und Drehstromantriebe

Multifunktionales
Powermodul
für Gleich-, Wechsel- und
Drehstromantriebe
Foto: Anja Heidsiek
Professor 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 befriedigen. Unter solch strengen Low-Cost Anforderungen muss und kann in
vielen Standardanwendungen der Einsatz von teuren Frequenz- Umrichtern zugunsten von preiswerten Netz- Stromrichtern umgangen
werden. Diese einfachen und vielseitigen Powermodule auf Thyristorbasis lassen sich darüber hinaus bequem in den Klemmkasten oder
den Anschlussstecker einer elektrischen Maschine integrieren.
Wie der folgende Beitrag zeigt, reicht bereits eine kommutierungslose TRIAC- Brückenschaltung für die Realisierung einer multifunktionalen Stromrichterhardware aus, welche über die Ansteuersoftware
als Wechselstromsteller (W1), Drehstromsteller (W3), Reversiersparschaltung (W4), Direktumrichter (B2DU) oder Umkehrstromrichter
(B2USR) arbeiten und sowohl Gleichstrommaschinen als auch Wechsel- und Drehstrommaschinen mit variabler Spannung und Frequenz
speisen kann.
Mit solchen digitalen Powermodulen lassen sich elektrische Maschinen in einem oder mehreren Quadranten 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 Automatisierungstechnik sowie in Gebäudenetzen, Elektrofahrzeugen und Haushaltsgeräten vorteilhaft einsetzbar sind.
1. Aufbau des multifunktionalen Powermoduls
Die drei Umwandlungsmerkmale von Stromrichterschaltungen, nämlich Gleichrichten, Wechselrichten
und Umrichten, lassen sich am einfachsten mit einer Brückenanordnung der Leistungshalbleiter realisieren. 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 Powermodul das Drehzahlverhalten von Gleichstrommaschinen,
Universalmotoren, Kondensatormotoren und Drehstrommaschinen gezielt beeinflusst werden. Dies
führt auf Low-Cost Antriebslösungen beim PumDrehstrommotor
pen, Lüften, Transportieren, Rühren, Wickeln,
Automatisieren, Positionieren etc.
Multifunktions-Powermodul
T1
T3
L1
Universalmotor
M,Ω
Je nach Ansteuerung der Leistungshalbleiter
(TRIAC) kann das Multifunktions- Powermodul das Umwandlungsmerkmal des Wechselstromstellers mit Verstellung des Spannungseffektivwertes durch Phasenanschnitt
gemäß Bild 2a oder durch Schwingungspaketsteuerung (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.
L2
L3
(N)
Einphasenmotor
T4
T2
Gleichstrommotor
Microcontroller
Bild 1: Multifunktions- Powermodul
für elektrische Antriebe
Bus
Ua
Ua
50Hz
T1,
T2
T1,
T2
T1,
T2
α
T1,
T2
25Hz
T1,
T2
ωt
T3,
T4
T1,
T2
T3,
T4
a
a) Phasenanschnittsteuerung
c) Spannungs-Frequenzsteuerung
Ud
0Hz
Ua
T1,
T2
Te
ωt
T
b) Schwingungspaketsteuerung
T3,
T4
T1,
T2
d) Gleichrichtersteuerung
T3
L1
M
L2
3~
L3
T3,T4
T4
2. Reversierung und Sanftanlauf
für Drehstrommaschinen
Mittels einer Phasenanschnittsteuerung in allen
drei Phasen können Drehstrommotoren sanft am
Drehstromnetz hochgefahren werden. Dieser so genannte Sanftanlauf oder Softstart lässt sich sowohl vorwärts
als auch rückwärts durchführen, wenn die Möglichkeit des elektronischen 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 Wechselwegn
schaltung (W4). Diese Reversiersparschaltung
ist in der Lage, einen Drehstrommotor in eiT1,T2
nem begrenzten Bereich des ersten und drit2 1
ten Quadranten der Drehzahl-DrehmomentM
3 4
Ebene zu betreiben [1].
ωt
Bild 2: Umwandlungsmerkmale des Multifunktions- Powermoduls
T1
T3,
T4
Wird das Powermodul gemäß Bild 2d angesteuert, so gibt es an
seinem Ausgang eine pulsierende Gleichspannung ab, deren arithmetischer Mittelwert sowohl positiv als auch
negativ wird und damit eine Gleichstrommaschine
in allen vier Quadranten der M,n- Ebene speisen
kann.
ωt
All diese unterschiedlichen Umwandlungsmerkmale und Einsatzmöglichkeiten des
Powermoduls sind softwaremäßig in der
Mikrocontroller-Steuerung vorgesehen und
können durch entsprechende Anwahl jederzeit abgerufen werden.
T2
Bild 3: Vierpolige Reversiersparschaltung (W4) mit Triacs
Wegen der Besonderheit von vier Leistungshalbleitern in Brückenanordnung, lässt sich
diese Reversiersparschaltung auch noch für die
Realisierung weiterer Stromrichterantriebe vorteilhaft nutzen.
3. Direktumrichter für Kondensatormotoren
Werden 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 verwendet man meist einie einphasige Asynchronmaschine, auch
Kondensatormotor genannt. Um ein Drehfeld in der
einphasigen Asynchronmaschine (ASM) aufzubauen, ist gemäß Bild 4 eine Hilfswicklung
Ia
n
(WH) vorhanden, die über einen HochvoltT1
T3
Kondensator mit einem um 90° elektrisch
Ua wA
Pumpe/
CH
phasenverschobenen Wechselstrom gegenLüfter
L1
2
1
über der Arbeitswicklung (WA) gespeist
UL
ASM
wird. Eine Verstellung der Drehzahl ist
3
4
N
1~
wH
bei dieser Konstellation in engen Grenzen
T4
T2
über den Effektivwert (Ua) möglich; darüber hinaus müssen die Frequenz und der
Spannungseffektivwert verändert werden. Um
Bild 4: Einphasiger Direktumrichter für drehzahlvariable Asynchronantriebe
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.
M
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 Ausgangsspannung (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 Stromrichtervarianten 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 Universalmotoren
Um die Drehrichtung eines Universalmotors umzukehren,
müssen entweder die Anschlüsse der Erregerwicklung oder die der Ankerwicklung vertauscht
werden. Aus Kostengründen wird in vielen
Haushaltsgeräten, wie Bohrmaschinen und
Waschmaschinen, die DrehrichtungsumT1
kehr des Universalmotors mit einem meL1
chanischen Schalter von Hand oder mir
N
einem Relais vorgenommen. Bei häufigem Umschalten der Drehrichtungen bieT4
tet sich allerdings die verschleißfreie Variante mit einem Stromrichterstellglied an.
n
T3
Feld
Anker
X
T2
Bild 5: Reversierschaltung für drehzahlvariable Universalmotoren
Die erforderliche, leistungselektronische Schaltung 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 Maschine, während sie im Feldkreis unverändert bleibt, sodass der Universalmotor seine Drehrichtung
wechselt.
2
1
3
4
M
Da die Wechselwegschaltung nach Bild 5 kommutierungslos arbeitet, ist ein generatorisches Bremsen weder von Seiten des Stromrichters noch von Seiten des Universalmotors möglich. Dieser eingeschränkte Reversierantrieb kann ebenfalls nur motorisch im ersten und dritten Quadranten der
Drehzahl-Drehmoment-Ebene arbeiten.
5. Umkehrstromrichter für Gleichstrommaschinen
Vollgesteuerte, netzgeführte Stromrichterschaltungen können das Vorzeichen der Ausgangsspannung verändern und damit im ersten und zweiten Quadranten der Strom- Spannungsebene arbeiten. Sind auch der dritte und vierte Quadrant erforderlich, muss ein weiterer, voll gesteuerter
Stromrichter antiparallel dazugeschaltet werden. Diese Anordnung nennt man Umkehrstromrichter, 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.
L
T1
n
T3
L1
Ψ
N
T4
2
1
3
4
T2
M
Mit Hilfe moderner Regelstrategien lassen
sich außerdem die teuren Sensoren für die
Drehzahl und den Ankerstrom durch
preiswerte Beobachtersoftware , so genannte Zustandsbeobachter und Binäre Beobachter [4], ersetzen. Man
spricht in diesen Fällen von sensorlosen Vierquadrant- Gleichstromantrieben, welche ein absolutes
Minimum an Hardware bei einem
Maximum an Dynamik darstellen.
Bild 6: Einphasiger Umkehrstromrichter für Vierquadrant- Gleichstromantriebe
6. Zusammenfassung
Mit der vorgestellten TRIAC- Brückenschaltung liegt eine multifunktionale Stromrichterhardware
vor, welche über ihre Ansteuersoftware sowohl als Wechsel- und Drehstromsteller oder Reversiersparschaltung als auch als Umkehrstromrichter bzw. Direktumrichter arbeiten kann. Mit diesem innovativen Powermodul lässt sich das Drehzahlverhalten von Gleichstrommaschinen, Universalmotoren, 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 Autor
Professor Dr. Ing. habil. Klaus Hofer, Jahrgang 1949, studierte an der Universität Karlsruhe 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- Member im IEEE (USA) sowie Erfinder der Binären Beobachter, Linearautos und Elektroeinräder. 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.
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: [email protected] · www.fh-bielefeld.de/fb2