Multifunktionales Powermodulfür Gleich-, Wechsel- und DrehstromantriebeProfessor Dr. Klaus Hofer

Bei der Automatisierung von Prozessen und Produkten besteht ein großer Bedarf nach drehzahlvariablen Elektroantrieben, welche mit einem Minimum an Leistungselektronik und Sensorik dennoch die mechanischen Anforderungen an der Antriebswelle optimal befriedi-gen. Unter solch strengen Low-Cost Anforderungen muss und kann in vielen Standardanwendungen der Einsatz von teuren Frequenz- Um-richtern zugunsten von preiswerten Netz- Stromrichtern umgangen werden. Diese einfachen und vielseitigen Powermodule auf Thyristor-basis lassen sich darüber hinaus bequem in den Klemmkasten oder den Anschlussstecker einer elektrischen Maschine integrieren.

Wie der folgende Beitrag zeigt, reicht bereits eine kommutierungslo-se TRIAC- Brückenschaltung für die Realisierung einer multifunktio-nalen Stromrichterhardware aus, welche über die Ansteuersoftware als Wechselstromsteller (W1), Drehstromsteller (W3), Reversierspar-schaltung (W4), Direktumrichter (B2DU) oder Umkehrstromrichter (B2USR) arbeiten und sowohl Gleichstrommaschinen als auch Wech-sel- und Drehstrommaschinen mit variabler Spannung und Frequenz speisen kann.

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Mit solchen digitalen Powermodulen lassen sich elektrische Maschinen in einem oder mehreren Quadran-ten der Drehzahl- Drehmoment- Ebene betreiben. In Verbindung mit modellgestützten Regelverfahren können darüber hinaus teure Sensorbausteine durch preiswerte Beobachteralgorithmen ersetzt werden. Man spricht in diesen Fällen von sensorlosen Antriebsregelungen [1-4], welche bei guter Dynamik und einem mittleren Drehzahlstellbereich überall in der industriellen und gewerblichen Automatisierungs-technik sowie in Gebäudenetzen, Elektrofahrzeugen und Haushaltsgeräten vorteilhaft einsetzbar sind.

1. Aufbau des multifunktionalen PowermodulsDie drei Umwandlungsmerkmale von Stromrichterschaltungen, nämlich Gleichrichten, Wechselrichten und Umrichten, lassen sich am einfachsten mit einer Brückenanordnung der Leistungshalbleiter realisie-ren. Beschränkt man sich auf kommutierungslose und lückende Stromrichteranwendungen, so können bereits mit einer einzigen B2-Triacschaltung alle genannten Umwandlungsmerkmale abgedeckt werden.

Wie Bild 1 zeigt, kann mit diesem multifunktionalen Powermo-dul das Drehzahlverhalten von Gleichstrommaschinen,

Universalmotoren, Kondensatormotoren und Dreh-strommaschinen gezielt beeinflusst werden. Dies

führt auf Low-Cost Antriebslösungen beim Pum-pen, Lüften, Transportieren, Rühren, Wickeln, Automatisieren, Positionieren etc.

Je nach Ansteuerung der Leistungshalbleiter (TRIAC) kann das Multifunktions- Power-modul das Umwandlungsmerkmal des Wech-selstromstellers mit Verstellung des Span-nungseffektivwertes durch Phasenanschnitt gemäß Bild 2a oder durch Schwingungspa-

ketsteuerung (Bild 2b) sowohl für einphasige als auch für dreiphasige Motoren erfüllen. Durch

Variation des Zündmusters arbeitet das Powermodul gemäß Bild 2c als einphasiger Direktumrichter, der den

Effektivwert der Ausgangsspannung kontinuierlich und deren Frequenz in Stufen verstellen kann.

Wird das Powermodul gemäß Bild 2d angesteuert, so gibt es an seinem Ausgang eine pulsierende Gleichspannung ab, de-

ren arithmetischer Mittelwert sowohl positiv als auch negativ wird und damit eine Gleichstrommaschine

in allen vier Quadranten der M,n- Ebene speisen kann.All diese unterschiedlichen Umwandlungs-merkmale und Einsatzmöglichkeiten des Powermoduls sind softwaremäßig in der Mikrocontroller-Steuerung vorgesehen und können durch entsprechende Anwahl jeder-zeit abgerufen werden.

2. Reversierung und Sanftanlauf für Drehstrommaschinen

Mittels einer Phasenanschnittsteuerung in allen drei Phasen können Drehstrommotoren sanft am

Drehstromnetz hochgefahren werden. Dieser so ge-nannte Sanftanlauf oder Softstart lässt sich sowohl vorwärts

als auch rückwärts durchführen, wenn die Möglichkeit des elektro-nischen Phasentauschs vorgesehen wird. Durch Vertauschen zweier

Phasen (L1, L3) und direktem Anschluss der dritten Phase (L2) an die Klemmen der Maschine, kommt

man gemäß Bild 3 zur vierpoligen Wechselweg-schaltung (W4). Diese Reversiersparschaltung ist in der Lage, einen Drehstrommotor in ei-nem begrenzten Bereich des ersten und drit-ten Quadranten der Drehzahl-Drehmoment- Ebene zu betreiben [1].

Wegen der Besonderheit von vier Leistungs-halbleitern in Brückenanordnung, lässt sich

diese Reversiersparschaltung auch noch für die Realisierung weiterer Stromrichterantriebe vorteil-

haft nutzen.

L1

L2

L3(N)

M,Ω

T1 T3

T4 T2

Drehstrommotor

Einphasenmotor

Gleichstrommotor

Universalmotor

Multifunktions-Powermodul

Microcontroller

BusBild 1: Multifunktions- Powermodul

für elektrische Antriebe

Ua50Hz Ua

T1,T2

25Hz

T1,T2

T3,T4

T3,T4

Ud

T1,T2

0Hz

T1,T2

T3,T4

T3,T4

Ua

T1,T2

α T1,T2

T1,T2

T1,T2

tωT

Te

tωtω

tω

a) Phasenanschnittsteuerung

a

b) Schwingungspaketsteuerung

c) Spannungs-Frequenzsteuerung

d) Gleichrichtersteuerung

Bild 2: Umwandlungsmerkmale des Multifunktions- Powermoduls

L1L2L3

T1 T3

T4 T2

2

3 4

n

M

T3,T4

T1,T2

M3~

1

Bild 3: Vierpolige Reversiersparschaltung (W4) mit Triacs

3. Direktumrichter für KondensatormotorenWerden elektrische Antriebe im Dauerbetrieb oder unter aggressiven Umgebungsbedingungen eingesetzt, scheiden Antriebsvarianten mit den kommutatorbehafteten Gleichstrommaschinen und Universalmotoren von vorneherein aus. In raueren Anwendungen, wie zum Beispiel beim Antrieb von Pumpen, Lüftern und Dunstabzugshauben, kommt deshalb nur der robuste und wartungsarme Asynchronmotor zum Einsatz. Im Leistungsbereich bis etwa ein Kilowatt verwen-det man meist einie einphasige Asynchronmaschine, auch Kondensatormotor genannt. Um ein Drehfeld in der einphasigen Asynchronmaschine (ASM) aufzu-bauen, ist gemäß Bild 4 eine Hilfswicklung (WH) vorhanden, die über einen Hochvolt- Kondensator mit einem um 90° elektrisch phasenverschobenen Wechselstrom gegen-über der Arbeitswicklung (WA) gespeist wird. Eine Verstellung der Drehzahl ist bei dieser Konstellation in engen Grenzen über den Effektivwert (Ua) möglich; dar-über hinaus müssen die Frequenz und der Spannungseffektivwert verändert werden. Um im Low-Cost Bereich den Einsatz eines teuren Frequenzumrichters zu vermeiden, lassen sich mit einem so genannten Direktumrichter bei Pumpen und Lüftern [3] befriedigende Ergebnisse erzielen.

Der einphasige Direktumrichter erzeugt die Ausgangswechselspannung (Ua) direkt aus den 50 Hz-Netzschwingungen, weshalb die Ausgangsfrequenz (f ) nur in Stufen von 50 Hz, 25 Hz, 16,67 Hz, 12,5 Hz, 10 Hz etc. verstellt werden kann. Dabei wird die Stromrichterschaltung sowohl im Wechselwegbetrieb als auch im Gleichrichtbetrieb ausgesteuert, damit sich die entsprechenden Frequenzstufen in Bild 2c generieren lassen. Die Drehzahlwerte (n ~ f ) dazwischen müssen durch eine Spannungssteuerung abgedeckt werden.

Bei der Spannungsbildung sollte beachtet werden, dass die Asynchronmaschine nicht nur ihre Drehzahl sondern auch ihre Reaktanzen (X = 2πf ) proportional mit der Frequenz verändert. Um Überströme bei kleineren Frequenzen sicher zu vermeiden, muss der Effektivwert der Aus-gangsspannung (Ua ~ f ) mit abnehmender Frequenz ebenfalls durch Phasenanschnitt verkleinert werden.

Diese verschiedenen Nutzungsmöglichkeiten eröffnen sowohl dem Drehstromsteller als auch dem Wechselstromsteller ein breites Anwendungsspektrum, da sie ein einfaches und robustes Stellglied für Low-Cost Applikationen darstellen. Werden jedoch bereits geringe bis mittlere dynamische Anforderungen an Anlagen und Antriebe gestellt, muss auf netzgeführte und selbstgeführte Strom-richtervarianten übergegangen werden. Auch die für viele Fahr- und Positionierantriebe [2, 3] wichtige Energierückspeisung durch generatorisches Bremsen der Maschine ist mit Wechsel- und Drehstromstellern prinzipiell nicht möglich.

4. Reversierschaltung für UniversalmotorenUm die Drehrichtung eines Universalmotors umzukehren, müssen entweder die Anschlüsse der Erregerwick-lung oder die der Ankerwicklung vertauscht werden. Aus Kostengründen wird in vielen Haushaltsgeräten, wie Bohrmaschinen und Waschmaschinen, die Drehrichtungsum-kehr des Universalmotors mit einem me-chanischen Schalter von Hand oder mir einem Relais vorgenommen. Bei häufi-gem Umschalten der Drehrichtungen bie-tet sich allerdings die verschleißfreie Vari-ante mit einem Stromrichterstellglied an.

Die erforderliche, leistungselektronische Schal-tung ist in Bild 5 dargestellt. Dabei lässt sich über T1 und T2 durch Phasenanschnitt die Drehzahl der Maschine in engen Grenzen über die variable Spannung verstellen. Werden hingegen T3 und T4 von der Phasenanschnittsteuerung gezündet, ändert sich die Stromrichtung im Anker der Maschi-ne, während sie im Feldkreis unverändert bleibt, sodass der Universalmotor seine Drehrichtung wechselt.

n

M

L1N

T1

T2

T3

T4

Feld

XAnker 12

3 4

Bild 5: Reversierschaltung für drehzahlvariable Universalmotoren

12

3 4

n

M

L1

NUL

Ia

T1

T2

T3

T4

CH

wH

wA

ASM1~

Ua Pumpe/Lüfter

Bild 4: Einphasiger Direktumrichter für drehzahlvariable Asynchronantriebe

Da die Wechselwegschaltung nach Bild 5 kommutierungslos arbeitet, ist ein generatorisches Brem-sen weder von Seiten des Stromrichters noch von Seiten des Universalmotors möglich. Dieser ein-geschränkte Reversierantrieb kann ebenfalls nur motorisch im ersten und dritten Quadranten der Drehzahl-Drehmoment-Ebene arbeiten.

5. Umkehrstromrichter für GleichstrommaschinenVollgesteuerte, netzgeführte Stromrichterschaltungen können das Vorzeichen der Ausgangsspan-nung verändern und damit im ersten und zweiten Quadranten der Strom- Spannungsebene ar-beiten. Sind auch der dritte und vierte Quadrant erforderlich, muss ein weiterer, voll gesteuerter Stromrichter antiparallel dazugeschaltet werden. Diese Anordnung nennt man Umkehrstromrich-ter, bzw. auch Doppel-Stromrichter, da sie das Vorzeichen des Ausgangsgleichstroms umkehren kann. Da nieder pulsige B2-Stromrichter in Verbindung mit den kleinen Glättungsinduktivitäten im Ankerkreis der Gleichstrommaschine meist auf lückende Ankerströme bis zum Nennpunkt führen [1], kann der Umkehrstromrichter anstelle von acht Thyristoren gemäß Bild 6 auch mit vier Triacs realisiert werden. Dieser kostengünstige Aufbau arbeitet auf der Netzseite kommutierungslos und auf der Wellenseite in allen vier Quadranten.

Mit Hilfe moderner Regelstrategien lassen sich außerdem die teuren Sensoren für die

Drehzahl und den Ankerstrom durch preiswerte Beobachtersoftware , so ge-nannte Zustandsbeobachter und Bi-näre Beobachter [4], ersetzen. Man spricht in diesen Fällen von sensor- losen Vierquadrant- Gleichstrom- antrieben, welche ein absolutes Minimum an Hardware bei einem

Maximum an Dynamik darstellen.

6. ZusammenfassungMit der vorgestellten TRIAC- Brückenschaltung liegt eine multifunktionale Stromrichterhardware vor, welche über ihre Ansteuersoftware sowohl als Wechsel- und Drehstromsteller oder Rever-siersparschaltung als auch als Umkehrstromrichter bzw. Direktumrichter arbeiten kann. Mit die-sem innovativen Powermodul lässt sich das Drehzahlverhalten von Gleichstrommaschinen, Univer-salmotoren, Kondensatormotoren und Drehstrommaschinen gezielt beeinflussen. Solche Low-Cost Antriebslösungen können besonders vorteilhaft beim Pumpen, Lüften, Transportieren, Rühren, Wickeln, Automatisieren und Positionieren eingesetzt werden.

7. Bücher des Autors zum Thema[1] Power-Management/ Leistungselektronik, Antriebe, Bussysteme Offenbach: VDE-Verlag, 2009. ISBN 978-3-8007-2965-4[2] Elektrotraktion/ Elektrische Antriebe in Fahrzeugen. Offenbach: VDE-Verlag, 2006. ISBN 3-8007-2860-5[3] Elektrische Antriebstechnik in Zahlen / 56 Berechnungsbeispiele und 190 Projektierungshinweise Offenbach: VDE-Verlag, 1999. ISBN 3-8007-2419-7[4] Regelung Elektrischer Antriebe/ Innovation durch Intelligenz Offenbach: VDE-Verlag, 1998. ISBN 3-8007-2234-8

8. Zum AutorProfessor Dr. Ing. habil. Klaus Hofer, Jahrgang 1949, studierte an der Universität Karls-

ruhe Elektrotechnik, promovierte an der Universität Siegen und habilitierte sich an der Universität Bielefeld. Dazwischen arbeitete er einige Jahre als Entwicklungsingenieur für elektrische Antriebstechnik in einem Weltkonzern, ehe er einem Ruf nach Bielefeld folgte. Der Autor von neun Fachbüchern und über 60 Fachaufsätzen ist Senior- Mem-ber im IEEE (USA) sowie Erfinder der Binären Beobachter, Linearautos und Elektroein-räder. Seine Forschungsergebnisse trägt er regelmäßig auf nationalen und internationalen Tagungen und Konferenzen vor und macht sie in Presse, Funk und Fernsehen einer breiten

Öffentlichkeit bekannt und verständlich. Darüber hinaus hat Dr. Hofer eine kognitive Bibel beim C. Goethe Verlag verfasst und dreizehn Kinder aus aller Herren Länder adoptiert.

T1 T3

T4 T2

L1

N

n

M

Ψ

L

12

3 4

Bild 6: Einphasiger Umkehrstromrichter für Vierquadrant- Gleichstromantriebe

Professor Dr. Klaus Hofer Fachhochschule Bielefeld, Fachbereich Ingenieurwissenschaften und Mathematik Post Box 101113 · 33611 Bielefeld · Tel.: +49 (0) 521 106 72 80 · Fax: +49 (0) 521 106 71 50 E-Mail: klaus.hofer@fh-bielefeld.de · www.fh-bielefeld.de/fb2