Spannungs- und Vektorgeregelte Frequenzumrichter

Üblicherweise ist er für unser Drehstromnetz gefertigt, das heißt er läuft mit 400 Volt und 50 Hz. Das magnetische Feld rotiert bei einem 2-poligen Motor 50 mal in der Sekunde. Die Drehzahl wird in Minuten angegeben also 50 Hz mal 60 Sekunden, was eine Drehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute ergibt (Bild 1).

Durch dieses sich drehende Feld wird in den Läufer eine Spannung induziert, die durch die Käfigform am hinteren und vorderen Ende eines jeden Läuferstabes die Stäbe untereinander kurzschließt. In jedem Stab fließt nun ein Strom, der ein magnetisches Feld um den Stab zur Folge hat. Diese beiden Magnetfelder, das eine um den einzelnen Stab und das andere rotierende durch die Ständerwicklung, stoßen sich auf der einen Seite ab und ergänzen sich auf der anderen Seite der einzelnen Stäbe. Dadurch dreht sich der Rotor des Motors. Da nur eine Spannung in die Rotorstäbe induziert werden kann wenn die einzelnen Stäbe ein veränderliches Magnetfeld haben, kann der Rotor sich nie mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Magnetfeld im Stator drehen. Der Motor dreht nicht synchron mit dem Feld. Daher der Name Asynchronmotor. Die Abweichung zwischen der Synchrondrehzahl (Drehfeld im Stator) und der tatsächlichen Drehzahl des Rotors wird Schlupf genannt. Es ergibt sich also eine feste Drehzahl, die durch die Frequenz und die Anzahl der Pole nach folgender Formel festliegt.
Formel wird von Herrn CHALL gesetzt!!
n = Drehzahl, f = Frequenz, P = Polpaarzahl, S = Schlupf (hier mit 200 Umdrehungen/min angenommen)

Wie lässt sich die Drehzahl verändern?
1. Veränderung der Polpaarzahl:
Dies hat zur Folge, dass sich die Synchrondrehzahl nur stufig verändert:
2-polig (1 Polpaar) 3000 min-1
4-polig (2 Polpaare) 1500 min-1
6-polig (3 Polpaare) 1000 min-1
8-polig (4 Polpaare) 750 min-1
10-polig (5 Polpaare) 600 min-1
12-polig (6 Polpaare) 500 min-1

2. Erhöhen des Schlupfes:
Dies kann man durch das Verändern des Widerstandes der einzelnen Rotorstäbe mit Hilfe von Schleifringen erreichen. Hier fällt der Vorteil der Wartungsfreiheit weg. Eine andere Möglichkeit ist eine Phasenanschnitt-Steuerung. Der Motor arbeitet dann mit zu niedriger Spannung und erreicht dadurch nicht mehr sein Nenndrehmoment.

3. Verändern der Frequenz:
Dies ist mit einem Frequenzumrichter, der aus der festen 50 Hz Netzfrequenz (in anderen Ländern ist die Netzfrequenz zum Beispiels auch 60 Hz), eine variable Frequenz einstellt, möglich.

Wie bildet sich das Drehmoment im Motor ?
Damit das Drehmoment proportional zum Strom bleibt müssen folgende Bedingungen eingehalten werden:
Formel wird von Herrn CHALL gesetzt !!
I = Strom, M = Drehmoment, U = Spannung, f = Frequenz, K = Konstanten, die durch die Konstruktion des Motors festliegen. ¿, K und die 2 sind nicht veränderbare Werte und wenn wir diese aus der Formel heraus nehmen bleibt die Aussage:
Formel wird von Herrn CHALL gesetzt !!
Der Strom verhält sich proportional zu dem Drehmoment wenn das Verhältnis U zu f konstant bleibt. Das bedeutet, wenn die Frequenz des Motors verändert wird, muss sich im gleichen Verhältnis auch die Spannung verändern, wenn an der Motorwelle das Nenndrehmoment zur Verfügung stehen soll. Beim vereinfachten, einphasigen Ersatzschaltbild des Motors kann man erkennen, dass die Wicklungsverluste bedingt durch den Strom im Ständer an der Hauptinduktivität fehlen. Die Verluste können bis ca. 10 Volt betragen. Bei 400 Volt und 50 Hz (2,5 Prozent) spielt das keine Rolle, da der Motor dafür vorgesehen ist. Bei niedriger Frequenz und Spannung sieht das anders aus. Bei 2,5 Hz beträgt die Spannung theoretisch 20 Volt (20/2,5 = 8/1 = 400/50). Bei gleichem Strom wird der Spannungsverlust immer noch 10 Volt betragen (Bild 2).
An der Hauptinduktivität stehen nur noch 50 Prozent der Eingansspannung zur Verfügung. Der Motor ist dadurch untermagnetisiert (Feldschwächbetrieb) und stellt nur noch einen Teil seines Nenndrehmomentes zur Verfügung. Deshalb wird im unteren Bereich die U/f Kennlinie fest oder auch stromabhängig angehoben, um den Spannungsverlust auszugleichen. Dies nennt man I * R Kompensation oder Spannungsboost.
Ein Frequenzumrichter
verändert die Spannung und die Frequenz. Dazu muss die vom Netz zur Verfügung gestellte Wechselspannung erst einmal gleich gerichtet werden. Die Gleichspannung wird dann mit Kondensatoren im Zwischenkreis gespeichert. Mit dem Wechselrichter wird die Gleichspannung in drei Phasen wieder aufgeteilt und mit 120 Grad Versatz an den Motor gegeben (Bild 3).
Die Spannungshöhe kann entweder mit einem Chopper im Zwischenkreis, oder mit einer Phasenanschnittsteuerung im Netzgleichrichter eingestellt werden. Dieses Verfahren wird Puls-Amplituden-Modulation (PAM) genannt. Heute wird die Spannung mit dem Wechselrichter durch Puls-Breiten-Modulation (PWM) eingestellt. Früher hat man eine Sinusschwingung, die der gewünschten Ausgangsfrequenz entspricht zu Grunde gelegt und taktet mit einer Dreiecksfrequenz über den Sinus. Bei jedem Schnittpunkt wird ein Ein- bzw. Ausbefehl an den einzelnen Transistor im Wechselrichter gegeben (Bild 4a).
Durch die digitale Verarbeitung wird dieses Verfahren heute vom Mikroprozessor übernommen. Dadurch sind auch die Möglichkeiten der Ansteuerung, sowie der Sollwertverarbeitung wesentlich verbessert worden. Auch die Spannungseinstellung und Strombegrenzung, sowie Drehzahl und Stromregler konnten wesentlich verbessert werden.
Moderne Frequenzumrichter sind mit Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) im Wechselrichter ausgestattet. Diese Transistoren zeichnen sich durch einfache Ansteuerung und sehr kurze Schaltzeiten aus. Dadurch sind die Verluste im Transistor wesentlich geringer als bei herkömmlichen bipolaren Transistoren. Der Schutz vor Überstrom ist durch die kurzen Schaltzeiten wesentlich verbessert worden. Es sind Taktfrequenzen von 15 kHz und mehr möglich und damit auch ein sinusförmigeren Strom. Die Verluste im Motor werden dadurch geringer.
Um den hohen Ladestrom beim Einschalten der Netzspannung zu begrenzen werden die Zwischenkreiskondensatoren über Ladewiderstände oder Thyristoren geladen. Durch die Ladeströme werden folgende Netzströme wirksam. Dies verursacht sogenannte harmonische Oberschwingungen, die durch Einsetzen einer Netzdrossel oder Zwischenkreisdrossel verringert werden können. Desweiteren verursacht ein Frequenzumrichter durch die hohen Taktfrequenzen und steilen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten Funkstörungen im oberen Frequenzbereich. Die leitungsgebundenen Störungen können mit einem Filter, der zur Netzseite hin installiert sein muss, reduziert werden.
Frequenzumrichter, die dem Motor eine Frequenz mit der dazu passenden Spannung zur Verfügung stellen, arbeiten nach dem U/f Verfahren. Hierbei wird der Motor nicht unbedingt optimal magnetisiert. Der Frequenzumrichter begrenzt den Strom, um sich und den Motor vor Überstrom bzw. Überlast zu schützen.
Die Vektorregelung
kann optimaler auf den Drehstrom-Asynchronmotor eingehen und wurde erst möglich durch den Einsatz digitaler Steuerungen sowie schnell schaltenden IGBTs. Es gibt zwei Arten der Vektorregelung, die Spannungsvektor-Regelung und die Stromvektor-Regelung. Vektor an sich sagt erst mal nichts konkretes aus. Es besagt lediglich, dass etwas eine bestimmte Richtung und eine bestimmte Größe hat. Dies kann unter anderem eine Kraft, eine Geschwindigkeit, eine Spannung, ein Strom oder auch eine Leistung sein.
Um die Verluste durch die Halbleiter im Umrichter auszugleichen gibt es die Spannungsvektor-Regelung.

Es sind drei prinzipielle Arten der Spannungsvektor-Regelung üblich :
1. das Blockverfahren,
2. die Summe der Grundwelle mit der dritten harmonischen Oberschwingung und
3. die eigentliche Spannungsvektor-Regelung.
Beim Blockverfahren wird die Phasenspannung nicht sinusförmig an den Motor gegeben. Während am Anfang und Ende der Sinushalbwelle getaktet wird, bleibt jeweils in der Mitte von 60 bis 120 Grad beziehungsweise von 240 bis 300 Grad ein Block stehen. Die Spannung Phase gegen Phase wird dann allerdings sinusförmig und bis zum vollen Spitzenwert der Spannung ausgegeben. In diesem Fall ist die Höhe der Ausgangsspannung gleich der Eingangsspannung und der Motor somit voll magnetisiert (Bild 5).
Beim Summieren der Grundwelle mit der dritten harmonischen Oberschwingung erhält man eine Kurvenform, die in etwa der Kurvenform des Blockverfahrens entspricht. Deshalb ist auch mit diesem Verfahren die Ausgangsspannungshöhe gleich der Eingangsspannung (Bild 6).
Bei der eigentlichen Spannungsvektorregelung wird beim Schalten der IGBTs ein Nullvektor erzeugt, indem alle drei Wicklungen im Motor auf minus oder plus kurzgeschlossen werden. Auch mit diesem Verfahren wird der Motor voll magnetisiert.
Bei der Stromvektor-Regelung
gibt es zwei Möglichkeiten : Die ¿Open Loop Vektor-Regelung¿ und die ¿Closed Loop Vektor-Regelung¿.
Bei der Stromvektor-Regelung errechnet sich der Umrichter die im Motor benötigten Ströme. Der Magnetisierungsstrom dient zum Aufbau des Magnetfeldes und der Wirkstrom oder auch Drehmoment bildender Strom wirkt im Rotor und bringt uns das Drehmoment an die Welle des Motors. Die beiden Ströme stehen im rechten Winkel zueinander. Der Scheinstrom bildet die vektorielle Summe der beiden Ströme. Der Winkel zwischen Wirkstrom und Scheinstrom ist der cos¿, der auf dem Typenschild des Motors genannt wird. Es geht also darum den Magnetisierungsstrom konstant zu halten und den Wirkstrom, abhängig von der Belastung, einzustellen (Bild 7).
Damit dieses wirkungsvoll durch verändern der PWM-Signale erfolgen kann, muss der Umrichter möglichst genaue Informationen über den Motor haben. Hierzu gibt es die Möglichkeit des Autotuning-Verfahrens, bei dem der Umrichter die Daten des Motors ermittelt. Mit den Stromwandlern am Ausgang des Umrichters ermittelt der Umrichter den aktuellen Strom. Mit diesen Informationen rechnet der Prozessor das notwendige Pulsmuster aus und steuert, durch die IGBTs, die beiden Stromvektoren und stellt damit den Gesamtstrom ein. Damit der Motor trotz der umfangreichen Rechenarbeit hochdynamisch reagieren kann, muss eine entsprechend schnelle CPU vorhanden sein.
Bei der Open Loop Vektor-Regelung errechnet der Umrichter die optimale Magnetisierung, indem er die Belastung des Motors durch die Information der Stromwandler ermittelt. Bei diesem Verfahren kann man ein Drehzahlstellverhältnis von 1:200 und ein Drehmoment von über 150 Prozent des Motornennmomentes schon bei einer Frequenz von 0,3 Hz erreichen.
Bei Closed Loop Vektor-Regelung wird an der Motorwelle ein Drehgeber angebracht, der die genaue Drehzahl des Motors ermittelt und an den Umrichter weiterleitet. Nun kennt der Umrichter durch die Differenz zwischen der an den Motor gegebenen Frequenz und der tatsächlichen Drehzahl den Schlupf. Durch diese Information kann er die Belastung wesentlich genauer ermitteln und dadurch den Motor wesentlich dynamischer und genauer magnetisieren. Hierbei ist ein Drehzahlstellverhältnis von 1:1000 zu erreichen. Ein Drehmoment von über 150 Prozent steht ab Stillstand bis zur vollen Frequenz zur Verfügung. Mit Stromvektor-Regelung ist somit ein Antriebssystem möglich, das den Vorteil des einfachen und robusten Motors, mit hoher Dynamik, genauer Drehzahleinstellung und einem exzellenten Drehmomentverhalten vereinigt.

Hans-Peter Krug
Produktmanager
Yaskawa Electric Europe GmbH

Zum Thema:
Ohne Frequenzumrichter kann man sich in der heutigen Zeit ein optimales Motorenmanagement schon gar nicht mehr vorstellen. Welche Varianten gibt es, was können sie und wieso zählt der vektorgeregelte Frequenzumrichter zur Königsklasse? Der Beitrag zeigt wie aus einem einfachen Motor mit fester Drehzahl ein hochdynamischer Antrieb werden kann.
/st

Links: http://www.yaskawa.de