spannungsimpulse zur Ansteuerung des Wechselrichters im PWM-Modulator erzeugt. Die Energie für den Antrieb wird aus dem vom Netz gespeisten Gleichspannungszwischenkreis entnommen und über den Wechselrichter an den Motor geschaltet.



5.6 U/f mit Drehzahlrückführung

UNetz~ M~

Stromerfassung

Leistungsteil

Iext.

f´soll Ûist (Spannungsamplitude)

Ram pengeneratort

fsollmax

fsoll

maxfsoll

nsoll

fsoll fm ax

Iint.

nsoll

+10V

Geräte-steuer-ung

{

fschlupf

=> fist

Drehzahlregler

PI-Regler

Regler-Vorsteu-erung

+ Schlupfbe-grenzung

f´soll

fsoll

fist

- +

?

BRC

BRC-Ansteuerung

Uz

t

onof f

fschlupf

U/f-Grundkennlinie,mit 'Boost' + 'IxR'

Umax

'Boost''IxR'

f

U

{

'sxR'

Motorführung

f´soll

Im axIIst ≥ Imax

Strom-begrenzer


PWM-MODULATOR

Drehspannungssystem

Ux soll

Ûist

t

U

BW

IIs t

}

IIs t

Durch die Vorgabe eines Drehzahlsollwertes wird die entsprechende Drehfeldsollfrequenz ermittelt. Die dem Drehzahlsollwert zugeordnete Sollfrequenz wird über einen Rampengenerator begrenzt bzw. geführt. Der Drehzahl-Istwert wird über einen PI-Regler dem Drehzahlsollwert nachgeführt. Die Stellgröße des Drehzahlreglers bildet hierbei die Sollschlupffrequenz des Motors. Addiert zur Istfrequenz resultiert daraus die tatsächliche Sollfrequenz f’soll für die Motorführung und das Drehspannungssystem. Die Strombegrenzung wird bei erreichen der eingestellten Stromgrenze den Schlupfregler begrenzen. Maximal kann als Stellgröße der 1.5-fache Schlupf ausgegeben werden. Somit ist der Antrieb kippsicher geführt. In der Motorführung wird über die U/f-Kennlinie zur Frequenz f’soll die Spannungshöhe ermittelt. Eine dynamische Anpassung kann in Abhängigkeit von fschlupf erfolgen. Aus Sollfrequenz und Spannungshöhe werden über einen Spannungszeiger die puls-weiten-modulierten Spannungsimpulse zur Ansteuerung des Wechselrichters im PWM-Modulator erzeugt. Die Energie für den Antrieb wird aus dem vom Netz gespeisten Gleichspannungszwischenkreis entnommen und über den Wechselrichter an den Motor geschaltet.



Kurzbeschreibung des Drehzahlreglers

M~

=> fist

DREHGEBER Die Drehzahlregelung benötigt über eine Drehzahlrückführung die aktuelle Ist-Drehzahl. Der hierzu notwendige Drehgeber wird meist als Inkrementalgeber ausgeführt. Ein Inkrementalgeber liefert rechteckförmige Gebersignale. Diese sind normalerweise in 2n Strichen verfügbar (Standardwert 1024).

fschlupf

Drehzahlregler

PI-Regler



f´soll

fsoll

fist

- +

Strom-begrenzer

DREHZAHLREGLER Eingangsgrößen des Drehzahlreglers bilden die gewünschten Solldrehzahl und die Istdrehzahl des Motors, die aus einem Inkrementalgebersignal gewonnen wird. Durch Subtraktion der Istdrehzahl von der Solldrehzahl wird die Drehzahldifferenz gebildet. Diese wird einem PI-Regler zugeführt, der daraus eine Sollschlupffrequenz in der Art generiert, daß die Drehzahldifferenz möglichst zu null geregelt wird. Bei großen Sollwertänderungen unterstützt eine Beschleunigungsvorsteuerung den PI-Regler. So kann die Regelgeschwindigkeit erhöht werden.



5.7 VFC ohne Drehzahlrückführung

UNetz~ M~

BRC

Stromerfassung

Leistungsteil

maxnsoll

nsoll/U

nsoll nm ax

Unsoll

+10V

Geräte-steuer-ung

{

-10VRam pengeneratort

max

nsoll

nsoll

Motorführung

Iext.

BRC-Ansteuerung

Uz

t

onoff

Spannungssollwertberechnung

Imax

Spannungs-amplituden-berechnung

Uist

+fis t

UPWMist(u,v ,w)

Ûist (Spannungsamplitude)

nsoll

fschlupf -Berechnung

Kipp-schutz Uist(u,v ,w)

Iis tIis t

fsoll

Imax

Iint.Iext.

fsoll

I ist

Imaxfsoll'

fist

ϕψ

iq

iqψ

iq

Zp

Motor-modell

Fluß-modell

Iist

fs chlupf

Ûist

Ûist

fist


PWM-MODULATOR

Drehspannungssystem

Uxsoll

Ûist

t

U

BW

}

IIs t

Die dem analogen Drehzahlsollwert zugeordnete Solldrehzahl wird über einen Rampengenerator begrenzt bzw. geführt. Die Drehzahl des Antriebes wird systemintern nachgebildet. Hierzu wird von der PWM-Frequenz (= Statorfrequenz) die errechnete Schlupfdrehzahl (Berechnet über Wirkstromerfassung, den Wirkstrom ist proportional zu Drehmoment und auch Schlupf) subtrahiert. Man erhält eine errechnete Rotordrehzahl.



Die Motorführung errechnet nun über ein Flußmodell die exakte Magnetisierung. Das Ergebnis ist ein Vektor des Magnetfeldes im Rotor. Das Motormodell errechnet den neuen Wirkstrom für den momentanen Belastungszustand des Motors. Daraus wird der notwendige Schlupf und die Istfrequenz für die Spannungsamplitudenberechnung abgeleitet. Der Kippschutz korrigiert die Frequenz fsoll so, daß die eingestellte Stromgrenze nicht überschritten werden kann. Zu dieser Frequenz wird die dem Belastungszustand des Motors entsprechende Schlupffrequenz fschlupf addiert. Aufgrund dieser Schlupfkompensation ergibt sich die Motordrehzahl anhand der gewünschten Solldrehzahl. Aus Sollfrequenz und Spannungshöhe wird ein fortlaufender Spannungszeiger generiert, der in der PWM-Einheit in Ansteuersignale für die Endstufe umgesetzt wird.



5.8 VFC mit Drehzahlrückführung

UNetz~ M~

BRC

Stromerfassung

Leistungsteil

maxnsoll

nsoll/U

nsoll nmax

Iint.

Unsoll

+10V

Geräte-steuer-ung

{

Drehzahlregler

nist

-

?

-10V

Geberausw ertungDrehzahl

Ram pengeneratort

max

nsoll

nsollPI-Regler



Motorführung

Iis tIext.

Iis t >

BRC-Ansteuerung

Uz

t

onoff

Spannungssollwertberechnung

Imax

Imax

Spannungs-amplituden-berechnung

nist

fsynchron

fsc hlupf s oll

Ûist fschlupfsoll

+fis t

fist Ûist

nsoll

nschlupf

Zp nist

Ûist (Spannungsamplitude)fist

Zp

BW

nis t

soll

}

IIs t


PWM-MODULATOR


Ux soll

Ûist

t

U

Die dem analogen Drehzahlsollwert zugeordnete Solldrehzahl wird über einen Rampengenerator begrenzt bzw. geführt. Der Drehzahlregler vergleicht Solldrehzahl mit Istdrehzahl, bildet die Regeldifferenz und führt bei Abweichung über die Schlupffrequenz die Solldrehzahl nach. Daraus resultiert die tatsächliche Sollfrequenz. Der Drehzahlregler ist identisch mit dem des U/f-Systems. Die Drehmomentanforderung steckt in der Ausgangsgröße des N-Reglers = Schlupf. Die Motorführung bildet aus der Istdrehzahl und der Schlupffrequenz die Istfrequenz. Ebenso wird wiederum die Magnetisierung des Rotors errechnet. Aus Istfrequenz und Schlupffrequenz wird die Spannungsamplitude für die PWM bestimmt. Aus Sollfrequenz und Spannungshöhe werden über einen Spannungszeiger die puls-weiten-modulierten Spannungsimpulse zur Ansteuerung des Wechselrichters im PWM-Modulator erzeugt. Die Energie für den Antrieb wird aus dem vom Netz gespeisten Gleichspannungszwischenkreis entnommen und über den Wechselrichter an den Motor geschaltet.



5.9 CFC mit Drehzahlrückführung für Asynchronmotoren

UNetz~ M~

BRC

Stromerfassung

Leistungsteil

Uxsoll

maxnsoll

nsoll/U

nsoll nmax

Iint.

Drehspannungssystem

nsoll

+10V

Geräte-steuer-ung

{

Drehzahlregler

nist

-

?

-10V

Geberausw ertungDreh-zahl

Rotor-lage

En-Coder

Ram pengeneratort

nsollmax

nsoll

nsollPI-Regler


+ Strombe-grenzung

Motorführung

Stromregler

IusollIv

soll Iwsoll

-Ixsoll PI-Regler

Iist

γIext.

Is oll

BRC-Ansteuerung

Uz

t

onoff

Msoll

Msoll

Stromsollwertberechnung


nist

Imax

Imax

γ

Iu,v,w soll Phasen-strom-berechnung

id Fluß-modell

MIiq

Motor-modell

nist

Msoll

ϕ

PWM-MODULATOR

>

Uxsoll

BW

}

IIs t

Die aus dem analogen Drehzahlsollwert resultierende Solldrehzahl wird über einen Rampengenerator begrenzt bzw. geführt. Der Drehzahl-Istwert wird über den Drehzahlregler dem Sollwert nachgeführt, damit Drehzahldifferenzen möglichst zu null geregelt werden. Die Motorführung bildet resultierend aus der Ausgangsgröße des Drehzahlreglers (Drehmoment) den momentbildenden iq und den magnetisierenden Strom id als Rechengrundlage für die Phasenstromberechnung. Zusammen mit dem Rotorlagewinkel berechnet sich der Feldwinkel und aus diesen Größen die Sollphasenströme. Diese werden je Phase über einen Stromregler in einen gemeinsamen Spannungsvektor aufbereitet. ( siehe nachfolgende Beschreibung) Aus dem direkten Spannungsvektor der Phasenstromberechnung wird im PWM-Modulator ein Drehspannungssystem erzeugt.



Komponentenbeschreibung

M~

Geberausw ertungDreh-zahl

Rotor-lage

En-Coder

DREHGEBER Das Steuerverfahren CFC benötigt zur Motorführung und Drehzahlregelung die Erfassung der Istdrehzahl über einen Drehgeber. Dieser kann entweder ein Inkrementalgeber (rechteckförmige Gebersignale) oder ein Sinusgeber (sinusförmige Gebersignale) sein. Ein Inkrementalgeber liefert eine maximale Positionsauflösung von 8192 Stufen (bei 2048) Strichen) pro Umdrehung des Motors. Die Signale eines Sinusgebers können so ausgewertet werden, daß sich eine Positionsauflösung von 262144 Stufen pro Umdrehung ergibt. Dadurch kann der Drehzahlregler in seiner Reglereigenschaft steifer als bei Verwendung eines Inkrementalgebers dimensioniert werden.

Drehzahlregler

nist

-nsoll

PI-Regler


+ Strombe-grenzung

IMsoll

DREHZAHLREGLER Eingangsgrößen des Drehzahlreglers bilden die gewünschte Solldrehzahl und die Istdrehzahl des Motors, die aus dem Gebersignal gewonnen wird. Durch Subtraktion der Istdrehzahl von der Solldrehzahl wird die Regeldifferenz gebildet. Diese wird einem PI-Regler zugeführt, der daraus ein Sollmoment in der Art generiert, daß die Drehzahldifferenz möglichst zu null geregelt wird. Bei Sollwertänderungen unterstützt eine Beschleunigungsvorsteuerung den PI-Regler bei dieser Aufgabe. Ausgangsgröße hier ist keine Schlupfdrehzahl wie bei VFC , sondern das Solldrehmoment, das durch die Strombegrenzung limitiert werden kann.

Motorführung

Stromregler

Iusoll Ivsoll Iwsoll

-Ixsoll PI-Regler

Iist

γ

Msoll


nist

γ


id Fluß-modell

MIiq

Motor-modell

nist

Msoll

ϕ

Uxsoll

MOTORFÜHRUNG Die Motorführung hat die Aufgabe, das vom Drehzahlgeber gewünschte Sollmoment möglichst schnell an der Motorwelle bereitzustellen. Die Motorführung gliedert sich in die Stromsollwertberechnung und den Stromregler. Die Stromsollwertberechnung ermittelt aus den Größen Sollmoment Msoll, Istdrehzahl nist und Rotorlagewinkel γ die erforderlichen Phasenströme. Der Stromregler führt die Istströme des Rotors möglichst optimal den gewünschten Sollströmen nach. Neu ist, daß hier bei Verwendung einer ASM ein unterlagerter, sehr schneller digitaler Stromregler den Pahsenstrom einprägt und somit das Drehmoment bildet. Somit können kleinste Abweichungen der Rotorlage (bekannt durch den Rotorlagewinkel) korrigiert werden. Auch Drehmomentregelung ist nun möglich.



Stromsollwertberechnungγ


id Fluß-modell

MIiq

Motor-modell

nist

Msoll

ϕ

STROMSOLLWERTBERECHNUNG Die Motorführung berechnet aus dem Solldrehmoment des Drehzahlreglers den momentbildenden Strom iq. Weiterhin wird der magnetfeldbildende Strom id berechnet. Grundlage dieser Berechnung im Flußmodell ist die Istdrehzahl des Motors. Bei Drehzahlen unter der Eckdrehzahl wird das Magnetfeld konstant, darüber hinaus wird es aufgrund der begrenzten Ausgangsspannung des Umrichters reduziert (Feldschwächung). Im Motormodell wird aus den Strömen iq, id und den Motordaten die zugehörige Schlupffrequenz berechnet. Diese Frequenz und der Rotorlagewinkel γ führen zum Feldwinkel ϕ. Dieser bestimmt letztendlich die Frequenz des Drehspannungssystems. Aus den Modellgrößen iq, id und dem Feldwinkel generiert die Phasenstromberechnung die Sollwerte der drei Phasenströme.

Stromregler

-Ixsoll

PI-Regler

Iist

Uxsoll

STROMREGLER Eingangsgrößen des Stromreglers bilden die gewünschten Soll- und Istströme der Motorphasen. Durch Subtraktion der Istströme von den jeweiligen Sollströmen werden die Stromdifferenzen gebildet. Diese werden einem PI-Regler zugeführt, der daraus Phasenspannungen in der Art generiert, daß die Stromdifferenzen möglichst zu null geregelt werden. Die drei Phasenspannungen werden zusammengefaßt auch als ‘Phasenspannungsvektor’ bezeichnet.

DREHSPANNUNGSSYSTEM Der Spannungsvektor

rUsoll mit Betrag und

Winkellage bildet die drei Komponenten für die drei Phasenspannungen. Der Spannungsvektor wird in einem Puls-Weiten-Modulator verarbeitet. Der Modulator erzeugt nach dem Prinzip der Pulsweiten-Modulation aus den drei Komponenten des Spannungszeigers die Schaltsignale für die Leistungstransistoren.



5.10 CFC mit Resolver für Synchronservomotoren

UNetz~ M~

BRC

Stromerfassung

Leistungsteil

maxnsoll

nsoll/U

nsoll nmax

Iint.

nsoll

+10V

Geräte-steuer-ung

{

Drehzahlregler

nist

-

?

R

-10V

Resolverausw ertungDreh-zahl

Rotor-lage

En-Coder

Ram pengeneratort

nsollmax

nsoll

nsollPI-Regler


+ Strombe-grenzung

Motorführung

Stromregler

Iusoll Ivsoll Iwsoll

-Ixsoll

PI-Regler

Iist

γ

I

Iext.

Isoll≥

BRC-Ansteuerung

Uz

t

onoff

Msoll

Msoll


Phasen-strom-berechnung

Iu,v,w soll M

I

id = 0

iqIm ax

Imax

Uxsoll

Uxsoll

BW



PWM-MODULATOR

IIs t

}

Die aus dem analogen Drehzahlsollwert resultierende Solldrehzahl wird über einen Rampengenerator begrenzt bzw. geführt. Der Drehzahl-Istwert wird über den Drehzahlregler dem Sollwert nachgeführt, damit Drehzahldifferenzen möglichst zu null geregelt werden. Die Motorführung bildet resultierend aus der Ausgangsgröße des Drehzahlreglers den momentbildenden Strom. Zusammen mit dem Rotorlagewinkel werden die Phasenströme errechnet. Diese werden je Phase über einen Stromregler in einen Spannungsvektor aufbereitet. Dadurch können die Drehmomentbildenten Ströme im Motor eingeprägt werden. Das Servosystem ist schon immer ein feldorientiertes System gewesen. Aus dem Spannungsvektor wird im PWM-Modulator direkt ein Drehspannungssystem erzeugt. Mit den entstehenden PWM-Impulsen wird die Endstufe angesteuert.



Komponentenbeschreibung

M~ R

Resolverausw ertungDreh-zahl

Rotor-lage

En-Coder

RESOLVER Der Resolver ist das integrierte Gebersystem des Synchronmotors bzw. des Servosystems. Die absolute Position des Rotors (Rotorlagewinkel γ) wird mit einem Resolver erfaßt. Er erzeugt zwei um 90° phasenverschobene, sinusförmige Spannungen. Die Periode dieser Wechselspannung entspricht einer Umdrehung des Motors. Die Resolverauswertung kann damit die Position des Rotors bestimmen. Die Auflösung dieser Position ist von einer maximal geforderten Drehzahl abhängig. Bis zu einer Maximaldrehzahl von 3000 U/min ist eine Auflösung von 16384 Stufen möglich. Bei größeren Maximaldrehzahlen sind es 4096 Stufen.

Iint.

{

?

Iis tIext.

Iist >Imax

Imax

STROMBEGRENZUNG Der Iststrom (Iist) wird in den Motorphasen gemessen und mit der Stromgrenze Imax verglichen. Ist der Scheinstrom größer als die Stromgrenze, wird Einfluß auf den Ausgang des Drehzahlreglers genommen, indem das Soll-Moment begrenzt wird. Durch Verringern bzw. Begrenzen des Soll-Moments wird ein kippsicherer Betrieb des Motors gewährleistet.

Motorführung

Stromregler

IusollIv

soll Iwsoll

-Ixsoll

PI-Regler

Iist

γ

Msoll



Iu,v,w soll M

I

id = 0

iq

Uxsoll

MOTORFÜHRUNG Die Motorführung hat die Aufgabe, das vom Drehzahlregler gewünschte Sollmoment möglichst schnell an der Motorwelle bereitzustellen. Die Motorführung gliedert sich in die Stromsollwertberechnung und den Stromregler. Die Stromsollwertberechnung ermittelt aus den Größen Sollmoment Msoll und der Rotorlage γ die erforderlichen Phasenströme. Der Stromregler führt die Istströme des Motors möglichst optimal den vorgegebenen Sollströmen nach. Für eine konstante Magnetisierung des Rotors muß hier nicht gesorgt werden. Der Rotor des Synchronservomotors ist durch aufgeklebte Magnete permanent magnetisiert.

γ

Msoll



Iu,v,w soll M

I

id = 0

iq

STROMSOLLWERTBERECHNUNG Die Motorführung berechnet aus dem Solldrehmoment Msoll des Drehzahlreglers den momentbildenden Strom iq. Der magnetfeldbildende Strom id wird zu null vorgegeben, da das Magnetfeld durch Permanentmagnete im Rotor erzeugt wird und konstant ist. Aus der Modellgröße iq und dem Rotorlagewinkel generiert die Phasenstromberechnung die Sollwerte der drei Phasenströme. Stromregler und PWM-Einheit sind identisch zu CFC für ASM



5.11 Unterschiede: Spannungs/Frequenz- und Feldorientierte Systeme

5.11.1 Spannungs-Frequenz-geführten Systems Prinzipielles Reaktionsverhalten des Systems auf einen Lastsprung

Moment

Sprungantwort

Lastsprung

Bei einem plötzlichen Sprung des Belastungsmoments stellt sich das geforderte, konstante Wellenmoment nach einer Verzögerung und einem Einschwingvorgang an der Welle ein. Diese Art von Frequenzumrichtersystem bzw. Steuerverfahren ist für einen Großteil aller Anwendungen in der Automatisierungstechnik in Bezug auf Dynamik, Drehmoment-Anregelzeit, Drehzahlgenauigkeit oder Reaktionszeiten ausreichend. Sehr oft wird ein konstantes, dauerhaftes Verhalten im stationären Betriebsbereich gefordert. Auch eine gute Überlastfähigkeit der Frequenzumrichter wird häufig gefordert. Dies bedeutet, daß ein Einsatz eines solchen spannungsgeführten Umrichters nicht im speziellen auf höchste Dynamik und sehr schnelle Drehmoment-Anregelzeiten ausgelegt wird. Trotzdem ist das dynamische Verhalten bzw. die Positioniergenauigkeit eines spannungsgeführten, drehzahlgeregelten U/f-Systems nicht zu unterschätzen. Hier können in gewissen Grenzen sehr gute Ergebnisse erzielt werden. Die Vielfalt und die Einsatzmöglichkeiten von Umrichtersystemen sind aus den unterschiedlichsten Aufgabenstellungen der Antriebstechnik entstanden. Jedes System hat hierbei spezielle Anwendungsbereiche in dem es eingesetzt werden kann. Dies bedeutet, daß eine Projektierung für ein U/f-System nicht einfach kopiert werden kann, um die gleiche mit einem feldorientierten System für Asynchronmotoren zu erreichen. Hierbei müssen etwas andere Projektierungsrichtlinien angesetzt werden.



Vorteile Mindestens 150% Drehmoment bis zu einem Stellbereich von 1:20 (mit Drehzahlrückführung 1:200 möglich).

Betrieb der Motoren oberhalb deren Nenndrehzahl möglich.

Konstante Magnetisierung des Motors bei variabel veränderbaren Drehzahlen.

Bei Verwendung eines Umrichters zum Teil Einsatz kleinerer Motoren möglich

Schonung der Mechanik durch geführtes Beschleunigen und Bremsen

Erhöhung der Schalthäufigkeit

Netzentlastung

Erhöhung der Bremsenstandzeiten



5.11.2 Feldorientierte Antriebssysteme Entscheidend für die feldorienterte Regelung ist die Kenntnis des magnetischen Rotorflußes. Beim

Synchronserosystem ist dieser Fluß bekannt, da der Rotor eine konstante Permanentmagnetisierung besitzt. Bei Asynchronservomotoren muß dieser Fluß bestimmt werden. Hierzu müßte für eine exakte Messung ein Sensorsystem in die Motorwicklung eingezogen werden, was die Verwendung von Standardasynchronmotoren verhindern würde und praktisch nicht realisierbar wäre. Dazu muß über eine Modellbildung der Rotorfluß nachgebildet werden. Man muß die Systeme der SEW-EURORIVE in spannungs-frequenzgeführte feldorientierte (VFC) und in stromgeführte feldorientierte (CFC) Systeme unterscheiden. Bei beiden Systemen gelten die oben genannten Bedingungen zur Realisierung der Feldorientierung. Ein markanter Unterschied zwischen beiden Systeme ist der unterlagerte Stromregler, der nur bei den stromgeführten Systemen implementiert ist. Dieses Merkmal bringt hierbei die entscheidenden Vorteile in Sachen Dynamik für das CFC-Verfahren.

5.11.3 Spannungs-Frequenz geführte feldorientierte Systeme Prinzipielles Reaktionsverhalten des Systems auf einen Lastsprung

Moment

Sprungantwort

Lastsprung

Bei einem plötzlichen Sprung des Belastungsmoments stellt sich das geforderte, konstante Wellenmoment nach einer kurzen Drehmoment-Anregelzeit und mit minimalem Schwingen an der Welle ein. Spannungs-Frequenz-geführte feldorientierte Systeme sind auf stationäre Dauerleistung ausgelegt. Der Vorteil gegenüber U/f-Systemen liegt hierbei in der kontinuierlichen Berechnung des Motormodells. Egal ob mit oder ohne Drehzahlrückführung wird dadurch eine exakte, dem Belastungszustand angepaßte, Berechnung der Motorspannung und des Schlupfes (Schlupfkompensation) vorgenommen. Dies erklärt die verbesserten Eigenschaften des VFC-Verfahrens gegenüber dem U/f-Verfahren.



Vorteile des VOLTAGE mode FLUX CONTROL Statistische Drehzahlgenauigkeit etwa ein Zehntel des Schlupfes bzw. kleiner 1% der

Nenndrehzahl.

Mindestens 150 % Drehmoment bis auf 0.5 Hz.

Niedriger Strombedarf bei Teillastbetrieb aufgrund optimaler, angepaßter Magnetisierung des Motors. Damit auch geringere thermische Belastung möglich.

Hohes Anzugsdrehmoment unabhänhig von der Motortemperatur, weil der Statorwiderstand gemessen wird.

Höchste Dynamik infolge Drehmomenten-Anregelzeiten von etwa 5 ms - 10 ms

Ruhiger Drehzahlverlauf dank einer dynamisch wirksamen Schwingungsdämpfung, insbesondere vorteilhaft bei größeren Maschinen.

Hohe Stabilität der Ausgangsfrequenz für hohe Drehzahlsteifigkeit und Gleichlaufeigenschaften

Aufgrund zulässiger Drehzahlrückführung wird ein uneingeschränkter Betrieb auch im Stillstand ermöglicht.

Betrieb mit Sinus-Ausgangsfiltern und Betrieb von Gruppenantrieben sind möglich.



5.11.4 Stromgeführte, feldorientierte Systeme Prinzipielles Reaktionsverhalten des Systems auf einen Lastsprung

Moment

Ze

Lastsprung

Sprungantwort

Bei einem plötzlichen Sprung des Belastungsmoments stellt sich das geforderte, konstante Wellenmoment nach einer sehr kurzen Drehmoment-Anregelzeit und nahezu ohne Schwingen an der Welle ein. Durch das CFC-Verfahren ist es nun möglich den Asynchronmotor nahezu mit Servoeigenschaften zu betreiben. Der unterlagerte Stromregler mit einer Zykluszeit von 125 µs (bei VFC mit Drehzahlregelung 1ms) bringt die durch die Motorführung berechnete Dynamik des Antriebs. Das Motormodell muß hierbei exakt auf den einzelnen Motor abgestimmt werden um solche Ergebnisse zu erzielen. Ebenso benötigt dieses System eine Drehzahlrückführung und eine relative Rotorlageinformation um den notwendigen Schlupf errechnen zu können. Einschränkungen bei dieser Antriebsart sind gegenüber dem VFC-Verfahren zum Beispiel die Reduzierung der stationären Dauerleistung, da für Beschleunigungs- oder Bremsvorgänge entsprechende Energiereserven vorhanden sein müssen. Die Möglichkeit eines Gruppenantriebs kann nicht realisiert werden, da in diesem Fall keine exakte Stromeinprägung realisiert werden kann.

Vorteile des CURRENT mode FLUX CONTROL

Entkoppelte Drehmoment- und Flußregelung

Statistische Drehzahlgenauigkeit von kleiner - gleich 0.1% der Nenndrehzahl.

Mindestens 160% Drehmoment bis zum Stillstand bei Betrieb mit leistungsangepaßtem Motor

Aufgrund standardmäßiger Drehzahlrückführung uneingeschränkter Betrieb bis Drehzahl Null.

Echte Servoantriebseigenschaften



5.11.5 Drehmoment-Anregelzeiten Im folgendem Bild soll die Dynamik zwischen dem CFC-Verfahren und dem VFC-Verfahren über die

Drehmoment-Anregelzeit verdeutlicht werden.

Die Anregelzeit bezieht sich auf einen Belastungssprung bei CFC von 0% auf 160% MNenn und bei VFC von 0% auf 150% MNenn. Beim CFC-Verfahren können Anregelzeiten zwischen 1-2 ms erreicht werden. Das VFC-Verfahren kann Drehmoment-Anregelzeiten zwischen 7 ms und 10 ms erreichen.

Version 3 T_DE_002

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Antriebsumrichter MOVIDRIVE® - siva.bgk.uni-obuda.husiva.bgk.uni-obuda.hu/~szakacs/segedanyagok/0910/ME13NDC/D55B9A11d01.pdf · Relais- oder Schützspule). Durch Verwendung eines