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64 PowerXL Frequenzumrichter
Allgemeine Informationen zur Projektierung
Allgemeine Informationen zur Projektierung
Steuerverfahren
Die IGBTs im Wechselrichter der
Frequenzumrichter werden mit einer
sinusbewerteten Puls-Weiten-Modulation
(PWM) gesteuert. In der Praxis
unterscheidet man dabei folgende
Steuerverfahren:
• Spannungs-Frequenz-Steuerung
(U/f-Steuerung),
• U/f-Steuerung mit Schlupfkompensation
• sensorlose Vektorsteuerung (Drehzahlsteuerung),
• Vektorregelung, Drehzahlregelung
(closed loop).
Die Spannungs-Frequenz-Steuerung
ist das bekannteste und am häufigsten
angewandte Verfahren. Hierbei wird
über eine einfache Kennlinie (linear
oder quadratisch) die Drehfeldfrequenz
für den Motor vorgegeben und
die entsprechende dreiphasig verkette
Motorphasenspannung derart ausgewählt,
dass der Motor weder unternoch
übermagnetisiert ist.
Hauptanwendungen der U/f-Steuerung
sind:
• Pumpen- und Lüfterantriebe,
• Horizontale Förder- und Transporteinrichtungen,
• Mehrmotorenantriebe (Parallelbetrieb
mehrerer Motoren im Ausgang
eines Frequenzumrichters).
Bei der U/f-Steuerung mit Schlupfkompensation
kann die lastabhängige
Drehzahländerung bei Einzelantrieben
kompensiert werden (sensorlos).
Bei der sensorlosen Vektorsteuerung
werden die Magnetfelder von Läufer
und Ständerwicklung gegeneinander
ausgerichtet. Beim Asynchronmotor
muss dazu der magnetische Fluss im
Läufer über ein elektronisches Motormodell
nachgebildet werden. Dies
erfordert die Eingabe der physikalischen
Parameter vom Leistungsschild
des Motors.
Im Vektorbetrieb kann der Frequenzumrichter
nur einen einzelnen Motor
im Ausgang steuern. Der Parallelbetrieb
mehrerer Motoren ist hier nicht
möglich. Durch die exakte Berechnung
der Phasenspannungen im
Ausgang des Frequenzumrichters wird
allerdings das Betriebsverhalten des
einzelnen Motors verbessert. Zudem
wird im unteren Drehzahlbereich die
Motorerwärmung reduziert. Die feldorientierte
Vektorsteuerung bewirkt
eine deutliche Erhöhung der Antriebsdynamik
sowie eine Leistungsoptimierung
und steigert die Anzahl der
Verwendungsmöglichkeiten.
Hauptanwendungen der sensorlosen
Vektorsteuerung sind:
• Materialbearbeitungs- und verarbeitungsmaschinen,
• Verdichter (Kompressor),
• Schweranlauf (Extruder, Rührwerke,
Mischer),
• Hub- und Hebeeinrichtungen (vertikale
Förderung, Kran, Aufzug).
Bei der Vektorregelung dient der
Ausgangsstrom des Frequenzumrichters
als Regelgröße. Der Drehstrommotor
kann dadurch optimal auf die
Drehmomentforderung angepasst
werden. In Verbindung mit einem
Drehzahlgeber (Tacho, Impulsgeber)
kann die Motordrehzahl geregelt
werden (closed loop).
u 1
1 Ständerwicklung
2 Luftspalt
3 transformierte Läuferwicklung
Vereinfachtes Ersatzschaltbild eines Drehstrommotors
Motormodell
X 1
i 1
1
2
Unabhängig vom Steuerverfahren
berechnet ein Frequenzumrichter aus
gemessenen Spannungs- und Stromwerten
der Ständerwicklung (u1, i1)
die erforderliche Stellgröße für die
flussbildende Größe i μ und die drehmomentbildende
Größe im Läufer iw.
Der lastabhängige Schlupf des Motors
ist als Widerstand R‘2/s abgebildet. Im
unbelasteten Leerlauf geht dieser
Wert gegen unendlich (iw → 0). Mit
zunehmender Last geht dieser Widerstandswert
gegen Null. Der Strom im
Läufer wird größer.
R 1
X'
R' 2
2
s
i w
i μ
X h
3
Erläuterungen
EMV = Elektromagnetische
Verträglichkeit
EVU = Energieversorgungsunternehmen
IGBT = Insulated-Gate-Bipolar-
Transistor
PDS = Power Drives System (Antriebssystem)
RCD = Residual Current Device
(Fehlerstromschutzeinrichtung)
Energieeffiziente Antriebstechnik (ERP-Richtlinie)
Die Notwendigkeit zur Energieeffizienz in einem PDS und gesetzliche Vorgaben
(EC 640/2009) haben die Mindestwirkungsgrade von Motoren neu festgeschrieben.
Danach müssen alle ab dem 1. Januar 2017 neu in den Verkehr gebrachte Motoren
im Leistungsbereich von 0,75 bis 315 kW mindestens die Wirkungsgradklasse IE3
erreichen oder der Wirkungsgradklasse IE2 entsprechen, wenn sie mit einer
elektronischen Drehzahlregelung (Frequenzumrichter, Drehzahlstarter) betrieben
werden. Unter diesen Rahmenbedingungen sind heute folgende Ausprägungen von
Drehstrommotoren dominant:
• Drehstrom-Asynchronmotor (DASM),
• Permanentmagnetmotor (PM),
• Synchron-Reluktanzmotor (SynRM)
Diese drei Motortechnologien haben bei identischer Effizienzklasse einen
vergleichbaren Wirkungsgrad im Nennbetriebspunkt. Deutliche Unterschiede gibt
es dagegen beim Anlaufverhalten, im Teillastbetrieb, bei den Anschaffungskosten
und in der Baugröße.
PM-Motor sind Synchronmotoren, das heißt es gibt keinen Schlupf zwischen Rotorund
Statordrehfeld. Für die Magnetisierung des Rotors sorgen die Magnete. Das
reduziert die Verluste im Rotor und erhöht den Wirkungsgrad, speziell bei niedriger
Drehzahl. Für den Start und Betrieb benötigt der PM-Motor einen Frequenzumrichter
(DA1).
Beim SynRM-Motor haben die Rotorbleche spezielle Schnittmuster. Sie führen die
Magnetlinien in das Innere des Rotors und erzeugen ein sogenanntes Reluktanzmoment.
Dieses resultiert aus einer Änderung des magnetischen Widerstands und
zeichnet sich ab etwa 11 kW durch einen sehr guten Wirkungsgrad bei reduzierten
Drehzahlen auf, der sich unter Last ändert. Auch hier werden ein reibungsloser
Betrieb und eine optimale Drehzahlregelung nur mit Frequenzumrichtern (DA1)
gewährleistet.
Prinzipiell lassen sich alle drei Varianten mit der sogenannte U/f-Kennlinie
betreiben, allerdings garantieren nur speziell auf die jeweilige Motortechnologie
angepasste Regelalgorithmen die Effizienzvorteile der einzelnen Technologien. Nur
mit solchen Algorithmen lässt sich der Motorbetrieb auch bei wechselnden Lasten
in jedem Arbeitspunkt optimieren.
Der Asynchronmotor funktioniert nach dem bekannten Prinzip, bei dem durch die
Bildung von Magnetfeldern in Stator und Rotor eine Abstoßung und dadurch eine
Drehbewegung entstehen. Er kann direkt am elektrischen Netz anlaufen.
CA04020001Z-DE-INT
www.eaton.eu