4.6 Steuerung - antriebstechnik.fh

4.6 ASM: Steuerung
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Drehzahlstellung
Aus der Grundgleichung (4.2-3) für die Drehzahl
f
n = 1 (1 − s )
p
ergeben sich drei Möglichkeiten zur Drehzahlsteuerung einer ASM:
1. Vergrößerung des Schlupfes s
• Vorwiderstände im Läuferkreis von Schleifringläufer
• Absenkung der Klemmenspannung
2. Änderung der Polpaarzahl p
• Ständerwicklung unterschiedlicher Polzahl
• Polumschaltbare Wicklung (Dahlander)
3. Änderung der Speisefrequenz f1
• Umrichterschaltungen der Leitungselektronik
Schlupfsteuerung
Vorwiderstand im Läuferkreis:
Das Drehmoment der ASM kann gemäß Gleichung (4.3-30) über
p
p
R
M=
PCu2 = m2 I22 2
sω
ω
s
berechnet werden, wenn I2 der Strangstrom im Rotor eines Schleifringläufers und R2 den Strangwiderstand darstellt.
Wird zusätzlich in den Läuferkreis der Maschine ein Vorwiderstand
R2V geschaltet, so ergibt sich
p
R +R
M * = m 2I2∗2 2 ∗ 2v .
ω
s
Unter der Voraussetzung, dass bei der gewünschten Drehzahländerung das Lastmoment konstant ist, bleibt auch der Rotorstrom
näherungsweise konstant.
Durch Gleichsetzen M = M ∗ erhält man den für die Schlupfänderung erforderlichen Vorwiderstand
s∗
R2V =
− 1 R2
(4.6-1)
s
FG
H
IJ
K
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Bild 4.6-1: Drehzahleinstellung
durch Läufervorwiderstände R2V
Änderung der Klemmenspannung
Nach Gleichung (4.3-31) ist das Kippmoment proportional dem
Quadrat der Klemmenspannung. Änderungen der Klemmenspannung ergeben die in Bild 4.6-2 dargestellten Verläufe der n(M ) Kennlinien
Bild 4.6-2: n(M ) -Kennlinien bei variabler Klemmenspannung:
a) normaler Läufer, b) Widerstandsläufer für Lüfterantriebe
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Zwischen der Abgabeleistung P2 und den Kupferverlusten PCu2
lässt sich nach Gleichung (4.3-27) und (4.3-28) folgender Zusammenhang angeben:
PCu2 = P2
s
.
1− s
(4.6-2)
Bei in etwa konstanter Abgabeleistung steigen die Verluste der
ASM mit zunehmendem Schlupf überproportional an!
Änderung der Polpaarzahl
Getrennte Wicklung:
Der Stator wird mit zwei oder auch mehr Wicklungen ausgestattet.
Da immer nur eine Wicklung eingeschaltet ist, kann bei zwei getrennten Wicklungen nur der halbe Nutraum ausgenutzt werden.
Wegen der erhöhten Kupferverluste im Stator reduziert sich die
Bemessungsleitung der Maschine auf etwa 70%.
Dahlanderschaltung
Werden Drehzahlen im Verhältnis 1:2 benötigt, so verwendet man
fast immer eine polumschaltbare Wicklung nach Dahlander (Bild
4.6-3). Bei der Dahlanderschaltung sind immer alle Wicklungszweige eingeschaltet, der Nutraum ist also voll ausgenutzt.
Die Spulenweite kann bei der Umschaltung nicht verändert werden.
Dadurch ergibt sich bei Verwendung von Durchmesserspulen für
die hochpolige Wicklung zwangsläufig bei der halben Polzahl eine
Schrittverkürzung auf y τ p = 0,5 .
Die Maschine erreicht deshalb bei doppelter Drehzahl nicht die
doppelte Leistung, sondern nur das 1,5 bis 1,8-fache der Leistung
bei kleiner Drehzahl.
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Bild 4.6-3: Prinzip der Dahlanderschaltung ∆ / YY
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Änderung der Speisefrequenz
Durch Änderung der Speisefrequenz kann die Drehzahl der Asynchronmaschine stufenlos gesteuert werden.
Damit die magnetische Ausnutzung der Maschine nicht verändert
E
wird, muss wegen Φ h ~
das Verhältnis zwischen induzierter
f
Spannung und Speisefrequenz der Statorwicklung konstant gehalten werden.
Hieraus ergibt sich bei Vernachlässigung des Statorwiderstandes
die typische Steuerkennlinie eines Frequenzumrichters gemäß Bild
4.6- 4.
Bild 4.6-4: Steuerkennlinie U f für den Betrieb einer Asynchronmaschine an einem Frequenzumrichter
Ist die maximale zur Verfügung stehende Spannung des Versorgungsnetzes erreicht, kann die Frequenz nur noch bei konstanter
Spannung erhöht werden. Wegen der Schwächung des Hauptflusses spricht man vom Feldschwächebetrieb.
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Bild 4.6-5: Drehzahlkennlinien einer frequenzgesteuerten Asynchronmaschine
Das Kippmoment ist im Feldschwächebereich proportional 1 f12
(4.3-31). Das Belastungsmoment ist bei der geforderten konstanten
Leistung proportional 1 f1 . Dadurch ergibt sich eine Grenzdrehzahl,
bei der das Kippmoment keinen genügenden Sicherheitsabstand
zum Lastmoment mehr besitzt.
Bei üblichen Asynchronmaschinen liegt die Drehzahlgrenze in etwa
bei der doppelten Nenndrehzahl.
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Zur Einstellung der Speisefrequenz benutzt man heute meist Frequenzumrichter mit netzgeführtem Gleichrichter, Gleichspannungszwischenkreis (U-Umrichter) und Wechselrichter (Bild 4.6-6)
Bild 4.6-6: Prinzipschaltung eines Frequenzumrichters mit Spannungszwischenkreis.
Die Steuerung der Spannung erfolgt über die sogenannte Pulsweitenmodulation (Bild 4.6-7). Die Induktivitäten der Maschine sorgen
dafür, dass bei genügend hoher Taktfrequenz der Motorstrom quasi
sinusförmig ist.
Bild 4.6-7: Pulsweitenmodulation der Zwischenkreisspannung nach
dem Unterschwingungsverfahren, UG : Grundschwingung
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Anlaufschaltungen
Das direkte Hochfahren eines Asynchronmotors ist durch hohe Anlaufströme (4IN...8IN ) bei verhältnismäßig kleinem Anlaufmoment
gekennzeichnet. Insbesondere der Schleifringläufer kann unter Last
i. A. nicht anlaufen.
Wie schon im Abschnitt "Drehzahlstellung" gezeigt, kann mit der
Gleichung (4.6-1) ein gewählter Arbeitspunkt der Drehmomentenkennlinie zu beliebigen anderen Schlupfwerten s ∗ hin verschoben
werden. Soll z. B. ein Schleifringläufer bei s ∗ = 1 mit Bemessungsmoment bzw. Bemessungsstrom anfahren, so ergibt sich der Vorwiderstand zu R2 V = R2 (1 sN − 1) , soll er mit Kippmoment anfahren,
so gilt R2 V = R2 (1 sK − 1).
Durch mehrfaches Stufen des Vorwiderstandes während des
Hochlaufs kann quasi mit konstantem Moment, bzw. Strom angefahren werden (Bild 4.6-8). Nach der Richtlinie VDE0660 soll in etwa mit einem Maximalmoment von M 2 = 15
, MN und einem Um, MN gestuft werden (Bild 4.6-8)
schaltmoment von M1 = 11
Bild 4.6-8: Anlassvorgang bei einem Schleifringläufer
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Der Anlaufstrom des Käfigläufers kann nur durch Absenkung der
Strangspannung reduziert werden. Während der Strom linear mit
der Spannung sinkt, reduziert sich das Drehmoment quadratisch
mit der Spannung, was sich nachteilig auf das Anlaufverhalten des
Käfigläufers auswirkt.
Seit langem gebräuchlich ist die sogenannte Stern-DreieckSchaltung, wo während des Anlaufs der Motor im Stern mit einer
um 3 reduzierten Strangspannung geschaltet ist (Bild 4.6-9)
Bild 4.6-9: Spannungen, Ströme und
Drehmomente bei
dem Stern-DreieckAnlauf
Denkbar ist auch das Anfahren über Transformatoren oder das
Schalten von Vorwiderständen in eine oder mehrere Motorzuleitungen (Kusaschaltung)
Elektronische Sanftanlasser, die den Anlaufstrom auf den zulässigen Wert begrenzen, kommen ebenfalls zu Einsatz. Diese Anlasser können zusätzlich dazu eingesetzt werden, bei längeren Leerlaufzeiten der Maschine die Verluste durch Absenkung der Klemmenspannung zu reduzieren.
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Bremsschaltungen
Wird eine Asynchronmaschine an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen, so baut sich ein Feld im Luftspalt auf, dessen Grundwelle räumlich sinusförmig aber zeitlich konstant ist. Dies ist ein
"Drehfeld" mit der Drehfrequenz null.
Aus jeder beliebigen Drehzahl wird der Asynchronmotor also auf
die "synchrone Drehzahl" des Drehfeldes n0 = 0 gebremst. Der
Motor entwickelt im Stillstand kein Haltemoment.
In Bild 4.6-10 sind verschiedene Schaltungen für die Gleichstrombremsung dargestellt, wobei der Gleichstrom Id so eingestellt ist,
dass sich die gleiche Gesamtdurchflutung wie bei Bemessungsstrom IN ergibt. Bremskennlinien sind in Bild 4.6-11 dargestellt.
Bild 4.6-9: Schaltungen zur Gleichstrombremsung einer ASM
3
3
IN , c) Id =
IN , d) Id = 6IN
a)Id = 2IN , b) Id =
2
2
Bild 4.6-11: Bremskennlinien bei
Gleichstrombremsung und Läufervorwiderstände
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Eine Gegenstrombremsung erhält man, wenn bei einem mit
Nenndrehzahl laufenden ASM zwei Zuleitungen vertauscht werden
(Bild 4.6-12). Das Drehfeld kehrt seine Richtung um und der Motor
beschleunigt auf die negative synchrone Drehzahl (Bild 4.6-13).
Bild 4.6-12: Schaltung zur Umkehrung
der Drehfeldrichtung
Bild 4.6-13: Bremskennlinie bei Gegenstrombremsung
Sowohl Gleich- als auch die Gegenstrombremsung sind sogenannte Verlustbremsungen, da die kinetische Energie des Antriebs
in Wärme (Rotor) umgesetzt wird.
Mit Hilfe eines Frequenzumrichters kann eine ASM auch durch
kontinuierliche Reduzierung der Drehfelddrehzahl gebremst werden. Die kinetische Energie wird in den Gleichspannungszwischenkreis zurückgespeist, was einer Erhöhung der Zwischenkreisspannung bewirkt. Die überschüssige Energie im Zwischenkreis kann
mit Hilfe eines zugeschalteten Widerstandes in Wärme umgesetzt
werden (Brems-Chopper, Verlustbremsung) oder aber mit einer geeigneten Schaltung in das Netz zurückgespeist werden (Nutzbremsung).
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