Stromrichter Und Maschinen

261

16 Stromrichter und Maschinen

16.1 GleichstrommaschinenEine Gleichstrommaschine besteht aus einem Erregersystem (dauermagnetisch oder elektrisch),welches im Allgemeinen im Ständer untergebracht ist, und einem Rotor, welcher die Funktiondes Ankers übernimmt. Der Strom im Anker (IA) bildet zusammen mit dem Erregerfeld ( )eine Lorentzkraft ( IA). Über den Radius des Rotors wird ein Drehmoment ausgebildet.Dreht sich der Rotor, so wird der Drehmoment bildende Leiter seitlich aus dem Magnetfeldheraus bewegt und die Kraft ändert sich mit dem Drehwinkel des Rotors. Damit das Dreh-moment möglichst unabhängig von der Winkelstellung der stromdurchflossenen Leiter imAnker bleibt, wird der jeweils stromführende Leiter durch einen mechanischen Kontakt, denKommutator, immer wieder in das Magnetfeld zurückgeschaltet. So kann der Rotor sich drehenund ein stromführender Leiter bleibt im Erregerfeld. In der Ankerwicklung fließt deshalb einnahezu rechteckförmiger Wechselstrom, so dass der Rotor zur Reduzierung der Wirbelstrom-verluste immer geblecht ausgeführt wird. Der Zusammenhang zwischen Erregerfeld ,Ankerstrom IA und den geometrischen Daten der sättigungsfrei angenommenen Maschine wirdin einer Drehmomentkonstanten cM in Gl. (16.1) zusammengefasst. Die Schaltbilder für beideAusführungen mit elektrischer und dauermagnetischer Erregung zeigt Abb. 16-1.

Aufbau Ersatzschaltbild Kennlinien

e: induzierte Spannung

UA: Ankerspannung 1: Ankerstellbereich

2: Feldschwächbereich

Abbildung 16-1 Gleichstrommotor mit permanentmagnetischer und elektrischer Erregung

RA

LA

IA

e

UAN S

a)

N SUA

IA

IE

b)

RA

LA

IA

eIE

UA

n

n / nn

UAU A,n

1

1

1

n

n / nn

UAU A,n

1

1

1 2

262 16 Stromrichter und Maschinen

Bei elektrischer Erregung kann die Stärke und Richtung des Erregerfeldes mit demErregerstrom IE eingestellt werden. Man wählt bei fremd- und nebenschlusserregten Maschineneine Feldspule mit vielen Windungen, um die für den Nennfluss n erforderliche Durchflutungbei kleinem Erregerstrom IE,n zu erhalten. Die Drehmoment- und Spannungsgleichungen einerGleichstrommaschine sind mit Gl. (16.1) und (16.2) angegeben. Durch Schwächung des Erre-gerfeldes (Feldschwächbetrieb) kann die Leerlaufdrehzahl über die Nenndrehzahl hinausgesteigert werden.

Drehmoment M cM I A (16.1)

UA RA I A Ld iAd t

e mit e c (Rotationsspannung) (16.2)

Die Leerlaufdrehzahl berechnet sich mit UA = e zu:

Leerlaufdrehzahl 0

UAc

n00

2(16.3)

Gl. (16.4) zeigt die Abhängigkeit der Drehzahl vom Drehmoment (M) bzw. die Abhängigkeitdes Drehmomentes von der Drehzahl M( ). Die entsprechenden M-n-Kennlinien eines fremd-erregten Gleichstrommotors zeigt Abb.16-2 für unterschiedliche Erregerwerte (Nennerregungund Feldschwächung für die 1,25- bzw. 1,5-fache Leerlaufdrehzahl. Die maximale Steilheit derM-n-Kennlinie (d. h. das Verhältnis M/ n bei Nennwerten) ist durch die Maschinendatenfestgelegt und verhält sich umgekehrt proportional zum Ankerwiderstand RA.

Durch eine Feldschwächung zur Erhöhung der Leerlaufdrehzahl wird die Steilheit der M-n-Kennlinie reduziert (die Kennlinie wird „weicher“).

Der Ankerstrom darf den Nennstrom nicht überschreiten. Im Feldschwächbetrieb ist daherdas verfügbare Drehmoment reduziert.

M 0

RA

c cM2M bzw. M

c cM2

RA0

(16.4)

Zur Steuerung des Ankerstromes IA kann z. B. eine B6C-Schaltung (Drehstromspeisung) oderein Gleichstromsteller (DC-Speisung, siehe Kapitel 18.3) eingesetzt werden [25].

Abbildung 16-2

M-n-Kennlinie eines Gleichstrommotors (DC-Motor)

Die Leerlaufdrehzahl n0 wird bei IA = 0, Nennfluss nund Nennspannung Un erreicht (theoretischer Wert!).

Die Neigung der Kennlinie ist durch denAnkerwiderstand RA bestimmt. Durch Feldschwächungwird die Neigung der Kennlinie vergrößert.

n / n0

RA > 0

00 1,0 1,5

n1

n0,8

n0,67

MM n

1

Nennpunkt Pn

16.1 Gleichstrommaschinen 263

Bei der B6-Schaltung nach Abb. 16-3a wird der Ankerstrom und bei Nebenschlusserregungauch der Erregerstrom eine Welligkeit 6-facher Netzfrequenz aufweisen. Zur Reduzierung derWechselstromverluste kann deshalb auch der Stator geblecht ausgeführt werden. Diezusätzliche Glättungsdrossel Ld soll die Stromwelligkeit im Anker reduzieren. Der Gleich-strommotor mit elektrischer Erregung kann im Prinzip auch direkt mit Wechselspannungbetrieben werden. Dann wird auch die Erregerwicklung mit Wechselspannung gespeist. ZurVermeidung von Wirbelströmen muss in diesem Fall auch der Stator geblecht ausgeführtwerden. Der Erregerstrom hat aufgrund der Induktivität der Erregerspule gegenüber derSpannung eine induktive Phasenverschiebung ( ), wodurch das Drehmoment nach Gl. (16.1)mit dem cos( ) reduziert ist (für 90° geht M 0). Damit der Ankerstrom IA mit demErregerfeld gleichphasig ist, wird die Erregerwicklung mit dem Anker in Reihe geschaltet.Der Gleichstrommotor wird dann als Universalmotor bezeichnet und kann an Gleich- undWechselspannung betrieben werden. In Abb. 16-4a ist eine Wechselstromanwendung darge-stellt. Zur Steuerung des Ankerstromes IA ist ein Wechselstromsteller (Triac) mit dem Anker inReihe geschaltet (siehe Kapitel 7.6.2). Über den Steuerwinkel wird der Effektivwert desAnkerstromes IA eingestellt. Der Universalmotor mit Choppersteuerung nach Abb. 16-4b kannmit Gleich- und Wechselstrom gespeist werden. Der Motorstrom wird über Pulsbreiten-steuerung (PWM) eingestellt. Durch die hohe Chopperfrequenz (z. B. 20 kHz) arbeitet derMotor im Vergleich zur Triacsteuerung sehr geräuscharm und die Netzrückwirkungen fallenwesentlich günstiger aus. Ein Zusatzfilter am Eingang der Gleichrichterbrücke hält dieschaltfrequenten Stromoberschwingungen von Netz fern.

Durch die Reihenschaltung verhält sich der Erregerfluss proportional zum Ankerstrom IA.

cE IA (16.5)

Abbildung 16-4 Ausführungsbeispiel für einen UniversalmotorZur Steuerung ist in a) ein Triac als Wechselstromsteller eingesetzt. In b) erfolgt dieSteuerung des Motorstromes über einen Gleichstromsteller (DC-Chopper).

Abbildung 16-3 Speisung eines DC-Motors aus dem Drehstrom und Gleichspannungsnetz

Mud

ud~

Ud

IA

Ld

B6C

Mud Ud

IA

UB

Ld

a) b)

M

IA

uN

Power MOS

M

IA

uN

a) b)


Damit erhält man für das Drehmoment:

M cM IA cM cE IA IA cR IA2 (16.6)

Im Leerlauf ist der Erregerstrom nahezu Null, so dass nach Gl. (16.3) Reihenschlussmotorenwegen 0 nach Gl. (16.3) eine nahezu unendlich hohe Leerlaufdrehzahl haben. Sie werdendaher vorzugsweise für Aufgaben eingesetzt, bei denen ein Leerlaufbetrieb praktisch nichtauftreten kann. Typische Anwendungen für den Universalmotor sind daher elektronischgeregelte Haushaltsgeräte, Handbohrmaschinen, Staubsaugerantriebe. Wegen des hohenAnlaufmomentes werden Sie oft für Traktionsantriebe eingesetzt.

16.2 ElektronikmotorEine andere Ausführung der Gleichstrommaschine erhält man, wenn man die Funktionen vonRotor und Stator vertauscht, d. h. der Rotor wird als Erregersystem verwendet und die Funktiondes Ankers wird in den Stator verlagert. Im einfachsten Fall erhält der Rotor einedauermagnetische Erregung. Das Weiterschalten der Ankerstromes im Stator erfolgt nicht mehrüber einen mechanischen Kommutator, sondern elektronisch über drehwinkelabhängiggesteuerte Schalttransistoren. Dadurch entfallen die einschränkenden Eigenschaften dermechanischen Kommutierung, so dass der Elektronikmotor sowohl für Drehzahlen nahe Nullmit hohem Drehmoment als auch für sehr hohe Drehzahlen geeignet ist. Wegen derelektronischen Kommutierung wird dieser Gleichstrommotor als Elektronikmotor bezeichnet.Abb. 16-5 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Elektronikmotors.

Die Durchflutung1 ( ) des Stators wird abhängig von der Stellung des Rotors in räumlich 90°versetzte Wicklungen weitergeschaltet. Für die Ansteuerung der Transistoren ist dafür einRotor-Lagegeber erforderlich. Der Rotor erzeugt ein Drehmoment, um sich jeweils in diePosition der eingeschalteten Durchflutung zu drehen. Dieses Moment ist maximal, wenn derRotor quer zu Durchflutung steht. Die Stärke des Rotor-Magnetfeldes bestimmt zusammen mitdem Statorstrom das Drehmoment. Elektronikmotoren werden für kleine Leistungen bismaximal 15 kW eingesetzt. Motoren mit integriertem Lagegeber werden im Allgemeinen alsServomotor bezeichnet.

1 Produkt aus Windungszahl und Strom

Abbildung 16-5

Aufbau des Elektronikmotors

Ausführung mit Dauermagnetläufer alsElektronikmotor.

Ausführung mit ferromagnetischem Läufer mitausgeprägten Polen als elektronischer (geschalteter)Reluktanzmotor.

Die Spulenströme haben einen zeitlich trapez- bzw.rechteckförmigen Verlauf.

16.3 Stromrichtermotor 265

Verwendet man keinen Dauermagnet-Rotor, sondern einen weichmagnetischen Rotor, soentsteht aufgrund der magnetischen Unsymmetrie des Rotors ebenfalls ein Drehmoment(Reluktanzmoment) und man spricht von einem elektronischen Reluktanzmotor (switchedReluctance Motor, SRM).

Abb. 16-7a zeigt die Steuersignale für die 4 Schalttransistoren (T1–T4) für eine konstanteDrehzahl. Die Steuersignale werden aus dem Signal des Rotor-Lagegebers abgeleitet. Dadurchdurchläuft der Durchflutungszeiger des Statorstromes vier feste Winkelpositionen.

16.3 StromrichtermotorEine stromgespeiste Synchronmaschine (SM) nach Abb. 16-8 wird als Stromrichtermotorbezeichnet. Die drei Ständerwicklungen sind in Stern geschaltet, zwei Stränge sind immerstromführend.

Kennzeichen des Stromrichtermotors ist die Selbststeuerung, d. h. die Steuerung des Strang-stromes erfolgt abhängig von der Lage des Polrades.

Der Betrag des Strangstromes wird über den Gleichstrom des netzgeführten Stromrichters ein-gestellt. Im Allgemeinen wird im Gleichstromzwischenkreis, d. h. zwischen dem netzseitigenund maschinenseitigen Stromrichter, eine Glättungsinduktivität Ld vorgesehen, um dieStromrichter energetisch zu entkoppeln.Der maschinenseitige 3-phasige Thyristorstromrichter wird von einem Polrad-Lagegeber (PLG)gesteuert. Der Strangstrom hat einen nahezu rechteckförmigen Verlauf, die Flankensteilheit istallein durch die Kommutierungsinduktivitäten der Maschine begrenzt. Über die Erregung wirdeine kapazitive Phasenlage des Maschinenstromes ( in Abb. 16-9) eingestellt. Damit erfolgtdie Ventilablösung (Kommutierung) des maschinenseitigen Stromrichters allein durch die Pol-

Abbildung 16-7

Ansteuersignale derTransistoren und dieentsprechendenDurchflutungszeigerdes Stators

1

4

3

2

T1

T2

T3

T4

Stator-Durchflutungszeiger

Ein

Aus

t1 t2 t3 t4

t

t

t

t

t

Ein

Aus

Ein

Aus

Ein

Aus

Abbildung 16-6 Ansteuerung eines Elektronikmotors

1

1

22

3 4

3

4

00

Ud

T1 T4T3T2

SteuergerätRotorlage

Cd

a) b)


radspannung uP der Synchronmaschine, so dass ein einfacher maschinengeführter Thyristor-Stromrichter im Wechselrichterbetrieb vorliegt. Durch die netzseitige Stromeinprägung kanndas Drehmoment M direkt über den Gleichstrom Id eingestellt werden. Stromrichtermotorenhaben wegen der maschinengeführten Kommutierung vergleichsweise geringe Schaltverlusteund sind daher auch für sehr große Leistungen (bis über 70 MW) geeignet. Da im Stillstand derMaschine keine Polradspannung uP zur Kommutierung der Thyristoren zur Verfügung steht,muss zum Anfahren der Maschinenstromrichter über die Steuerung des Eingangsstromrichterszwangsgelöscht werden (Taktung des Zwischenkreisstromes).Durch den feldorientierten Betrieb beschränkt sich die gesamte Flussverkettung auf die d-Rich-tung des Polrades (Abb. 16-9). Damit ist das Drehmoment der q-Komponente des Ständer-stromes (iS-q) proportional. Die Drehzahl stellt sich proportional zur Gleichspannung Ud einund fällt mit steigender Belastung. Das Drehzahl-Drehmoment-Verhalten zeigt Abb. 16-10 fürunterschiedliche Gleichspannungen Ud. Damit entspricht das Lastverhalten der stromgespeistenSynchronmaschine dem einer spannungsgesteuerten Gleichstrommaschine.

Abbildung 16-8 Prinzipielle Ausführung eines Stromrichtermotors

Abbildung 16-9

Grundschwingungs-Zeigerdiagramm undErsatzschaltbild eines Stromrichtermotors

Der maschinenseitige Stromrichter stelltuS und ein.iS

uL

uPuS uS

d

iS-q

iS-d

d

q

uP

uLiS

Ersatzschaltbild

Abbildung 16-10

Drehmoment-Drehzahl Kennlinie des Stromrichtermotors

Einfluss der Gleichspannung Ud auf die Leerlaufdrehzahl.

Einfluss des Drehmomentes M auf die Betriebsdrehzahl.

M

n

Ud

00

SM

Steuerung

PLG

LdB6C Stromrichtermotor

Rotorstellung

Id

Ud

SteuerungM

L1

L2

L3

16.4 Drehfeldmaschinen 267

16.4 DrehfeldmaschinenBei den Drehfeldmaschinen (DM) unterscheiden wir je nach Rotorausführung zwischen demTyp der Asynchronmaschine (DAM) und dem der Synchronmaschine (DSM). Schwerpunkt derfolgenden Betrachtungen sei die Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer. Es sollen an dieserStelle auch nur die Eigenschaften betrachtet werden, die im Hinblick auf das Zusammenwirkenvon Stromrichter und Maschine sinnvoll sind. Deshalb wird im Folgenden nur eineModellierung der Drehfeldmaschine als Standardlast für einen Stromrichter gewählt.Drehfeldmaschinen bestehen aus einem Stator mit drei sinusförmig am Statorumfang verteiltenWicklungen (Windungszahl NS), die einen sinusförmigen Strombelag am Luftspalt derMaschine erzeugen, und einem drehbar gelagerten Rotor. Wird an die Statorwicklung einsymmetrisches Drehspannungssystem angeschlossen, so kann man sich aufgrund der Wick-lungsanordnung in der Symmetrieachse der Maschine einen kontinuierlich mit der Drehfeld-frequenz S rotierenden Spannungs-Raumzeiger u vorstellen. Dieser Spannungszeiger erzeugtüber den Magnetisierungsstrom iμ ein magnetisches Feld, welches durch den Flusszeiger

= ej St beschrieben wird.

Befindet sich im Rotor der Maschine ebenfalls eine elektrische Wicklung wie im Stator (NR)und wird der Rotor mit m = 0 zunächst als ruhend angenommen, so induziert der mit derRotorwicklung verkettete Flusszeigers R im Läufer eine Spannung uR mit der Frequenz desDrehfeldes, S. Diese Anordnung entspricht einem leerlaufenden Transformator. Ist dieLäuferwicklung wie in Abb. 16-11 kurzgeschlossen, so stellt sich als Folge dieser induziertenSpannung in der Läuferwicklung ein Wechselstrom iR der Frequenz R ein.Bei m = 0 hat der Läuferstrom Drehfeldfrequenz, R = S. Die Amplitude und Phasenlagedes Läuferstromes iR ist vom ohmschen (R2) und induktiven Widerstand ( R LR) der Läufer-wicklung abhängig. Das Magnetfeld des Läuferstromes induziert seinerseits in der Stator-wicklung NS eine elektrische Spannung und erzwingt über das Durchflutungsgleichgewicht (NSiS = NR iR) den Statorstrom iS. Flusszeiger und Stromzeiger i stehen im Luftspalt konstruktivbedingt senkrecht zueinander (in Gl. (16.7) beträgt = 90°). Das Vektorprodukt von (Stator-)Flusszeiger und (Rotor-)Stromzeiger i ergibt mit der Leiterlänge l die tangential zum

Abbildung 16-11

Aufbau einer Drehfeldmaschinemit Kurzschlussläufer (DAM)

m: Drehzahl

m

Stator

NS NR

Luftspalt

Welle

Rotor

U

V

W

RotorwicklungNR

StatorwicklungNS


Rotorumfang wirkende Lorentzkraft. Über den Rotorradius als Hebelarm erhält man schließlicheine Beziehung für das Drehmoment M mit Gl. (16.7).

(16.7)

Ist die Drehzahl des Rotors m größer Null, so vermindert sich die Rotorfrequenz R. DieRotorfrequenz berechnet sich mit der Polpaarzahl p des Motors nach Gl. (16.8).

R S p m (16.8)

Mit der Rotorfrequenz R ändert sich die Höhe der induzierten Läuferspannung und derinduktive Läuferwiderstand. Amplitude und Phasenlage des Läuferstroms iR ändern sichebenfalls mit R. Da sich der Stromzeiger des Läufers iR mit dem Rotor als Koordinatensystemmit dreht, läuft er immer mit der Drehfeldfrequenz S um. Er hat jetzt aber einedrehzahlabhängig veränderte Amplitude und Phasenlage. Mit zunehmender Drehzahl mvermindert sich R, wodurch der Phasenwinkel des Läuferstroms iR relativ zur induziertenSpannung uR weiter abnimmt. Wegen der gleichzeitigen Abnahme der induzieren Spannung uinimmt auch die Amplitude des Läuferstrom mit wachsendem m immer weiter ab. DiesenZusammenhang beschreibt allgemein die Stromortskurve der Asynchronmaschine nach Abb.16-12 [25].

Dreht sich der Rotor schließlich mit Drehfeldfrequenz ( m = S/p), so ist der Läuferstrom unddamit das Drehmoment Null. In diesem Punkt unterscheiden sich die zwei Arten von Dreh-feldmaschinen. Bei der Asynchronmaschine dreht sich aus der Statorsicht der Läuferstrom-zeiger immer mit der Drehfeldfrequenz S. Beim so genannten asynchronen Lauf, d. h. für ( m< S/p) dreht sich der Läufer zwar langsamer als es die Drehfeldfrequenz S vorgibt, da imLäufer aber ein Wechselstrom fließt, summieren sich nach Gl. (16.8) zu jedem Zeitpunktmechanische Drehzahl m mit der elektrischen Läuferfrequenz R zur Drehfeldfrequenz S.Die Differenzfrequenz ( S - m) wird aus praktischen Gründen bezogen auf S als Schlupf sangegeben. Im Stillstand ist s = 1, bei synchroner Drehzahl ist s = 0. Bei Nenndrehzahl giltannähernd: 0,02 s 0,04.

M ~ i I sin I für 90°

Abbildung 16-12

Idealisierte Stromortskurve einer spannungsge-speisten DAM ( L konstant)

Der Stator-Stromzeiger iS ist gegenüber dereingeprägten Ständerspannung uS stets nach-eilend. Daraus folgt:

Die DAM verhält sich in jedemBetriebspunkt induktiv.

Die Steuerung der DAM ist nur miteinem selbstgeführten Stromrichtermöglich.

L = konstant

iμ

eS

iS

1

Motorbetrieb, s 0

Generatorbetrieb, s 0

L

S c h

l u p

f s

s = 0

16.4 Drehfeldmaschinen 269

Schlupf s S m

S(16.9)

Die Kenntnis der mechanischen Rotorlage ist für den Betrieb einer Asynchronmaschine amStromrichter nicht erforderlich. Zur Beschreibung der elektrischen Verhältnisse aus Sicht desStromrichters genügt daher ein vereinfachtes, auf den Ständer bezogenes Ersatzschaltbild inRaumzeiger-Darstellung nach Abb.16-13.

Dieses Ersatzschaltbild basiert auf der Beschreibung einer ASM mit Raumzeigern im ständer-bezogenen -Koordinatensystem [4, 5]. Die Rotorflussverkettung | R| ist näherungsweisekonstant angenommen. Die Parameter beziehen sich auf eine zweipolige Asynchronmaschine(Polpaarzahl p = 1).

L LS

Lh2

LRe j S

LhLR

R ej S t (16.10)

Allgemein wird die Maschine mit einem konstanten magnetischen Fluss R betrieben, wo-durch sich |e| proportional zu S verhält. Der Stromrichter wird dazu so gesteuert, dass sichunabhängig von der Drehzahl ein konstantes Verhältnis U/f ergibt. Oberhalb der Nennfrequenzkann die Spannung nicht weiter angehoben werden, so dass daher der magnetische Fluss sinkt,man betreibt die Maschine dann mit konstanter Leistung im Feldschwächbetrieb (Abb. 16-14).

Das Ersatzschaltbild nach Abb. 16-13 beschreibt prinzipiell auch die Verhältnisse beim Typeiner magnetisch symmetrischen Synchronmaschine (DSM). Der Unterschied ist lediglichdarin zu sehen, dass der Läufer einer SM stets mit Drehfeldfrequenz S drehen muss (Schlupfs = 0, m = S/p), da in den Läuferwicklungen kein Wechselstrom zum Ausgleich unterschied-

Abbildung 16-13

ASM-Ersatzschaltbild mit konstanter RotorflussverkettungDie Größen des Ersatzschaltbildes sind auf die Statorseiteumgerechnet

– dadurch ist in Gl. (16.10) der Ausdruck LhLR

enthalten.

LRS

e uS

iS

uS*

Abbildung 16-14

Drehmoment, U/f-Kennlinie und

Der Einfluss von RS auf US beikleinen Frequenzen kann durch eineAnhebung der Spannung für f < fminkompensiert werden (Boost).

US: KlemmenspannungUS*: Spannung an der

HauptinduktivitätMK: Kippmoment (DAM)

f

EckfrequenzUn

fn

Feldschwächbereich

R

fminfmax

U = konstant

US*

US

RS

~ 1f

~ 1f

~ 1f 2

MK

M

MU


lichen Drehzahlen von Drehfeld und Läufer fließen kann. Die Frequenz des Läuferstromes istalso stets R = 0, d. h. es fließt in der Läuferwicklung ein Gleichstrom oder es ist eine dauer-magnetische Erregung vorhanden. Die praktische Folge ist, dass zum Betrieb einer Synchron-maschine am Stromrichter zur Einstellung der Phasenbeziehung zwischen Fluss- undStromzeiger ein Rotorlagegeber vorgesehen werden muss. Durch den Einsatz eines Rotorlage-gebers ist es auch möglich, die Synchronmaschine mit kapazitiver Phasenlage zu betreiben,wodurch die lastgeführte Kommutierung eines Wechselrichters mit Thyristoren möglich ist(Stromrichtermotor).

Bei der Synchronmaschine wird die Erregerleistung nicht über den Stator übertragen, wasden Umrichter entlastet. Durch den Betrieb mit s = 0 hat die Synchronmaschine auch den besseren Wirkungsgrad,wodurch sie für größte Leistungen geeignet ist.

Den Leistungsfluss von Synchron- und Asynchronmaschine zeigt Abb. 16-15.

Aufgabe des Wechselrichters ist es, eine sinusförmige Spannung einstellbarer Frequenz undAmplitude (bei der Synchronmaschine auch Phasenlage) zu erzeugen. Da ein Wechselrichter nur im Schalterbetrieb arbeitet, treten in der Spannung und im StromOberschwingungen auf. Die Folge sind elektrische Zusatzverluste und mechanischePendelmomente und Geräusche.

Abbildung 16-15 Leistungsbilanz von Synchron- und Asynchronmaschine

PD

PS = s · PD

Pm = (1 s) · PD

Pm = PDPD

PD: DrehfeldleistungPS: Schlupfleistung

Asynchronmaschine(DAM)

Synchronmaschine(DSM)

Abbildung 16-16

Betriebszustände einer DAM mit eingeprägterSpannung

Die Betriebsart als Motor oder Generatorist durch das Vorzeichen des Dreh-momentes M festgelegt.

GEGENSTROM-BREMSE

1 s0

M

1

untersynchron

MOTOR

GENERATOR

übersynchron

16.5 Zusatzverluste durch Stromrichterspeisung 271

16.5 Zusatzverluste durch StromrichterspeisungEin Stromrichter stellt stets eine rechteckförmige Wechselspannung zur Verfügung. DerEffektivwert der Spannung setzt sich aus einem Grundschwingungsanteil U1 und einemVerzerrungsanteil UVZ zusammen (s. Kap. 15) und kann allgemein mit Gl. (16.11) beschriebenwerden.

U U12 UVZ

2 mit U VZ5U2 und U k

u,U1 folgt:

U U1 15k u,

2

(16.11)

Der Faktor ku, ist bei reiner Sinusform der Spannung Null. Im getakteten Betrieb (q = 1,rechteckförmige Spannung ) verhält sich ku, entsprechend Gl. (16.12). Für den gepulstenBetrieb (q > 1) folgt ku, aus der Fourieranalyse der jeweiligen Spannungskurvenform u.

ku,1

(16.12)

Für den Stromeffektivwert I folgt analog zu Gl. (16.11):

mit I ki,I1 folgt: I I1 1

5k

i,2 (16.13)

Die Stromrichterspeisung führt durch die Verzerrungsanteile zu einer Anhebung desGesamt-Effektivwertes von Strom und Spannung – und damit zu einem Anstieg derStromwärmeverluste der Maschine, ohne die Leistung der Maschine zu steigern.

Hierbei ist noch zu beachten, das sich für höhere Ordnungszahlen ein Widerstandsanstieg durchden Skin-Effekt bemerkbar macht. Gl. (16.14) und (16.15) zeigen die Berechnung derStromwärmeverluste PCu bei Stromrichterspeisung einer Asynchronmaschine unter Berück-sichtigung des frequenzabhängigen ohmschen Widerstandes von Ständer (RS, ) und Läufer(RR, ). Der jeweils erste Summand beschreibt die Grundschwingungsverluste, der zweiteSummand die Zusatzverluste durch Stromrichterspeisung.

Ständerverluste: PCu,S 3 IS, 12 RS,1

5IS,

2 RS, (16.14)

Läuferverluste: PCu,R 3 I R,12 RR,1

5I R,

2 RR, (16.15)

Wegen der thermischen Bestimmung der Bemessungsleistung eines Antriebes muss diemechanische Leistung eines Antriebes um den Anteil dieser Zusatzverluste reduziert werden- oder ein Motor mit entsprechend vergrößerter Bemessungsleistung gewählt werden. Mankann dabei von einer pauschalen Leistungsminderung von bis zu 10 % ausgehen.Wegen des Skin-Effektes kann eine Anhebung der Wechselrichter-Taktfrequenz zu er-höhten Zusatzverlusten führen.


16.6 Leistungssteuerung bei konstanter Ständerfrequenz

Diese Verfahren nach Abb. 16-17 sind nur möglich bei einer Asynchronmaschine. Die Leis-tungssteuerung erfolgt über den Schlupf s. Die Schlupfleistung PS wird entweder in einemexternen Widerstand (gepulster Läuferwiderstand) oder allein im Rotorwiderstand in Wärmeumgewandelt (Drehstromsteller). In jedem Falle hat der Antrieb wegen der Schlupfleistungeinen schlechten Wirkungsgrad. Besser ist es, wenn die Schlupfleistung aus dem Läufer übereinen Umrichter abgeführt und wieder dem speisenden Netz zurückgeliefert wird. SolcheAnordnungen werden als Stromrichterkaskaden bezeichnet (USK/OSK). Den Leistungsflussverdeutlicht Abb. 16-18.

Abbildung 16-17 Steuerverfahren mit konstanter Ständerfrequenz

Ständerspannung gesteuert Läuferspannung gesteuert

Läuferwiderstand Gegenspannung

gepulster Läuferwiderstand USK/OSKDrehstromsteller

Asynchronmaschine (ASM)

Schleifringläufer Käfigläufer

Abbildung 16-18 Leistungsfluss bei Drehzahlsteuerungen mit konstanter Ständerfrequenz

Wellenleistung Pm = (1-s) PD PD : Drehfeldleistung

PS

PD PmPNetz

Umrichter3~

3~

PR

Pm PD

Stromrichterkaskade, Motorbetrieb

PS = s · PDPS : Schlupfleistung

Pm PD

RSchlupfsteuerung

SchleifringläuferKäfigläufer

16.6 Leistungssteuerung bei konstanter Ständerfrequenz 273

16.6.1 Drehstromsteller W3Der Drehstromsteller W3 besteht aus drei Wechselstromstellern W1 und steuert den Effektiv-wert des Drehspannungssystems. Bedingt durch die Anschnittsteuerung ist das Spannungssys-tem oberschwingungshaltig, wodurch in der Maschine Zusatzverluste und Geräusche entstehen.

Das erzeugte Drehmoment MM ändert sich mit dem Schlupf s nach der Klossschen Formel (Gl.(16.16)), das Kippmoment MK ändert sich quadratisch mit der Ständerspannung US.

sK: Kippschlupf

US: Ständerspannung

US,n: Nennspannung

(16.16)

Der Schnittpunkt des Lastmomentes ML mit der Drehmomentkurve der ASM kann sinnvollerWeise nur oberhalb der Kippdrehzahl nK liegen. Deshalb ist diese Art der Leistungssteuerungnur für einen kleinen Drehzahlbereich geeignet. Die Schlupfleistung PS entsteht allein imLäufer, so dass bei Dauerbetrieb mit erhöhtem Schlupf eine vergrößerte Bemessungsleistungder Maschine erforderlich ist. Für den Wirkungsgrad gilt Gl. (16.17).

Wirkungsgrad: PmPD

100 % 1 s 100 % (16.17)

Abbildung 16-19

DrehstromstellerDer Drehstromsteller steuert den Effektivwert derMotorspannung durch Phasenanschnittsteuerung. Da-durch kann das Drehmoment der Maschine abgesenktwerden. Die Drehzahländerung ergibt sich durch denArbeitspunkt mit dem Gegenmoment.

Das Verfahren hat wegen der hohen Schlupf-leistung einen schlechten Wirkungsgrad .

u1

ASM

M, n

W3

u2

u3

Abbildung 16-20

Steuerung des DrehmomentesDie Drehzahl ergibt sich durch den Schnittpunktvon Drehmoment- und Gegenmomentkurve. DerArbeitspunkt ist stabil, wenn

M L M M und d M M d n

d M L d n

Dieses Verfahren ist günstig für Lasten mit qua-dratischen bzw. kubischen Drehmomentverlaufüber der Drehzahl wie z. B. Pumpen und Lüfter.

Die Drehzahl n liegt im Bereich nK < n < nS.nS: synchrone Drehzahl

M M M K2

sKs

ssK

mit M K

USU S,n

2

nS

ML (n)MK

M Parameter UU n

1,0

0,9

0,7

0,5

nnK

Drehzahlstellbereich

MM


16.6.2 Pulsgesteuerter Läuferwiderstand

Der Kippschlupf sK einer DAM verhält sich proportional zum Läuferwiderstand. Zur Steuerungdes wirksamen Läuferwiderstandes dient ein pulsgesteuerter Widerstand nach Abb.16-21.

Der Gleichstrom Id wird durch die Drossel Ld ideal geglättet. In den Rotorwicklungen fließtdaher ein blockförmiger Wechselstrom mit dem Effektivwert I2 (Abb. 16-21). Die auf derLäuferseite umgesetzte Wirkleistung PS setzt sich aus einem rotorseitigen Anteil (R2) undeinem Anteil des externen Widerstandes R zusammen. Der externe Widerstand wird über denThyristor T mit der Taktfrequenz fT = 1/T gesteuert und geht mit dem Effektivwert RX in dieLeistungsrechnung nach Gl. (16.18) ein.

PS 3 I 22 R2 I d

2 RX 3 R2 R2Z I 22 mit R2 Z

RX3

I dI 2

2

PS: Rotorleistung, R2: Rotorwiderstand

(16.18)

Der wirksame Läuferwiderstand ist der um den R2Z vergrößerte Wert von R2. Bei nicht-lückendem Strom Id ergibt sich Gl. (16.19) für den Zusammenhang zwischen dem GleichstromId und dem Effektivwert des Läuferstromes I2. Durch Einsetzen in Gl. (16.18) folgt Gl. (16.20).

I dI 2

32 (16.19) R2Z

RX2

(16.20)

Abbildung 16-21

DAM mit Schleif-ringläufer undpulsgesteuertemLäuferwiderstand

GR

f1 = 50 Hz

f2

Ld

Id

ASM R

RX

i2

T

id

Idt

i2Id

t

Pm

M, n

Abbildung 16-22

Ermittlung des effektiven Widerstandes RXT = Taktperiode, TE = Einschaltdauer, a = Aussteuerung

RX R 1 a mit aT ET

TTE

R

RX0 t


Über die Aussteuerung a des Thyristors T kann daher die Drehmomentkennlinie nach Abb.16-23 eingestellt werden.

16.6.3 Stromrichterkaskade

Wenn die im Rotor auftretende Schlupfleistung PS über einen Frequenzumrichter (FU) wiederin das Netz zurückgespeist wird, so lassen sich die Verluste des vorherigen Verfahrens weitge-hend vermeiden und man erhält einen Antrieb mit sehr hohem Wirkungsgrad. Der läuferseitigeFrequenzumrichter muss für die Schlupfleistung der Asynchronmaschine bemessen sein. Jenach Anwendungsfall bis ca. 20 % der Maschinen-Bemessungsleistung. Die Zusammenschal-tung von Asynchronmaschine und Frequenzumrichter nach Abb. 16-24 wird als Stromrichter-kaskade bezeichnet. Wir unterscheiden zwischen Stromrichterkaskaden mit Strom- und Span-nungszwischenkreisumrichter sowie Stromrichterkaskaden mit Direktumrichter.

(16.21)

Die Steuerung von PS erfolgt über den Frequenzumrichter (FU).

Abbildung 16-23

Drehzahlverstellung bei konstantem Kippmoment MK

Die zusätzliche Schlupfleistung fällt außerhalb derMaschine an.

Aufgrund der hohen Schlupfleistung hat dieses Ver-fahren jedoch einen schlechten Wirkungsgrad.

Die Betriebsdrehzahl stellt sich über den Schnittpunktmit der Lastmomentkennlinie analog zu Abb. 16-20 ein.

nS

M

n

RX

MK

Drehzahlstellbereich

Abbildung 16-24

Stromrichterkaskade

Der Frequenzumrichter (FU) speist die Schlupf-leistung PS in das speisende Netz zurück. Beiidealer Maschine und idealem FU entstehendabei keine Verluste. Abhängig vom Umrichter-typ kann durch Steuerung der Leistung PS nachGl. (16.21) die Drehzahl n in weiten Grenzenverstellt werden und zwischen motorischem undgeneratorischem Betrieb umgesteuert werden.

P1: zugeführte LeistungPD: Drehfeldleistung, PS: SchlupfleistungPm: mechanische Leistung

FU

PD

PS = s PD

PS

Pm = (1-s) PD

ASM3~ 3~

3~

(U1, f1 )

(U2, f2)

U1, f1

n

P1 = (1-s) PD

n nS 1 s mit nS

f 1p

und sPSP1


16.6.3.1 Ausführung mit Stromzwischenkreis

In Abb. 16-26 ist der Stromrichter über eine ungesteuerte B6-Diodenbrücke mit dem Zwischen-kreis verbunden. Der Zwischenkreisstrom Id ist mit Gl. (16.19) direkt proportional zumLäuferstrom. Die Kommutierung des läuferseitigen Stromrichters GR erfolgt maschinengeführtdurch die Rotorspannung. Ld begrenzt die Welligkeit von id und verhindert ein Stromlücken.Die Rotorfrequenz f2 wird nicht beeinflusst, der asynchrone Charakter der Mn-Kennlinie bleibterhalten.

Abbildung 16-25

Drehzahlsteuerung mit einer Stromrichter-kaskade

Die Asynchronmaschine ist statorseitig miteiner festen Frequenz f1 gespeist, wodurchdie synchrone Drehzahl nS als Bezugsgrößefestliegt.

Die seitliche Verschiebung der Kennlinienerfolgt durch den rotorseitigenFrequenzumrichter.

0

M

MOTOR

GENERATOR

nnS

1

ÜbersynchronUntersynchron

Abbildung 16-26 Stromrichterkaskade mit Stromzwischenkreisumrichter

GR

ASM

WR

f1 = 50 Hz

Trafo

f1

f2 = (1-s) f1

Ld

Ud

id

t

tId

t

f1

Id

Id

Gegenspannung

iR1

id

P2

iU

iS1

i1

iR1 iU

Pm

M, n


Die Leistungssteuerung erfolgt über die Gleichspannung Ud des netzseitigen Stromrichters.Dieser stellt für den Läufer eine konstante Gegenspannung Ud dar. Für Ud = 0 V verhält sichdie ASM wie eine Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer. Arbeitet der Netzstromrichter alsWechselrichter (WR), so ist Ud < 0, wodurch der Nulldurchgang der Mn-Kennlinie schon beiDrehzahlen kleiner als nS erfolgt. Die ASM arbeitet im untersynchronen Drehzahlbereich. DasSystem wird daher als untersynchrone Stromrichterkaskade (USK) bezeichnet. Durch deneingeprägten Zwischenkreisstrom (siehe id und iU in Abb. 16-26) können ungünstige Dreh-momentpendelungen und Netzrückwirkungen auftreten.Wird auch der maschinenseitige Gleichrichter als steuerbare Brücke (B6C) ausgeführt, so kanndie Energieflussrichtung umgekehrt werden, d. h. dem Läufer kann Energie über denZwischenkreis zugeführt werden. In diesem Fall arbeitet der maschinenseitige Stromrichter alsWechselrichter, und der netzseitige Stromrichter als Gleichrichter. Die Gleichspannung Udunterstützt den Zwischenkreisstrom Id. Der Nulldurchgang der Mn-Kennlinie wird zuDrehzahlen oberhalb der synchronen Drehzahl nS verschoben (s < 0 ). Daher nennt man dieseSchaltung übersynchrone Stromrichterkaskade (ÜSK).Die Stromrichterkaskade wird häufig zur Leistungssteuerung von Windkraftgeneratoren(optimaler Arbeitspunkt) eingesetzt. Die Drehmomentkennlinie eines Windgenerators zeigtAbb. 16-28 zusammen mit der Kennlinie einer Schleifringläufer-Asynchronmaschine (DAM).

16.6.3.2 Spannungszwischenkreis

Durch den Einsatz selbstgeführter Stromrichter kann die Rotorfrequenz f2 von Außen einge-stellt werden, so dass sich die mechanische Drehzahl aus dem Verhältnis von Rotor- und Sta-

Abbildung 16-28

Drehmoment-DrehzahlKennlinien einesWindrades mit einerAsynchronmaschine alsGenerator

(Parameter: vWind)

Abbildung 16-27

Unter- und übersynchrone Betriebsart

Der netzseitige Stromrichter steuert dieSpannung Ud, Ld entkoppelt die Span-nungsoberschwingungen von netz- undmaschinenseitigen Stromrichtern

oben: Untersynchrone Kaskade (USK)

unten: Übersynchrone Kaskade (ÜSK)

B6

Id Ld

Ud

U1, f1 U2, f2PASM

B6C

Id Ld

Ud

U1, f1 U2, f2PASM

vWind

Drehzahl

Dre

hmom

ent

optimaler Arbeitspunkt

Windrad

ASM


torfrequenz ergibt. Die Maschine verliert dabei ihren asynchronen Charakter und verhält sichwie eine Synchronmaschine. Der Energieaustausch wird über die Einstellung der Phasenlagegesteuert, wobei auch induktives und kapazitives Verhalten der Maschine erzeugt werden kann.Die Schaltung ist wegen der günstigen Netzverhältnisse sehr gut für die Anwendung beiWindgeneratoren geeignet. Ein solches Anwendungsbeispiel zeigt Abb. 16-29.

In Abb. 16-29 entnimmt der rotorseitige Pulsgleichrichter (PGR) der Asynchronmaschine(ASM) die Schlupfleistung mit sinusförmigem Strom. Die Frequenz f2 des PGR wird mit Gl.(16.8) so vorgegeben, dass sich auf der Statorseite die Frequenz f1 einstellt. Der Pulswechsel-richter (PWR) speist die Schlupfenergie mit ebenfalls sinusförmigem Strom der Frequenz f1 indas Netz zurück. Dabei kann die Phasenlage des Netzstromes beliebig induktiv oder kapazitiveingestellt werden. Der Zwischenkreiskondensator Cd entkoppelt die Stromoberschwingungender einund ausgangsseitigen Stromrichter. Zur Unterdrückung höherfrequenter Störströmekönnen Drosseln oder ein Anpasstransformator vorgesehen werden. Zur Inbetriebnahme desGenerators kann die Rotordrehzahl mit Netzunterstützung in den Bereich der Nenndrehzahlhochgefahren werden. Die Wirkungsrichtung des Umrichters ist dann umgekehrt wie imGeneratorbetrieb. Die gleiche Funktion wie der Umrichter mit Spannungszwischenkreis kannauch über einen 3-phasigen Direktumrichter (DU) im Läuferkreis erreicht werden. Diesererlaubt die Einstellung von Rotorfrequenzen im Bereich von 0 % bis 40 % der Frequenz desspeisenden Netzes. Der DU erreicht aber nicht die Qualität der Stromkurvenformen wie derSpannungszwischenkreisumrichter. Näheres zum DU siehe Kapitel 16.7.1.

Abbildung 16-29 Anwendungsbeispiel: IGBT-bestückter Leistungsteil einer Windkraftanlage

PGR

ASM

PWR

50 Hz

Trafo 1700 kVA

i2 (f2)

t t

ud Ud

t

Ud

350 kW

115

0 kW

in (50 Hz)

id

Cd P2

Pm

n

16.7 Leistungssteuerung bei variabler Ständerfrequenz 279

16.7 Leistungssteuerung bei variabler StänderfrequenzDurch eine frequenzabhängige Spannungssteuerung (U/f-Steuerung) kann in der Drehfeldma-schine bei allen Drehzahlen ein konstanter magnetischer Fluss eingestellt werden. Für die Asyn-chronmaschine bedeutet dies einen drehzahlunabhängigen Schlupf, woraus ein sehr guterWirkungsgrad und eine günstige Maschinenausnutzung folgt. Durch den konstanten Fluss kannnach Abb. 16-25 das Anfahr- bzw. Stillstandsmoment gleich dem Nennmoment gewähltwerden. Abb. 16-30 gibt eine Übersicht über die entsprechenden Verfahren. Wie in Abb. 16-31dargestellt, wird bei der SM die Magnetisierungsenergie nicht wie bei der ASM über den Statorzugeführt, wodurch der Umrichter entlastet ist.

16.7.1 Prinzip des DirektumrichtersWechselstrom-Direktumrichter bestehen aus der Gegenparallelschaltung zweier netzgeführterB6C-Schaltungen (Teilstromrichter ST1 und ST2) nach Abb. 16-32.

Abbildung 16-31 Aufbau und Leistungsfluss bei Zwischenkreisumrichtern. Im Gegensatz zur SM mussder ASM über den Stator die Magnetisierungsenergie zugeführt werden.

ASM SM

Rotorlage

PSSensor

3~

3~

3~

3~

WR WR Feld

Abbildung 16-30 Antriebe mit Drehfeldmaschinen synchroner und asynchroner Bauart

Direktumrichter Zwischenkreisumrichter

Spannungszwischenkreis Stromzwischenkreis

Ud variabel Ud konstant

Steuerumrichter

Asynchronmaschine (ASM)

Synchronmaschine (SM)

UWR PWR IWR

Id konstant


Werden die Teilstromrichter ST1 und ST2 abwechselnd mit Vollaussteuerung betrieben, soergibt sich die Ausgangsspannung u2 in Abb. 16-33 als Hüllkurve über mehrere Perioden desDrehspannungssystems. Der Umrichter wird dementsprechend als Hüllkurven- oder Trapezum-richter bezeichnet.

Bezeichnet man die Anzahl der Kuppen je Halbschwingung mit n, so beträgt die Ausgangs-frequenz f2 nach Gl. (16.23):

T 2 2 nT 1p1

4 x mit 2 xT 12

T 1p1

folgt: T 2 T 1 2 n 1T 1p1

(16.22)

f 21

T 1 2 n 1T 1p1

bzw. f 2f 1

1

1 2 n 1p1

(16.23)

Die Frequenzeinstellung kann über n nur stufig erfolgen. Ein Frequenzschritt ist über diePulszahl p der Teilstromrichter festgelegt. Die Belastung des DU kann rein ohmsch oderohmsch-induktiv sein. Die Aussteuerung muss der Belastung zur Vermeidung von Kurz-

Abbildung 16-32 Einphasiger Direktumrichter, Schaltbild und Symbol

u2

ST1

i2

ST2

u1, f1 u2, f2

Symbol

Abbildung 16-33 Trapezumrichter mit rein ohmscher Last und n = 6 (ohne stromlose Pause)

T1

t

u2 xxT 1p1

T2

u1

nT 1p1

u


schlüssen angepasst sein. Bei ohmsch-induktiver Belastung wird die Richtungsumkehr derAusgangsspannung nach Abb. 16-34 dadurch bewirkt, dass der stromführende Stromrichterkurzzeitig in die Wechselrichterendlage ( 1 = 150°) gesteuert wird. Durch die Spannungs-umkehr arbeitet der DU als Wechselrichter (WR) und erzwingt einen Nulldurchgang des Aus-gangsstromes. Nach dem Stromnulldurchgang bleiben beide Stromrichter gesperrt (stromlosePause), anschließend wird der Stromrichter für die neue Polarität der Ausgangsspannung in denGleichrichterbetrieb ( 2 = 0°) gesteuert. Ein typischer Anwendungsfall des Trapezumrichterswar bei Diesellokomotiven die 16 ²/3 Hz–Zugsammelschienenversorgung aus einem 3-phasigenDieselgeneratornetz.

Werden die Teilstromrichter sinusförmig gesteuert, so stellt sich die Stromkurvenform weitge-hend sinusförmig ein und die Ausgangsspannung kann über die Aussteuerung eingestelltwerden. Abb. 16-35 zeigt diese Betriebsart als Steuerumrichter am Beispiel der Phasengrößenu2 und i2.

Abbildung 16-35 Strom- und Spannungsverlauf bei sinusförmiger Aussteuerung der Teilstromrichter(Steuerumrichter) und ohmsch-induktiver Last

t

i2

u2

Abbildung 16-34 Trapezumrichter mit ohmsch-induktiver Last

= 150°

WR GR

stromlose Pauseu2

WR GR

i2

t


16.7.2 3-phasiger DirektumrichterZur Erzeugung eines 3-phasigen Drehstromsystems werden drei netzgeführte einphasigeDirektumrichter nach Abb. 16-32 über einen Transformator zusammengeschaltet. Der Transfor-mator ist zur Vermeidung von Phasenkurzschlüssen erforderlich. Derartige Umrichter könnenDrehstromsysteme mit Frequenzen von 0 bis ca. 20 Hz bereitstellen und werden vorzugsweisefür sehr langsam laufende Synchronmaschinen (z. B. Zementmühlenantriebe) eingesetzt.

Eine moderne Variante des Direktumrichters ist der Matrixumrichter (MU). Der MU arbeitetals selbstgeführter Direktumrichter und ist daher mit abschaltbaren Bauelementen wie z. B.IGBTs bestückt und erlaubt durch die höhere Schaltfrequenz eine wesentlich feinere Span-nungseinstellung als der netzgeführte 3-phasige Direktumrichter. Der bisherige Einsatz des MUbeschränkt sich jedoch auf Labormuster.

16.7.3 FrequenzumrichterAls Frequenzumrichter (FU) bezeichnet man ein Stromrichtersystem bestehend aus Eingangs-stromrichter (ESR), Zwischenkreis (ZK) und Ausgangswechselrichter (WR) mit allen erforder-lichen Steuer- und Regel- und Kommunikationseinrichtungen. Die historische Entwicklungspiegelt sich in drei unterschiedlichen Arten von Frequenzumrichtern wieder:

IWR, Stromzwischenkreisumrichter mit Blocktaktung,UWR, Spannungszwischenkreisumrichter mit Blocktaktung,PWR, Spannungszwischenkreisumrichter mit Pulsbreitensteuerung.

Der PWR stellt heute durch die Verfügbarkeit abschaltbarer Ventile den Hauptanteil allerFrequenzumrichter. Der PWR bietet bei hohen Schaltfrequenzen einen annähernd sinusförmi-gen Stromverlauf auf der Maschinen- und Netzseite. Der Frequenzumrichter mit Stromzwisch-enkreis wird häufig bei Synchronmaschinenantrieben im höchsten Leistungsbereich wegen dervergleichsweise geringen Schaltverluste eingesetzt. Zudem kann bei diesem Umrichtertyprelativ einfach über eine B6C-Schaltung eine Energierückspeisung erreicht werden. EineÜbersicht über den Aufbau dieser Frequenzumrichter zeigt Abb. 16-37. In Abb. 16-38 sind fürUmrichter mit Spannungszwischenkreis übliche Einspeisestromrichter aufgelistet. Hierbeistehen die Drehstromanwendungen im Vordergrund. Schaltungen für 1-phasigen Wechsel-strom- und für Gleichstromeinspeisungen sind ebenfalls möglich. Hier sei auf den 1-phasigen-4QS (Kapitel 10.2) bzw. die Gleichspannungswandler (Kapitel 18) hingewiesen.

Abbildung 16-36

3-phasiger Direktumrichter

M3~

U

V

W

T

3

3

3

3


Die Aufgabe eines Einspeisestromrichters (ESR) besteht darin, die Zwischenkreisenergie bereitzu stellen. Abhängig von der Schaltung des Wechselrichters wird ein eingeprägter Strom (IWR)oder eine eingeprägte Spannung (UWR, PWR) benötigt. Während die Zwischenkreisspannungfür den UWR mit der Ausgangsfrequenz des Wechselrichters einstellbar sein muss, benötigt derPWR eine konstante Zwischenkreisspannung. Der IGBT-Ausgangswechselrichter arbeitet z. B.mit PWM und stellt gleichzeitig Spannung und Frequenz der Ausgangssgrößen ein.Bremsenergie muss entweder über einen rückspeisefähigen Eingangsstromrichter in dasspeisende Netz zurückgespeist oder mit einem Bremswiderstand in Wärme umgewandeltwerden. Im einfachsten (und kostengünstigsten) Fall wird eine ungesteuerte B6-Schaltungentsprechend Abb. 16-38 eingesetzt. Zur Reduzierung der Netzrückwirkungen dient eine3-phasige Eingangsdrossel. Die Gleichspannung ist direkt proportional zur Netzspannung, eineEnergierückspeisung ist nicht möglich. Das gilt auch, wenn zur Steuerung der Gleichspannungeine gesteuerte B6-Schaltung zum Einsatz kommt. (Eine Umpolung der Gleichspannung fürden Wechselrichterbetrieb ist beim Spannungszwischenkreis nicht möglich !) Wesentlichkomfortabler ist der Einsatz eines Vierquadrantenstellers nach Abb. 16-38. Hierbei kann dieEnergie beliebig übertragen werden und es treten im wesentlichen nur höherfrequente Netz-rückwirkungen auf. Die Zwischenkreisspannung muss allerdings immer höher als derScheitelwert der Netzspannung sein (siehe Kapitel 10.2.2.2).

Abbildung 16-37 Aufbau von Frequenzumrichtern mit Strom- und Spannungszwischenkreis

DAM DAM

P P

f1

I

Ld

M, n M, n

f1

Cd

IWR UWR

DAM

P M, n

Cd

PWR

U

U, f1

ESR

ZK

WR

FU3 3 3

3 3 3

4QS


ESR-Schaltung Eigenschaften

ungesteuerte B6-Schaltung

Aufnahme von Grundschwingungs-blindleistungVerzerrungsleistung durch nicht sinus-förmigen EingangsstromGleichspannung direkt von der Höhe derEingangsspannung abhängigKeine Energierückspeisung möglich Keine Blindleistungskompensation möglichGeringe Kosten

Vierquadrantensteller (4QS)

Keine Aufnahme von Grundschwingungs-blindleistungSehr geringe Verzerrungsleistung durchsinusförmigen EingangsstromEinstellbare und konstante GleichspannungHohe Gleichspannung (Ud > ûL)Energierückspeisung möglich Blindleistungskompensation möglich Höhere Kosten

Abbildung 16-38 Vergleich möglicher Einspeisestromrichter für eine Drehstromeinspeisung

Die typischen Ausgangsgrößen der Frequenzumrichter zeigt Abb. 16-39. Der IWR liefert einrechteckförmiges Drehstromsystem, der UWR liefert ein rechteckförmiges Drehspannungssys-tem. Die Stromkurvenform ist beim UWR aber schon sinusförmiger als beim IWR. Durch densinusförmig gesteuerten Pulsbetrieb des PWR kann ein nahezu sinusförmiger Stromverlauferreicht werden. Bei hinreichender Schaltfrequenz arbeitet der Antrieb ohne stromrichter-typische Geräusche und das erzeugte Drehmoment ist weitgehend frei von Pendelmomenten.

In allen Fällen mit Spannungszwischenkreis werden dem Umrichtersystem ausgehend vomDrehzahlsollwert nW-Sollwerte für Spannung und Frequenz vorgegeben. Mit diesen Sollwertenwird die synchrone Drehzahl nS der angeschlossenen ASM festgelegt. Die Methode zurErzeugung der Spannungs- und Frequenzsollwerte kann zum einen eine reine Kennlinien-steuerung sein (skalarer Sollwerte, U, f), zum anderen ein mehr oder weniger aufwendigesRegelverfahren mit einem komplexen Sollwert (Spannungsraumzeiger U) darstellen.

Abbildung 16-39 Typische Stromkurvenformen bei unterschiedlichen Frequenzumrichtern

UWR PWRIWR

t t t

1mF540 V

L1L2L3

4mH

3 × 400 V50 Hz

L2L3

L1

750 V1mF

4mH

3 × 400 V50 Hz


16.7.3.1 U/f-Kennliniensteuerung

Die Drehzahlsteuerung erfolgt über Vorgabe der Drehfeldfrequenz f. Damit der magnetischeFluss , und damit das Kippmoment der Maschine, sich nicht mit der Drehzahl ändert, wird beijeder Drehzahlverstellung die Spannung U proportional zu f geändert. Dies ist möglich, solangedie Maschine unterhalb der Nenndrehzahl betrieben wird. Für Drehzahlen oberhalb derNenndrehzahl bleibt die Spannung konstant und der Fluss sinkt proportional zu 1/f. DerZusammenhang von U und f über den gesamten Drehzahlbereich wird durch eine Kennlinienach Abb. 16-14 beschrieben (U/F-KL). Bei einer sprunghaften Änderung des Drehzahl-sollwertes laufen in der Maschine elektromagnetische Ausgleichsvorgänge ab, so dass die Dy-namik des Drehmomentes gering ist. Die Lastabhängigkeit der Drehzahl kann über die Schlupf-kompensation (S-KOMP) in weiten Grenzen kompensiert werden. Bei der Schlupf-kompensation (S-KOMP) wird der lastabhängige Drehzahlabfall der Asynchronmaschine durcheine lastgesteuerte Frequenzanhebung kompensiert. Im Vergleich zum Betrieb am starren Netzist das erreichbare Lastverhalten der Drehzahl dadurch deutlich verbessert, so dass beigeringeren Anforderungen an die Drehzahlgenauigkeit und -dynamik auf eine Drehzahl-regelung verzichtet werden kann. Durch den Betrieb mit konstantem Fluss ist das Nennmomentunabhängig von der Drehzahl (0 < n < nn) und steht ab Drehzahl Null zur Verfügung. Bei sehrkleinen Frequenzen macht sich der Spannungsabfall am ohmsche Widerstand der Wicklungstörend bemerkbar. Die Spannung wird dann zur Kompensation des ohmschen Spannungs-abfalles angehoben (BOOST). Zur Kompensation des stromabhängigen Spannungsabfalls inder Maschine dient RKOMP. Abweichungen der Zwischenkreisspannung Ud vom Sollwertwerden über eine Aussteuerungs- bzw. Frequenzänderung ebenfalls korrigiert (UD-KOMP).

Abbildung 16-40 Typische Struktur einer Drehzahlsteuerung mit U/f-Kennlinien-steuerung des Wechselrichters (nW: Drehzahlsollwert)

M

PWR

nW

ASM

U

s

f

ud id

ud

L1L2L3

HLG

SKOMP

RKOMP

UDKOMP

U/F-KL

Boost

RV RB

fmax

fmin

SV

U d2U d2 33 T

id


Durch die Festlegung der Hochlauf- bzw. Bremszeit über einen Hochlaufgeber (HLG) ist dieserFrequenzumrichter auch als „Sanftanlaufgerät“ einsetzbar. Zur Inbetriebnahme des Frequenz-umrichters erfolgt in Abb. 16-40 zunächst die Aufladung des Zwischenkreises über den Vor-ladewiderstand RV. Nach erfolgter Aufladung wird RV mit SV überbrückt und der Umrichter istbetriebsbereit. Für den Bremsbetrieb steht ein Bremswiderstand RB zur Verfügung. DerEffektivwert des Bremswiderstandes wird durch Taktbetrieb des Transistors T der erforder-lichen Bremsleistung angepasst. Die abführbare Bremsenergie wird durch die Kühlung von RBund T festgelegt. Wird der Eingangsgleichrichter als Vierquadrantensteller (4QS) rückspeise-fähig ausgeführt, so kann die Bremsenergie in das Versorgungsnetz zurückgespeist werden.

16.7.3.2 Feldorientierte Regelung

Wie bei der Kennliniensteuerung wird die Drehzahl über die Drehfeldfrequenz vorgegeben.Damit man aber auch das Drehmoment direkt steuern kann hat man sich folgende Strategieüberlegt:Die Steuerung der Maschine erfolgt in Abb. 16-42 nicht mehr über das statorfeste Spannungs-system wie bei der U/f-Kennliniensteuerung, sondern man nimmt sich die räumliche Lage desRotorflusszeigers als Bezugsgröße. Hierzu benötigt man die aktuelle Position des Rotorfluss-zeigers. Der Flusszeiger kann entweder durch Messung (direkte Feldorientierung) oder durchBerechnung anhand eines Maschinenmodels aus den bekannten elektrischen Größen (indirekteFeldorientierung) bestimmt werden. Man legt die d-Achse des rotierenden Koordinatensystemsin die Richtung der Flussachse (Abb. 16-43). Im stationären Zustand ruht der SpannungszeigeruS und der Stromzeiger iS relativ zum Flusszeiger mit einer konstanten Phasenlage. Zerlegtman den Stromzeiger in eine Komponente parallel zum Flusszeiger (Ix) und senkrecht zuFlusszeiger (Iy), so hat man zwei Steuereingänge um unabhängig voneinander den magne-tischen Fluss und das Drehmoment einzustellen.

Abbildung 16-41 Einstellmöglichkeiten bei der U/F-Kennliniensteuerung

U

f

U

f

U

f

M

n

Eckfrequenz

fminfn fmax

fn fmax

BoostUmin

fn fmax nn

Mit s-Kompensation

Normale Kennlinie

00

0 0

a)

c)

b)

d)

U/F-KL R·I-KOMP

S-KOMP


Die Drehmomentsteuerung kann unabhängig vom magnetischen Fluss erfolgen, wodurchdiese Methode eine sehr hohe Dynamik aufweist.Im Gegensatz zur Kennliniensteuerung, bei dem die Spannungsvorgabe skalar erfolgt(Effektivwert), wird bei der feldorientierten Regelung dem Modulator M der Spannungs-sollwert als komplexer Effektivwert U = U ej( 1t + U) (Raumzeiger) vorgegeben.

Durch die Wahl des rotorflussbezogenen Bezugssystems kann die Asynchronmaschine wie einefremderregte Gleichstrommaschine in Abb. 16-43 geregelt werden. Es gibt Eingriffsmöglich-keiten für den Magnetisierungsstrom i und für den drehmomentbildenden Strom iM. Hierinliegt der entscheidende Unterschied zur Kennliniensteuerung nach Abb.16-40 [4, 6, 22].Der Aufwand, der mit der feldorientierten Regelung insbesondere für die Koordinatentrans-formation verbunden ist, hat den Einsatz dieses Verfahrens in der Vergangenheit verzögert,durch die Verfügbarkeit preiswerter digitaler Signalprozessoren in denen die gesamte Regelungmit der erforderlichen Software bereits integriert ist, wird die feldorientierte Regelungzunehmend zur Standardlösung für hochdynamische Antriebe.

Das Drehmoment M kann wie bei einer Gleichstrommaschine durch Steuerung der moment-bildenden Stromkomponenten (Ankerstrom iM) eingestellt werden, ohne den magnetischenFluss zu ändern. Hierdurch erklärt sich die hohe Dynamik der feldorientierten Regelung.

Abbildung 16-42 Typische Struktur einer Drehzahlregelung in flussorientierten Koordinaten

M PWR

1

2

m

UVW

xy

2 p

n

Iyw

Ixw

Iy

Ix

2w

1/Lh

iU,V,Wi

Uy

Ux

n-Regler M-Regler

-Regler

I y

I xT2

nW

- -

-

ASMU

Us

U d2

U d2

Abbildung 16-43

Feldorientierter Betrieb

links: Zerlegung des Statorstrom-zeigers iS in drehmoment- undflussbildende Komponenten.

rechts: Analogie zur Gleichstrom-maschine.(c: Maschinenkonstante)

iS

2

d

q

GM

iM

i

iM

i

M c IM


16.7.4 Abschätzung der ZwischenkreisgrößenViele Frequenzumrichter arbeiten mit einem Spannungszwischenkeis. Zentrales Bauelementdieses Zwischenkreises ist der Zwischenkreiskondensator Cd (siehe auch Kapitel 13.1.7.2).Nachfolgend erfolgt eine Abschätzung der Strom- und Spannungsbelastung des Zwischen-kreises durch einen gegebenen Asynchronmotor (Pn, Un, cos , ). Als Vereinfachung und zurbesseren Vergleichbarkeit arbeitet der Wechselrichter mit Nennleistung im Taktbetrieb (q = 1).Der Maschinenstrom sei sinusförmig (vgl. Abb. 12.15), die Zwischenkreisspannung Ud seikonstant. Abb. 16-44a zeigt die sinusförmig angenommenen Maschinenströme iU-V-W, denZwischenkreisstrom id und die Phasenspannung uUK der Maschine. In Abb. 16-44b ist derUmrichter mit Zwischenkreiskondensator Cd und Asynchronmaschine dargestellt.

Der Effektivwert des sinusförmig angenommenen Phasenstromes iU folgt aus Gl. (16.24). AufBasis dieses Stromes lassen sich die Zwischenkreisgrößen mit Gl. (16.25) ermitteln. DerWechselanteil des Zwischenkreisstromes Id~ fließt als IC über den ZwischenkreiskondensatorCd. Die Höhe der Zwischenkreisspannung Ud folgt direkt aus dem geforderten Nennwert derAusgangsspannung UUV,1 (= Un). Zur vollständigen Ermittlung der Strombelastung von Cd istIC noch um den Anteil des Eingangsstromrichters (hier nicht dargestellt) zu ergänzen.

(16.24)

Zwischenkreisstrom Id (siehe Abb. 16-44):

Mittelwert: I dAV I U2 3 cos 0,955 iU cos

Effektivwert: I dRMS I U 1 3 32

cos 2

Wechselanteil (UWR): I d~ I dRMS2 I dAV

2

(16.25)

Die Zwischenkreisspannung Ud folgt aus der geforderten Spannungs-Grundschwingung Un:

(16.26)

Abbildung 16-44 Wechselrichter Ein- und Ausgangsgrößen (idealisiert, q = 1)

Zwischenkreisspannung: Ud

U n

61,28 Un

Phasenstrom: I U

Pn

3 cos U nI n Sinus: i U 2 I U

iU

iV

iW

uUK t

îUida) UWR

Ud

IdAV =

3~

IdRMS

IC

iU

uUV

uUK

iV

iW

K

b)

Cd

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Stromrichter Und Maschinen

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