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TECHNIK LEISTUNGSELEKTRONIK
Asynchron-Motor-
Asynchron-Motor-
mit SPM und AVR
Evaluation-Board für
AT90PWM3-Mikrocontroller und
Fairchild-Smart-Power-Modul
Von Paul Goossens
Die Drehzahlsteuerung von Asynchron-Motoren erfordert einen dreiphasigen
Frequenzumrichter, auch als Frequenz-Inverter bekannt. Kernstück des Evaluation Kit
ATAVRMC200 von Atmel ist eine vielseitige Motorsteuer-Platine mit einem speziellen AVR-
Mikrocontroller und Fairchild-SPM-Modul als Leistungsstufe. Insbesondere der sensorlose
Betrieb von Asynchron-Motoren kann damit einfach realisiert werden.
Der E-Techniker spricht natürlich nicht vom Asynchronmotor,
sondern von der Drehstrom-Asynchronmaschine,
auch Drehstrom-Induktionsmaschine [1] genannt. Wie
die Bezeichnung schon besagt, braucht dieser Motor
Drehstrom, also ein Drei-Phasen-Netz. Diese drei mit den
Buchstaben U, V und W bezeichneten Phasen werden
benötigt, um mit den Statorwicklungen ein Drehfeld zu
erzeugen. Die einfachste Methode besteht darin, diese
drei Wicklungen jeweils an eine sinusförmige Spannung
anzuschließen, wobei die drei Sinussignale um jeweils
120 Grad phasenverschoben sind. Ein Drehstromnetz
stellt diese drei Phasenspannungen mit einer Frequenz
von 50 Hz und einer Spannung von 400 V (von Phase
zu Phase) zur Verfügung.
Da der Läufer eines Asynchronmotors mit einem kleinen
Schlupf dem umlaufenden Drehfeld folgt, hängt seine
Drehzahl in sehr engen Grenzen von der Frequenz des
dreiphasigen Wechselstroms ab und variiert beim Betrieb
am Drehstromnetz mit 50 Hz nur in einem relativ kleinen
Bereich und abhängig von der Last. Die Drehzahl lässt
sich daher praktisch nur über eine Änderung der Frequenz
steuern. Ein Frequenzumrichter löst dieses Problem:
Er erzeugt aus der gleichgerichteten Netzspannung ein
dreiphasiges sinusförmiges Ausgangssignal mit einstellba-
rer Frequenz und meist auch einstellbarer Amplitude, so
dass sich Drehzahl und Drehmoment steuern lassen.
Wechselrichter
Der Drehstrom-Frequenzumrichter besteht dabei im Prinzip
aus drei Sinus-Wechselrichtern mit variabler Frequenz.
Wie bei den bekannten einphasigen Wechselrichtern
(12 V DC/230 V AC) sind lineare Leistungsstufen wegen
des schlechten Wirkungsgrads weniger geeignet, um das
Sinussignal zu erzeugen. Besser ist es, die Leistungstransistoren
als Schalter einzusetzen (siehe Bild 1) – mit
möglichst geringer Verlustleistung. Wenn Schalter S a+ mit
einem PWM-Signal und Schalter S a- mit dem gleichen,
aber invertierten PWM-Signal gesteuert wird, lässt sich
durch die Pulsbreite des PWM-Signals (gemittelt) jeder
gewünschte Spannungswert zwischen 0 V und Betriebsspannung
einstellen. Die Sinusform der Spannung wird
durch eine entsprechende Modulation der Pulsbreite des
PWM-Signals erzielt.
Bei den SPM-Modulen lassen sich diese Leistungsschalter
über TTL-kompatible Eingänge (5-V-Logikpegel) steuern.
Bei der Ansteuerung der Leistungsschalter (IGBTs oder
FETs) muss man sorgfältig darauf achten, dass niemals
42 elektor - 5/2007