9ersuch Drehzahlgeregelte Asynchronmaschine 1. Theorie

Fachhochschule Stralsund
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
Labor Elektrische Antriebe
9HUVXFK
'UHK]DKOJHUHJHOWH$V\QFKURQPDVFKLQH
7KHRULH
Versuchsziel:
Das
Verhalten
einer
Asynchronmaschine
am
Frequenzumrichter SIMOVERT VC bei U/f-Steuerung und
bei
Drehzahlregelung
nach
dem
Prinzip
der
Feldorientierung wird untersucht. Dabei wird sowohl das
statische als auch das dynamische Verhalten betrachtet.
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(LQOHLWXQJ
$XIJDEHQVWHOOXQJ
An einem hochdynamischen Antriebsprüfstand sind Untersuchungen zur Drehzahlstellung einer Asynchronmaschine vorzunehmen. Die einfache U-fSteuerung und die Drehzahlregelung nach dem Prinzip der Feldorientierung
sind miteinander zu vergleichen.
Das statische Verhalten wird durch die Aufnahme der stationären M,nKennlinien dokumentiert. Das dynamische Verhalten wird durch Last- und
Sollwertsprünge belegt.
9RUVWHOOXQJGHV9HUVXFKVDXIEDXV
Elektrische
drehzahlveränderbare
Antriebe
bestehen
aus
drei
Hauptkomponenten:
1. elektrische Maschine: elektromechanischer Energiewandler
2. Stromrichter: elektronisches Stellglied
3. Arbeitsmaschine: mechanisch angekuppelt
Die Antriebsmaschine auf dem Versuchsstand ist der zu untersuchende
Asynchronmotor. Er ist mechanisch an eine stromrichtergespeiste Gleichstrommaschine gekuppelt (Abbildung 1). Sie stellt die Last dar. Bedingt durch die
Stromrichterspeisung kann der Gleichstrommaschine das Verhalten typischer
Arbeitsmaschinen (Konstantmoment, Kalandermoment, quadratische n-MKennlinie, Trägheitsmoment) „anerzogen“ werden. Die mechanische Kupplung
erfolgt über eine Drehmomentenmesswelle und entsprechende Kupplungen.
Die Daten der Messwelle können über eine Anzeige visualisiert werden.
2
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$EELOGXQJ0DVFKLQHQVDW]UHFKWV$60
'HU'UHKVWURPDQWULHE
Der Drehstrommotor ist ein Asynchronservomotor von der Firma Siemens. Er
ist für den frequenzvariablen Betrieb optimiert, was man unter anderem daran
erkennt, dass der Motor über einen drehzahlunabhängigen Lüfter verfügt. Die
Nenndaten laut Leistungsschild sind:
Spannung:
350 V Stern
Strom:
10 A
Leistung:
3,7 kW
Moment:
23,5 Nm
cos ϕ:
0,738
Frequenz:
51,6 Hz
Drehzahl:
1500 min-1
Gespeist wird der Motor von einem Siemens Frequenzumrichter SIMOVERT
VC in Kompaktbauform. Der SIMOVERT VC ist in der Lage, aus einem Gleichspannungsnetz ein frequenz- und spannungsvariables Drehstromsystem zu erzeugen. Dazu werden IGBT-Module eingesetzt. Das Gleichspannungsnetz wird
3
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durch eine Ein- und Rückspeiseeinheit als extra Bauteil bereit gestellt. Die Einund Rückspeiseeinheit erzeugt aus dem Drehstromnetz eine Gleichspannung
von ca. 540 V.
Schaltungen
Sie erlaubt, durch Antiparallelschaltung zweier B6C-
Rückspeisung
Zwischenkreisspannung
UZ.
ins
In
Netz
der
und
Praxis
Konstanthaltung
wird
dieser
Effekt
der
zur
Energieeinsparung genutzt. Wenn von der Gleichstromschiene mehrere
Antriebe versorgt werden, die auch generatorisch wirken können, ist eine
Verringerung der auf der Drehstromseite aufgenommenen Energie möglich.
Der SIMOVERT VC ist ein Frequenzumrichter. Im Frequenzumrichter sind 6
Steuer- und Regelverfahren zur Ansteuerung von Asynchronmaschinen
implementiert.
1. U-f- Kennlinie
2. U-f-Steuerung mit überlagerter Drehzahlregelung
3. U-f-Steuerung mit überlagerter Drehzahlregelung für Textilanwendungen,
dabei werden Sollwertänderungen nicht an der Frequenz vorgenommen
(Gleichlauf von Gruppenantrieben)
4. Frequenzregelung nach dem Prinzip der Feldorientierten Regelung
5. Drehzahlregelung nach dem Prinzip der Feldorientierten Regelung
6. Drehmomentregelung nach dem Prinzip der Feldorientierten Regelung
Im Versuch werden die Verfahren 1 und 5 behandelt.
Die Steuerung des Wechselrichters erfolgt über einen Mikroprozessor auf der
Basis
einer
feldorientierten
Vektorregelung
mit
einer
sehr
schnellen
Stromregelung. Die Pulsfrequenz kann im Bereich von 1,5 kHz bis 16 kHz
verändert werden. [4]
Die Bedienung des SIMOVERT VC erfolgt am Versuchstand entweder über die
Parametriereinheit (PMU) direkt am Umrichter oder über das Bedienfeld, sowie
über PC und serielle Schnittstelle mittels der von Siemens gelieferten Software
DriveMon.
4
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'HU*OHLFKVWURPDQWULHE
Der Gleichstrommotor ist ein AEG-Produkt. Wegen des variablen Drehzahlbereiches ist ein Fremdlüfter mit konstanter Drehzahl installiert worden.
Folgende Nenndaten kennzeichnen den Motor:
Spannung:
400 V
Strom:
10,6 A
Leistung:
3,3 kW
Moment:
21 Nm
Erregerspannung: 200 V
Erregerstrom:
1,95 A
Drehzahl:
1500 min-1
Der Motor wird von einem Siemens Stromrichter SIMOREG DC Master
gespeist. Der SIMOREG ermöglicht neben der Ankerspannungssteuerung auch
Feldsteuerung und damit Drehzahlen über der Nenndrehzahl des Motors. Das
Feld
wird
durch
eine
einphasige
zweigpaar-halbgesteuerte
Zweipuls-
Brückenschaltung B2 HZ gespeist. Die Speisung des Ankers erfolgt, da es sich
hier um einen Vier-Quadranten-Antrieb handelt, durch zwei vollgesteuerte
Drehstrombrücken in kreisstromfreier Gegenparallelschaltung (B6)A(B6)C. [5]
Der Stromrichter kann über eine Parametriereinheit direkt am Umrichter bedient
werden, oder über serielle Schnittstelle und die Software DriveMon.
Ein bei den folgenden Untersuchungen oft genutztes Merkmal ist die TraceFunktion (aus dem Englischen: aufspüren). Der Tracer dient der schnellen Aufzeichnung von Umrichtergrößen. Mit diesem „eingebauten Oszilloskop“ können
viele Umrichter- und Motorparameter gemessen und visualisiert werden.
5
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$EELOGXQJ6,025(*'&0DVWHUOLQNV6,029(579&UHFKWV
L1
L2
L3
Ein- und
Rückspeiseeinheit
Gleichspannungszwischenkreis
540 V
+
-
V4
V6
V2
A1 B1
F1 F2
Gleichstrommaschine
U1
Drehmomentenmesswelle
V1
W1
Asynchronmaschine
$EELOGXQJ9HUVXFKVVWDQGVFKHPDWLVFK
6
V1
V3
V5
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7KHRUHWLVFKH9RUEHWUDFKWXQJHQ
'HU6WURPULFKWHU
Im allgemeinen werden zwei Arten von Stromrichtern unterschieden:
•
Steller,
•
Umrichter.
Unter Stellern versteht man Geräte, die bei einem Wechsel- oder Drehspannungsnetz mit elektronischen Mitteln die Spannung absenken.
Umrichter sind Geräte, die ein Wechsel- oder Drehspannungssystem mit
elektronischen Mitteln in ein neues Drehspannungssystem mit anderer
Frequenz und Spannung umwandeln. Der verwendete Stromrichter SIMOVERT
VC ist also ein Umrichter.
Bei den Umrichtern wird zwischen Direkt- und Zwischenkreisumrichter
unterschieden. Zwischenkreisumrichter arbeiten mit einem Energiespeicher im
Zwischenkreis. Der SIMOVERT VC ist ein Spannungszwischenkreisumrichter.
Es gibt auch Umrichter mit Stromzwischenkreis, jedoch finden sie nicht soviel
Verbreitung.
$XIEDXHLQHV6SDQQXQJV]ZLVFKHQNUHLVXPULFKWHUV
In der folgenden Abbildung 4 ist der schematische Aufbau eines Spannungszwischenkreisumrichters (U-Umrichters) dargestellt.
L1
L2
C
M
Uz
L3
Netzstromrichter
Maschinenstromrichter
$EELOGXQJ6FKHPDWLVFKHU$XIEDXHLQHV88PULFKWHUV
7
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Der Netzstromrichter hat die Aufgabe, die Drehspannung aus dem öffentlichen
Netz (50 Hz) gleichzurichten. Er ist in diesem Blockschaltbild ungesteuert ausgeführt, somit wäre keine Energierückspeisung möglich. Der Kondensator C
übernimmt die Entkopplung zwischen Eingang und Ausgang des Umrichters,
die ja unterschiedlich in der Frequenz und Spannung sind. Bei entsprechender
Schaltungsauslegung ist der Zwischenkreis als Konstantspannungsquelle mit
konstanter Spannung Uz anzunehmen.
Der
Maschinenstromrichter
erzeugt
aus
der
Gleichspannung
des
Zwischenkreises ein frequenz- und spannungsveränderliches Drehspannungssystem. Dazu werden elektronische Schalter (z. B. IGBT) verwendet.
Stromrichter müssen über eine leistungsfähige Steuerung verfügen. Dazu
zählen alle Elektronikkomponenten, die zur Ansteuerung der Ventile dienen, die
allgemeine Überwachung sicherstellen, sowie für die Datenkommunikation
sorgen. [3]
Besondere Aufmerksamkeit für die Steuerung verdient der Maschinenstromrichter. Er muss ein in Amplitude und Frequenz veränderbares Drehspannungssystem liefern. Im Folgenden soll er näher betrachtet werden.
'HU0DVFKLQHQVWURPULFKWHU
Prinzipiell besteht der Maschinenstromrichter aus sechs Ventilen in B6
Schaltung (Abbildung 5). Wie schon angegeben, müssen abschaltbare Ventile
verwendet werden, beim Simovert VC sind es IGBT.
Zur Erzeugung der Drehspannung werden die sechs Ventile nach einem bestimmten Schema angesteuert: Die Ventile 1 und 4 erzeugen die Spannung U,
die Ventile 3 und 6 die Spannung V und die Ventile 5 und 2 die Spannung W.
Werden die Ventile so über eine Periode (360°) angesteuert, entstehen drei um
120° phasenverschobene treppen- und blockförmige Spannungen. [3]
In jedem Augenblick sind drei Ventile aktiv. Somit liegen immer 2 Wicklungen
parallel und mit der dritten in Reihe. Dadurch steht an der einzelnen Wicklung
einmal die Spannung 1/3 UZ und zum anderen Zeitpunkt 2/3 UZ (Abbildung 6)
an.
8
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V1
V3
V5
V4
V6
V2
Uz
U
V
N
W
$EELOGXQJ3ULQ]LSLHOOHU$XIEDX0DVFKLQHQVWURPULFKWHU
Durch die treppenförmigen Spannungen enthält das neue Drehspannungssystem erhebliche Oberschwingungsanteile. Demzufolge sind die Ströme nicht
sinusförmig. Bedingt durch die nicht sinusförmigen Ströme ist das entstehende
Drehfeld nicht rund, sondern ein Vieleck. Dadurch ist das von der Maschine
erzeugte Moment abhängig vom Drehwinkel. Der gespeiste Motor hat
insbesondere bei kleinen Drehzahlen einen schlechten Rundlauf.
Ein möglichst rundes Drehfeld wird erst durch Modulationsverfahren ermöglicht.
Die häufigste Verbreitung haben dabei die Sinusbewertete Pulsweitenmodulation (PWM) und die Raumzeigermodulation (RZM) gefunden.
9
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<----60°---->
1
2
3
4
5
V1
V2
V3
V4
V5
V6
L1
UUN
L2
UVN
L3
UWN
$EELOGXQJ/LQLHQGLDJUDPP6FKDOW]HLWHQXQG6SDQQXQJHQ%6FKDOWXQJ
10
6
7
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'LH$V\QFKURQPDVFKLQH
Als Kraftmaschine kommt auf dem Versuchsstand eine Drehstromasynchronmaschine mit Käfigläufer zum Einsatz.
$XIEDXGHU$V\QFKURQPDVFKLQH
Hauptteile der Maschine sind der ruhende Ständer und der rotierende Läufer. In
den Nuten des Ständers liegt die dreisträngige Drehstromwicklung. Zur Drehfelderzeugung wird sie an ein Drehspannungssystem angeschlossen. Die
aufgenommene elektrische Leistung wird, reduziert um die Ständerverluste,
berührungslos auf den Läufer übertragen. Es gibt keine aufwendige, anfällige
und teure Kommutierung, wie bei der Gleichstrommaschine.
Der Läufer in der Versuchsmaschine ist als Käfigläufer ausgebildet. Auf der
Läuferwelle ist ein Blechpaket mit Nuten angeordnet. In den Nuten liegen,
parallel zur Welle und über den ganzen Umfang gleichmäßig verteilt, die
Leiterstäbe. An den Stirnseiten des Blechpakets sind diese durch Ringe kurzgeschlossen.
Der Luftspalt zwischen Läufer und Ständer sollte klein sein, damit nur ein
möglichst geringer Magnetisierungsstrombedarf besteht.
9HUKDOWHQEHL6SHLVXQJPLWYDULDEOHU)UHTXHQ]
Den stromrichtergespeisten Drehstromantrieben gelang erst der Durchbruch,
als es möglich wurde, den Asynchronmaschinen das M-n-Verhalten der Gleichstromnebenschlussmaschine zu verleihen.
Für das von einer Asynchronmaschine entwickelte Moment gilt die Beziehung:
0 ~ Φ⋅, ( 2-1)
Damit die Maschine bei gegebenen Strom I ein möglichst hohes Moment M
erzeugt, sollte die Maschine mit möglichst hohem und vor allem konstanten
Fluss arbeiten. [2]
Abbildung 7 zeigt das Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine.
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R1
X 1s
X 2s’
I2'
I1
U1
R 2'/s
Xh
Iµ
$EELOGXQJ(UVDW]VFKDOWELOGGHU$V\QFKURQPDVFKLQH>@
U1
Ständerstrangspannung
X2s’
Streuinduktivität des Läufers
umgerechnet
I1
Ständerstrangstrom
R2’/s
Läuferstrangwiderstand umgerechnet
R1
Ständerstrangwiderstand
I2’
Läuferstrangstrom umgerechnet
X1s
Streuinduktivität des Ständers
Iµ
Magnetisierungsstrom
Xh
Hauptinduktivität
Für Speisefrequenzen nahe der Nennfrequenz (50 Hz) ist R1 vernachlässigbar.
Dann gilt:
Φ ~ ,µ =
81
8
~ I
2πI ⋅ /
(2-2)
Man muss also Spannung und Frequenz für einen konstanten Fluss
proportional ändern. Das gilt aber nur, wenn R1<<Xh. Da aber :
; = ω ⋅ / (2-3)
ist der Spannungsteiler, bestehend aus R1 und Xh, frequenzabhängig. Somit
muss bei kleinen Frequenzen von der Proportionalität abgewichen werden. Die
Spannung darf dann nicht so stark abgesenkt werden, wie die Frequenz. Diese
Spannungsanhebung ist auch unter dem Begriff Boost bekannt. [3]
Mit der Abbildung 8 kann das Verhalten der ASM gut nachvollzogen werden.
Wenn man mit der Frequenz unterhalb des Nennpunktes (50 Hz) bleibt, arbeitet
man im Spannungsstellbereich. Spannung und Leistung nehmen linear zu, das
Moment bleibt konstant. Im Feldschwächbereich bleibt die Spannung konstant.
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$EELOGXQJ%RRVW>@
13
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7KHRULHGHUIHOGRULHQWLHUWHQ5HJHOXQJ
Bei Gleichstrommaschinen lassen sich Fluss und Moment unabhängig
voneinander steuern. Diese Tatsache ist die Grundlage für die gute
Regelbarkeit der Gleichstrommaschine. Das gute Regelverhalten möchte man
aber auch bei der Asynchronmaschine erreichen. Problematisch ist aber hier,
dass sowohl Flussverkettung als auch Drehmoment vom Ständerstrom
gesteuert werden. [1]
Der Grundgedanke der feldorientierten Regelung ist dem der Gleichstrommaschine sehr ähnlich. [3] Deshalb sollen im folgenden Kapitel die Verhältnisse
an der fremderregten Gleichstrommaschine betrachtet werden.
Es gibt mehrere Modifikationen der Feldorientierung, die sich hauptsächlich
durch die Wahl des Bezugskoordinatensystems und die Art der intern
eingesetzten Maschinenmodelle unterscheiden. Als einfach hat sich die
Orientierung an der Läuferflussverkettung herausgestellt.
*OHLFKVWURPPDVFKLQHXQWHUGHP$VSHNWGHU
)HOGRULHQWLHUXQJ
Für eine ideale Gleichstrommaschine ohne Ankerrückwirkung, in der Praxis
wird das ideale Verhalten durch Kompensationswicklungen erreicht, gilt:
0 = N ⋅ ( Ψ ⋅ L )
$EELOGXQJ6FKHPDGHU*OHLFKVWURPPDVFKLQH>@
Gleichung 2-4 ergibt sich aus folgendem Hintergrund:
14
(2-4)
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Im Ständer der GM sind Feld– und Kompensationswicklungen untergebracht
(Abbildung 9). Der Läufer trägt die Ankerwicklung. Der magnetische Fluss Ψ
resultiert aus dem durch die Feldwicklungen fließenden Strom if.
Das maximale Drehmoment wird erreicht, wenn der durch den Anker fließende
Ankerstrom iA senkrecht zum von if erzeugten Fluss steht. Diese Aufgabe erfüllt
der mechanische Kollektor, der genau mit dieser Bedingung die Ankerteilwicklungen an die Ankerspannung legt. Der Faktor k ist eine Maschinenkonstante. [3]
$V\QFKURQPDVFKLQHXQWHUGHP$VSHNWGHU
)HOGRULHQWLHUXQJ
Da bei der Asynchronmaschine die Flussrichtung umläuft, sind die Verhältnisse
komplexer als bei der Gleichstrommaschine. Einfacher wird es, wenn man den
Raumzeiger des Ständerstroms iStänder = i1 nach Amplitude und Phasenlage
zerlegt. Der Raumzeiger der Läuferflussverkettung ΨLäufer = Ψ2 wird mit
konstanter Amplitude geführt. Bei umlaufender Maschine ist es leicht einzusehen, dass zu bestimmten Zeitpunkten gleiche Verhältnisse wie bei der
Gleichstrommaschine auftreten (Abbildung 11). Dann gilt:
P = N ’⋅(Ψ ⋅ L )
(2-5)
Die Stromkomponente i1d liegt in Richtung des Flusses und bildet den
Magnetisierungsstrom. Senkrecht zu i1d liegt die momentenbildende Stromkomponente i1q. Leider gelten die Verhältnisse nur für diesen ausgewählten
Zeitpunkt. Der Läufer dreht sich weiter und zwischen Läufer und Ständerbezugsachse stellt sich der zeitabhängige Verschiebungswinkel γ ein (Abbildung
10).
$EELOGXQJ5DXP]HLJHUGLDJUDPPPLWXP:LQNHOJJHGUHKWHQ/lXIHU>@
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$EELOGXQJ$V\QFKURQPDVFKLQHD6FKHPDE5DXP]HLJHU'LDJUDPP>@
Dabei müssen die Verhältnisse relativ zum Bezugsraumzeiger Ψ2 erhalten
bleiben. [3]
)HOGRULHQWLHUWH5HJHOXQJGHU$V\QFKURQPDVFKLQH
Als Ständerspannungsgleichung im ständerfesten System ist bekannt:
8 1 = , 1 ⋅ 51 +
G Ψ1
GW
(2-6)
Als Läuferspannungsgleichung im läuferfesten System ist bekannt:
8 2 = , 2 ⋅ 52 +
GΨ2
GW
(2-7)
Wie schon vorher erläutert, erfolgt die Darstellung im mit dem Läuferfluss umlaufendem System, d.h. das Koordinatensystem läuft mit ω1 gegenüber dem
Ständer und gegenüber dem Läufer mit ω2 um. Da der Läufer als Käfigläufer
ausgebildet ist, muss U2 = 0 sein. Somit wird aus den beiden obigen Gleichungen:
8 1 = , 1 ⋅ 51 +
G Ψ1
+ Mω1 Ψ1
GW
16
(2-8)
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0 = , 2 ⋅ 52 +
GΨ2
+ M ω 2 Ψ2
GW
(2-9)
Als Flussgleichungen sind bekannt:
Ψ 1 = , 1 ⋅ /1 + 0 ⋅ , 2
(2-10)
Ψ 2 = , 2 ⋅ /2 + 0 ⋅ , 1
(2-11)
Als weitere grundsätzliche Gleichung ist für das Drehmoment bekannt:
0 =
(
)
3
*
⋅ ] ⋅ Im {Ψ 1 ⋅ , 1 }
2
(2-12)
L1
Ständerinduktivität
zP
Polpaarzahl
M
Gegeninduktivität
Ψ1*
konjugiert komplexe Ständer-
L2
Läuferinduktivität
flussverkettung
In der letzten Gleichung soll Ψ1* ersetzt werden. Aus Gleichung 2-10 wird:
Ψ 1 = , 1 ⋅ /1 + 0 ⋅ , 2
*
*
*
(2-13)
In Gleichung 2-12 eingesetzt:
0 =
3
*
*
⋅ ] ⋅ Im{( , 1 ⋅ /1 + 0 ⋅ , 2 ) ⋅ , 1 }
2
(2-14)
Der Läuferstrom ist nicht messbar und wird ersetzt:
,2
*
Ψ − 0 ⋅ ,1
= 2
/2
*
*
(2-15)
0 =
3
0
2
*
2
⋅ ] ⋅ Im{, 1 ⋅ /1 +
Ψ2 ⋅ ,1 − 0 ⋅ ,1 }
2
/2
(2-16)
0 =
3
0
*
⋅ ] ⋅ ⋅ Im{Ψ 2 ⋅ , 1 }
2
/2
(2-17)
(
)
Die Schreibung in d- und q- Komponenten ergibt:
0$ =
3 # 0
⋅ ] ⋅ ⋅ Im{(Ψ2 " − MΨ2 ! )( , 1" + M, 1! )}
2
/2
Da sich das d-q-System am Läuferfluss orientiert ist Ψ2q = 0
17
(2-18)
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3 ' 0
⋅ ] ⋅ ⋅ Ψ2 & ⋅ , 1%
2
/2
0( =
(2-19)
$XV GHU *OHLFKXQJ HUNHQQW PDQ GDVV VLFK GDV 'UHKPRPHQW GLUHNW
EHU GLH T.RPSRQHQWH GHV 6WlQGHUVWURPHV VWHXHUQ OlVVW ZHQQ <)+* NRQVWDQWLVW
Wodurch wird die Läuferflussverkettung Ψ2d bestimmt?
Aus Gleichung 2-9:
0 = , 2 ⋅ 52 +
GΨ2
+ Mω 2 Ψ 2
GW
(2-20)
I2 wird ersetzt:
,2 =
0=
Ψ2 − 0 ⋅ ,1
/2
(2-21)
Ψ2 − 0 ⋅ ,1
GΨ2
⋅ 52 +
+ Mω 2 Ψ 2
/2
GW
(2-22)
Man kann auch im d,q System schreiben
[
0 = (Ψ2 - + MΨ2 , )− 0 (, 1- + M, 1,
)]5
2
/
+
G (Ψ2 - + MΨ2 ,
GW
)
+ Mω 2 (Ψ2 - + MΨ2 ,
)
(2-23)
Durch die Orientierung der Systeme entfällt die Ψ2q- Komponente
0 = Ψ2 . ⋅
52
5
0 ⋅ 52
GΨ2 .
− 0 ⋅ 2 ⋅ , 1. −
M, 1/ +
+ Mω 2 Ψ2 .
/2
/2
/2
GW
(2-24)
Die Betrachtung des Realteils ergibt:
0 = Ψ2 0 ⋅
GΨ 2 0
5 2 0 ⋅ 52
−
, 10 +
/2
/2
GW
(2-25)
Oder in die typische Form einer Differentialgleichung gebracht:
GΨ2 1
5
5
+ Ψ2 1 ⋅ 2 = 0 ⋅ 2 ⋅ , 11
GW
/2
/2
(2-26)
'HU /lXIHUIOXVV ZLUG RKQH ZHLWHUH 9HUNRSSOXQJ GXUFK GLH G.RPSRQHQWH
GHV 6WlQGHUVWURPHV EHVWLPPW 'LH 9HUlQGHUXQJ HUIROJW DEHU YHU]|JHUW
18
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ZHLOGLHEHVWLPPHQGH*OHLFKXQJHLQH'LIIHUHQWLDOJOHLFKXQJ2UGQXQJLVW
[1]
=XVDPPHQIDVVXQJGHU7KHRULH
Ziel war es der Asynchronmaschine das gleiche regelungstechnische
Verhalten, wie der Gleichstrommaschine gleichsam anzuerziehen. Dazu ist es
zwingend nötig Fluss und Drehmoment getrennt voneinander einzustellen. Bei
der Asynchronmaschine ist das aber schwer, weil beide Größen durch den
Ständerstrom bestimmt werden. Abhilfe schafft hier die Orientierung am läuferfesten System und damit die Zerlegung des Ständerstroms in seine d und in
seine q-Komponente.
Bei konstantem Läuferfluss wird das Drehmoment unverzögert durch die qKomponente des Ständerstromes bestimmt. Die Läuferflussverkettung lässt
sich mit der Rotorzeitkonstante L/R2 verzögert durch die d-Komponente des
Ständerstroms steuern. Damit ist das Ziel erreicht, Drehmoment und Fluss
unabhängig voneinander einzustellen.
19
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5HJHOXQJVP|JOLFKNHLWHQGHV6,029(579&
Wie unter 1.2 schon beschrieben wurde, bietet der SIMOVERT VC sechs
Steuer- und Regelungsmöglichkeiten. Im folgenden soll die U/f-Steuerung und
die Drehzahlregelung nach dem Prinzip der Feldorientierung näher erläutert
werden.
6WHXHUXQJPLWWHOV8I.HQQOLQLH
Bei Auslieferung ist der Antrieb auf U/f-Steuerung voreingestellt. Es ist das
einfachste Steuerverfahren. Zur Veranschaulichung dient Abbildung 12. Sie ist
auf der Grundlage der Siemens-Betriebsanleitung entstanden und stellt die
wesentlichen Zusammenhänge dar.
Wie im Kapitel 3 schon erläutert worden ist, stehen bei der U/f-Steuerung
Frequenz und Spannung in einem festen Verhältnis. Auf der linken Seite der
Abbildung befinden sich die relevanten Eingänge und auf der rechten Seite die
Ausgänge zum Steuersatz. Zum Steuersatz gehen gemäß dem Prinzip der U/fSteuerung die Ständerfrequenz und die dazugehörige Spannung. Im folgenden
soll dargelegt werden, wie diese Werte entstehen.
Vom Sollwertkanal kommt der vom Bediener eingestellte Sollwert, in diesem
Falle die Drehfrequenz. Nach Abzug der Frequenzsignale vom Udmax-Regler
und vom Imax-Regler entsteht die Istfrequenz (Istfrequenz des Ständerdrehfeldes). Der Udmax-Regler dient der Begrenzung der Zwischenkreisspannung bei
generatorischen Betrieb. Gemäß der Siemens-Empfehlung ist er gesperrt, weil
die Zwischenkreisspannung durch die Ein- und Rückspeise konstant gehalten
wird. Achtung: Diese Frequenz ist eine berechnete, man hat damit nicht die
reale Drehfrequenz oder Drehzahl der Welle! Daran wird erkennbar, dass diese
Methode nur Steuerungscharakter hat. Es wird nicht überprüft, ob die reale
Drehfrequenz der Welle wirklich der Sollfrequenz entspricht (Belastung). Aus
der Istfrequenz kann mit der Division durch die Polpaarzahl die Istdrehzahl
berechnet werden. Dabei wird der Schlupf nicht berücksichtigt.
Die durch den Sollwertkanal vorgegebene Sollfrequenz wird also um die
Frequenzanteile von Udmax- und Imax-Regler reduziert.
20
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n/f (soll)
-
7
<
65
23
9:
=5
U
f
Anhebestrom
Lineare
Kennlinie
Anhebung
Anwahl
U
Ständer R
f
Zum
U d -Korrektur
Spannungsbegrenzung Steuersatz
m ax. Ausssteuerungsgrad
n ist
Zw ischenkreisspannung
Schlupffrequenz
Schlupfkom pensation
Strom glättung
Phasenström e
und
Phasenspannungen
Strom rechner
Strom
I 2 tUm richter
Im ax
Beschleunigungsstrom
Ausgangsfrequenz
Quadrat. Kennlinie
Kennlinie
Anwahl
-
Polpaarzahl
;:
5
45
Anhebespannung
n/f (ist)
df vom Imax-Regler
Vom
Sollw ertkanal
78
df vom Udm ax-Regler
65
Sollfrequenz f so ll Ständer zum Steuersatz
I x R Kom pensation
ist
Strom ist glatt
Im axRegler
dU max (I-R egler)
89%
R Ständer
$EELOGXQJ8I6WHXHUXQJVFKHPDWLVFK
21
Ausgangsspannung
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Zu der so rechnerisch ermittelten Istdrehzahl, wird in einer darauffolgenden
Summierstelle die Schlupffrequenz addiert. Sie wird in einem Block „Schlupfkompensation“ über eine Proportionalverstärkung berechnet. Dabei geht man
vom Motorstrom aus. Mit steigender Belastung steigt der Schlupf. Dadurch fällt
die Drehzahl bei Belastung ab. Wenn man den Motorstrom auswertet, kann
man auf die Belastung und auf den Schlupf schließen. Um trotzdem bei Belastung eine möglichst konstante Drehzahl zu erreichen, wird die Speisefrequenz um die abgeschätzte Schlupffrequenz erhöht. Laut Parameterliste in
der Betriebsanleitung wird die Läufertemperatur berücksichtigt. Nach der beschriebenen Summierstelle hat man die Sollfrequenz des Ständers ermittelt.
Gemäß der ermittelten Sollfrequenz fsoll wird im Block „Spannungsberechnung“
die benötigte Spannung errechnet. Dabei kann zwischen zwei Charakteristiken
gewählt werden: Die lineare Kennlinie wird bei Antrieben mit Konstantmoment
verwendet. Bei Strömungsmaschinen (mit M~n²) wird die parabolische
Kennlinie benutzt. Damit sind bei Strömungsmaschinen Energieeinsparungen
möglich. Wird der Motor einer Strömungsmaschine nicht mit vollem Moment
belastet, benötigt man auch nicht den vollen Magnetisierungsstrom. Dadurch ist
eine Reduzierung der Verluste möglich, da die kleineren Ströme zu geringeren
Verlusten führen. Dies wird erreicht, indem die Spannung quadratisch zur
Frequenz
angehoben
wird.
[3]
Durch
den
Anwender
sind
bei
der
Inbetriebnahme die entsprechenden Parameter den Anforderungen nach zu
setzen.
Wird ein Schweranlauf der Drehstrommaschine gefordert, muss die Maschine
schon im Anlauf ihr Nennmoment oder ein höheres Moment aufbringen. Dazu
muss aber ein hoher Strom fließen, bei Frequenzen nahe Null. Der geforderte
höhere Strom fließt bei Anlegen einer höheren Spannung. Also wird die
Spannung bei kleinen Frequenzen erhöht (Anhebung des Boost). Dem
Bediener des SIMOVERT VC steht es frei, ob er die Spannungserhöhung direkt
vorgibt, oder ob er den Anhebestrom parametriert. Im letzten Fall rechnet der
Umrichter den Anhebestrom über den Ständerwiderstand in ein Spannungsäquivalent um. Damit hat das betrachtete Signal den Block Spannungsberechnung verlassen.
22
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In einer weiteren Summierstelle werden die Ergebnisse aus der I x RKompensation und der Ausgangsspannung des Stromreglers addiert. Zweck:
Die ohmschen Spannungsabfälle der Zuleitungen sollen kompensiert werden.
[4]
Im letzten Block kann über den Parameter „Maximaler Aussteuerungsgrad“ die
Höhe der maximal erreichbaren Ausgangsspannung festgelegt werden. Dieser
Parameter dient vor allem dem Schutz eventuell angeschlossener Sinusfilter.
Im unteren Bereich der Abbildung 12 sind die Elemente der Stromregelung abgebildet. In den, in der Dokumentation nicht näher beschriebenen Stromrechner, gehen die Phasenströme und Phasenspannungen ein. Der Stromrechner legt den drehmomentbildenden Strom fest. Dieser Wert wird unter
anderem zur Kompensation der Spannungsabfälle und der damit notwendigen
Spannungserhöhung genutzt.
Eine wichtige Rolle zum Schutz des Motors und des Umrichters spielt der
Parameter Imax (maximaler Strom). Er wird durch die gewählte Pulsfrequenz
beeinflusst. Bei hoher Pulsfrequenz sind die Schaltverluste in den Halbleitern
sehr hoch und der maximal zulässige Strom wird begrenzt.
Die thermische Belastungsfähigkeit von Motor und Umrichter wird durch eine
I2t-Rechnung laufend überwacht. Bei Überschreiten der maximal zulässigen
Verlustleistung (hoher Strom über langen Zeitraum) wird der Ausgangsstrom
auf 89% reduziert. [4] Damit wird einer Überhitzung von Wechselrichter und
Maschine vorgebeugt.
Der Parameter Beschleunigungsstrom (ganz unten im Bild) bewirkt einen
höheren Strom beim Hochlauf und damit eine bessere Dynamik, sowie ein
höheres Losbrechmoment im Anlauf.
'UHK]DKOUHJHOXQJQDFKGHP3ULQ]LSGHU
)HOGRULHQWLHUXQJ
Das im vorigen Kapitel gezeigte Verfahren ist ein Steuerverfahren. Es kann
nicht explizit sicherstellen, dass der vorgegebene Sollwert auch wirklich eingehalten wird. Der Drehzahlabfall bei Belastung kann zwar über die Schlupf-
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kompensation für genau parametrierte Fälle ausgeglichen werden, jedoch mit
sehr schlechter Dynamik.
Das jetzt vorgestellte Verfahren ist eine echte Drehzahlregelung. Es wird die
wirkliche Drehzahl gemessen und die Regeldifferenz zur Solldrehzahl ermittelt.
Ein geschlossener Drehzahlregelkreis ist realisiert worden. Zur Veranschaulichung dient Abbildung 13.
Die Drehzahlistwerterfassung funktioniert über einen schon im Motorgehäuse
eingebauten Impulsgeber. Bei der Inbetriebnahme ist der Umrichter so zu parametrieren, dass das Impulsgebersignal ausgewertet werden kann. So ist zum
Beispiel die Strichanzahl des Impulsgebers pro Umdrehung einzustellen. Das
Istwertsignal wird einem Plausibilitätstest unterzogen, d.h. es wird überprüft, ob
die gemessenen Drehzahländerung überhaupt möglich ist. Damit werden
fehlerhafte Ergebnisse, wie z.B. Drahtbruch erkannt. Das hochaufgelöste Istwertsignal wird danach in der Vorsteuerung geglättet. Der sich anschließende
Baustein Schleppfehlerkorrektur ist nur bei Impulsgebern wirksam und
verbessert die Drehmomentgenauigkeit bei Beschleunigungsvorgängen. Nach
einer
weiteren
Glättung
steht
das
Istwertsignal
zur
Berechnung
der
Regeldifferenz bereit. Die ermittelte Regeldifferenz wird dem Drehzahlregler
zugeführt.
Der Drehzahlregler, eigentlich besser Frequenzregler, ist ein PI-Regler. Verstärkung und Nachstellzeit sind parametrierbar, bzw. werden bei der automatischen Parametrierung vorbelegt.
Am Ausgang des Frequenzreglers erhält man über den Integralanteil den Drehmomentsollwert. An der anschließenden Summierstelle werden eventuelle Zusatzmomente, wie zum Beispiel beim Hochlauf berücksichtigt. Das Drehmomentsollwertsignal wird dann auf einen Drehmomentbegrenzer geführt. Die
obere und die untere Drehmomentgrenze werden durch vielfältige Parameter
begrenzt.
Die erste mögliche Drehmomentgrenze kann durch den Bediener bei der
Parametrierung des Antriebs festgelegt werden. Dazu muss er die mechanische
Belastbarkeit seines Antriebes bzw. der Arbeitsmaschine berücksichtigen. Als
weitere Drehmomentgrenze wird die maximale generatorische Wirkleistung, be24
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zogen auf die Umrichterbemessungsspannung, herangezogen. Die dritte Drehmomentgrenze wird durch die Stromgrenze hervorgerufen. Einfluss haben der
parametrierte zulässige Strom und die Stromreduzierung bei Überlast.
Die Division des Drehmomentwertes nach dem Begrenzer durch den Sollfluss
ergibt den Sollwert des drehmomentbildenden Stromes Isqsoll. Damit ist der
Sollwert der ersten Stromkomponente gefunden.
Der drehmomentbildende Strom beeinflusst den flussbildenden Strom über den
Block „Flussabsenkung“. Bei Belastung steigt der Sollfluss und damit der notwendige Magnetisierungstrom Isd. Bei geringer Belastung im Teillastbereich
wird die Dynamik ungünstig beeinflusst. Über den Block „Flussabsenkung“ kann
der Läuferfluss im Leerlauf beeinflusst werden und so zu einer besseren
Dynamik im Teillastbereich führen. [4]
Im Spannungsstellbereich, also bis zur Feldschwächfrequenz, wird der Fluss
durch die Sollflussvorgabe und die maximal verfügbare Ausgangsspannung
bestimmt.
Im Feldschwächbereich, also bei Erreichen der maximalen Um-
richterausgangsspannung, wird der Fluss über einen Feldschwächregler
reduziert. Aus der resultierenden Sollwertflussvorgabe wird der flussbildende
Strom Isd, unter Berücksichtigung des maximal zulässigen Stromes, gebildet.
Damit ist der Sollwert der zweiten Stromkomponente ermittelt.
Aus der Transformation der Phasenströme werden die Istwerte von Isd und Isq
gebildet. Die Addition mit den Sollwerten ergibt die Regeldifferenz und das Eingangssignal für die beiden Stromregler.
Die Ausgänge der beiden Stromregler sind entkoppelt, d.h. moment- und
flussbildende Stromkomponente werden unabhängig voneinander geregelt. Im
anschließenden Block erfolgt die Koordinatentransformation von kartesischen
in Polarkoordinaten. Im Ergebnis der Umrechnung der Stromreglerausgangssignale und der Rücktransformation erhält man den Spannungswert und den
Lagewinkel, der am Steuersatz eingestellt werden muss.
Die Entkopplung wird durch den Funktionsblock „Adaption“ beeinflusst. Der
Block berücksichtigt zum Beispiel Temperaturänderungen an Läufer und
Ständer sowie die damit verbundenen Widerstandsänderungen.
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Die ermittelte Istfrequenz wird je nach ermittelter Frequenz durch Strom- oder
EMK-Modell beeinflusst. So wird aus der Istfrequenz die Ständersollfrequenz,
welche das Eingangssignal für den Steuersatz darstellt (Abbildung 13 unten).
Zusammenfassend kann man feststellen:
1. Als Sollwert wird die Drehfrequenz vorgegeben.
2. Die Istdrehzahl (Istfrequenz) wird über einen Digitaltacho gemessen.
3. Aus der Soll/Ist Abweichung wird ein benötigtes Moment ermittelt.
4. Das Moment wird über flussbildenden Strom und momentbildenden
Strom eingestellt.
5. Isd und Isq werden rücktransformiert und entsprechend wird die Spannung
und der Lagewinkel eingestellt.
Die Istfrequenz wird über Strom- und EMK-Modell zur Ständersollfrequenz
bearbeitet und steht dann als Ausgangssignal für den Steuersatz zur Verfügung.
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V e rs tä rk u n g
V o rs te u e ru n g
n /f so ll
In te g ra la n te il d e s n /f
R e g le ra u s g a n g s =
D re h m o m e n ts o llw e rt
D re h z a h lre g le r
D re h m o m e n tb e g re n z u n g
M m a x2
S o llflu s s re d u z ie ru n g
ab
F e ld s c h w ä c h fre q u e n z
M AX
P la u s ib ilitä ts te s t
A u s s te u e ru n g s g ra d
A u s s te u e rre s re v e
U dist g la tt
M IN
I sd s o ll
I 2 t-R e c h n u n g
8 9%
I m ax
M m ax 1
B e re c h n u n g
I sq m a x
I m a x s o ll
I sq m a x
P s i s o ll g e s a m t
f so ll S tä n d e r
M /I-Z u s a tz s o llw e rt
B e re c h n u n g I soll
M s ta tis c h
M d y n a m is c h
I s q s o ll
-1
P h a s e n s trö m e
M o to rm o d e ll
T ra n s fo rm a tio n
I s d is t
-
F e ld s c h w ä c h re g le r
P s i s o ll
gesam t
Isq soll
F lu s s s o llw e rt
f so ll S tän de r
E rregu ng szeit,
S an ftan la uf
E rre g u n g s z e it,
S a n fta n la u f
Psi
K e n n lin ie
M
I
N
P s i G lä ttu n g
U dis t g la tt
I m ax s o ll
S tro m re g le r
B e re c h n u n g
I sd s o ll
I sq s o ll
P
A lp h a s o ll
(z u m S te u e rs a tz )
-
A d a p tio n
V o rs te u e ru n g u n d
E n tk o p p lu n g
I-M o d e ll
E M K -M o d e ll
S c h lu p ffre q u e n z
n /f is t
U d -K o rre k tu r u n d
S p a n n u n g s b e g re n z u n g
K
-
89 %
Isqist
A usgangsspannung
Psi soll glatt
B e re c h n u n g
d e r F e ld s c h w ä c h fre q u e n z
F lu s s absenkung
P w m ax g e n
S c h le p p fe h le rk o rre k tu r
n/f ist
D re h z a h lgeber
n ist /f ist
Geber
G lä ttu n g n /f is t
Mmin
f soll S tä n d e r
G lä ttu n g
V o rs t.
Mmax
G lä ttu n g
n /f V o rs te u e ru n g
n/f
Regeldifferenz
M soll Z u s a tz , z .B . H o c h la u f
EM KR e g le r
Ausgangsspannung
(z u m S te u e rs a tz )
f so ll S tä n d e r
(z u m S te u e rs a tz )
$EELOGXQJ'UHK]DKOUHJHOXQJQDFKGHP3ULQ]LSGHU)HOGRULHQWLHUXQJVFKHPDWLVFK
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Labor Elektrische Antriebe
)UDJHQ]XU9HUVXFKVYRUEHUHLWXQJ
1. Welche elektrischen Maschinen werden heute als frequenzveränderliche
Drehfeldmaschinen eingesetzt?
2. Welche
technisch
relevanten
Verfahren
zur
Erzeugung
eines
frequenzveränderlichen Drehfeldes kennen Sie? Wann wird welche
Lösung bevorzugt und welche Maschinen werden dann eingesetzt?
3. Machen Sie sich mit dem Steuerungsschema der U/f-Steuerung am
SIMOVERT
VC
vertraut!
Welche
beiden
Formen
kann
die
Steuerkennlinie (U = f(f)) des SIMOVERT VC annehmen? Wann wird
welche Form genutzt? Wie funktioniert die Schlupfkompensation?
4. Machen Sie sich mit dem Schema der Drehzahlregelung vertraut!
Warum ist das Verfahren ein Regelverfahren (im Vergleich zur U/fSteuerung)? Welche Stromkomponenten bestimmen Fluss und Moment?
/LWHUDWXUYHU]HLFKQLV
[1]
Vorlesungsmitschriften Elektrische Antriebe
[2]
Peter F. Brosch: Moderne Stromrichterantriebe, 3. Auflage, 1998
[3]
Peter F. Brosch Praxis der Drehstromantriebe
[4]
Siemens: Betriebsanleitung SIMOVERT VC
[5]
Siemens: Betriebsanleitung DC Master
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