Regelverfahren für Drehstromantriebe Starker und präziser Rundlauf

Bis in die 1970er-Jahre bildete der Gleichstrommotor praktisch die einzige Möglichkeit, in Industrieanwendungen Drehzahl und Drehmoment stufenlos zu regeln. Aus regelungstechnischer Sicht ist er eigentlich der ideale Antrieb, wenn der mechanische Kommutator nicht wäre. Der klassische Gleichstrommotor ist verschleißanfällig. Er zieht somit nicht nur mechanische Lasten, sondern auch Servicekosten nach sich. Wesentlich robuster – und praktisch wartungsfrei – zeigt sich dagegen der Asynchronmotor. Aber er ließ sich bei Weitem nicht so einfach regeln. Vor allem, als die (Drehstrom-) Regelungstechnik und Leistungselektronik noch in den Kinderschuhen steckten. Zu einer Zeit, als es noch keine digitalen Signalprozessoren gab und Power-Mosfets sowie IGBTs bestenfalls als Gedanken auf dem Papier existierten. Heute sind gesteuerte und geregelte Drehstromantriebe nicht mehr wegzudenken. Nach wie vor weisen sie die höchsten Zuwachsraten innerhalb der elektrischen Antriebstechnik auf. Spannung und Frequenz verstellen – einfach (und) genial Unkomplizierte Anwendungen wie Pumpen, Lüfter oder einfache Fördertechnik bilden die Domäne für Umrichter mit Spannungs/Frequenz-Steuerung. Sie ist das traditionelle Verfahren zum Antreiben von Drehstrommotoren mit mittlerer Dynamik. Ihr Kerngedanke ist die proportionale Verstellung von Spannung und Frequenz. So bleibt der Fluss in der Maschine konstant und das maximale Moment erhalten (Bild 1). Weil der Nennfluss das höchste Drehmoment je kg Maschine entwickelt, kommen die eingesetzten Rohstoffe – Stahl, Kupfer, Isoliermaterialien – am effektivsten zur Geltung. Aus Sicht des Motors erscheint der gesteuerte Umrichter als eine \’verstellbare Steckdose bezüglich Netzspannung und Netzfrequenz\‘. Deshalb kann man mit dieser Variante grundsätzlich auch mehrere kleinere Motoren gleichzeitig an einem Umrichter betreiben. Dank ihres einfachen Prinzips und ihrer leichten Handhabbarkeit sind Frequenzumrichter mit der U/f-Steuerung schon nach kurzer Zeit einsatzbereit. Sie hat sich daher als Standardverfahren (ohne Drehzahlrückführung) durchgesetzt. Auch SEW-Eurodrive verwendet ein Verfahren auf Basis der U/f-Steuerung bei den Frequenzumrichtern Movitrac LTE B, Movitrac B und Movidrive B für die Schaltschrankinstallation sowie bei den dezentralen Antriebsreglern Movimot, Movifit FC und Movipro SDC. Feldorientierung für optimales Betriebsverhalten Genügt eine einfache Drehzahlverstellung für die Antriebsaufgabe nicht, weil hohe Dynamik oder ein großes Drehmoment gefordert ist, kommt eine feldorientierte Regelung in Betracht. Diesem, bereits Ende der 1960er-Jahre erfundenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Magnetfeld im Luftspalt und die Rotorgeometrie das Betriebsverhalten der Asynchronmaschine bestimmen. Ihr Drehmoment verhält sich proportional zum Strom und somit zum magnetischen Fluss. Weil jede Änderung der in einem Magnetfeld gespeicherten Energie Zeit benötigt, erhält man das schnellste Momenten-Anregelverhalten, wenn man den Fluss über den Magnetisierungsstrom (im Grunddrehzahlbereich) drehzahlunabhängig konstant hält und nur den momentbildenden Strom verändert. Die Flusskonstanz verlangt einen unveränderlichen Erregerstrom. Und zur Erzielung des Maximalmoments muss der Winkel zwischen Drehmoment und Fluss 90° betragen. Das gilt ebenso für Gleichstrom- wie für Drehstrommotoren. Weil das Rechnen mit komplexen Ausdrücken der Form ej2/3 nicht jedermanns Sache ist, lässt sich ein Drehstromsystem mit drei um 120° versetzten Wicklungen (a, b und c) vereinfacht durch ein zweiphasiges, orthogonales Ersatzschaltbild mit a- und ß-Koordinaten darstellen (Bild 2). Derart kann man den im Motor rotierenden Ständerstrom(vektor) IS in seine Komponenten Ia und Iß zerlegen. Wenn man ihn – bezogen auf das Drehfeld – in Feldkoordinaten umrechnet, lässt er sich in die Komponenten Id und Iq aufspalten, auch D(irekt)- bzw. Q(uer)-Achse genannt (Bild 3). Sie stehen in Bezug zum rotierenden System – ähnlich wie die Mitfahrer auf einem Karussell – still. Es lässt sich zeigen, dass Id (in Flussrichtung) dem Erregerstrom der Gleichstrommaschine entspricht und Iq (orthogonal dazu) dem momentbildenden Ankerstrom. Gelingt es, Id konstant zu halten und Iq nach Vorgabe des gewünschten Drehmoments zu variieren, kann man einen Asynchronmotor ähnlich gut regeln wie einen fremderregten Gleichstrommotor. Jetzt benötigt man noch eine Information über die Lage des Feldes im Motor, also den Drehwinkel d. Damit kann man Id und Iq aus den Ständerkoordinaten Ia und Iß berechnen. Somit lässt sich das Feld indirekt über die Klemmengrößen, das heißt den Ständerstrom beeinflussen. Zu den Feldkoordinaten im Inneren des Motors besteht kein direkter Zugriff. Technische Lösungen in dieser Richtung, z.B. der Einbau zusätzlicher Messwicklungen, wären aufwändig und unwirtschaftlich. Zudem würden sie den großen Vorteil der ASM – ihre einfache und robuste Konstruktion – untergraben. Daher ist ein Drehgeber für feldorientierte Regelverfahren (zunächst) zwingend erforderlich. Es geht auch ohne Drehzahlmessung Weil aber Anschaffungs- und Installationskosten für den Drehgeber und seine EMV-gerechte Verdrahtung dem Anwender Bauchschmerzen bereiteten, war die Forderung nach einfach zu handhabenden Lösungen die logische Konsequenz. Folglich gab es zahlreiche Ideen, die Winkelmessung durch eine modellgestützte Berechnung zu ersetzen. Trotz vieler Ansätze zur sensorlosen Ermittlung der Drehzahl wiesen die meisten anfangs bei niedrigen Drehzahlen und im Stillstand prinzipbedingt schlechte Leistungen auf. Später jedoch wurde der sensorlose Betrieb durch verbesserte Verfahren bei den meisten Industrieanwendungen möglich. SEW-Eurodrive entwickelte das spannungsgeführte Flussregelverfahren VFC (Voltage Flux Control) für dynamisch und präzise gesteuerte Drehstromantriebe mit großer Drehzahlkonstanz. Es wird beispielsweise im Frequenzumrichter Movitrac B (Bild 4) eingesetzt, um bei Fördertechnik-Anwendungen kurzzeitige, hohe Lastspitzen abzufangen und schnell auszuregeln. Stromgeführte Flussregelung für höchste Anforderungen Grundsätzlich bleibt aber festzuhalten: Am genauesten ist – bei allen Regelverfahren – der Betrieb mit einem Drehgeber. Vor allem bei typischen Servoanwendungen mit höchsten Anforderungen an Drehzahlkonstanz, Dynamik und Spitzenmoment – z.B. Verpackungs-Füllmaschinen, Wickler (Bild 5) und Handlinganwendungen wie Portale oder Roboter – ist der Einsatz eines Drehgebers zwingend erforderlich. Die stromgeführten Flussregelverfahren CFC (für Asynchronmaschinen) oder Servo (für Synchronmaschinen) gewährleisten in den SEW-Produktreihen Movidrive B, Moviaxis und Movipro SDC eine hohe Regelgüte. Unterschiedliche Regelverfahren sind in den verschiedenen Antriebselektronik-Produkten von SEW-Eurodrive integriert. U/f und VFC benötigen keine Information über die Rotorlage durch ein Gebersystem. Hingegen können die Regelverfahren VFC-n, CFC und Servo ohne ein Gebersystem nicht betrieben werden, liefern allerdings eine höhere Regelgüte und die Möglichkeit der Positionierung. All diese Verfahren kommen im Applikationsumrichter Movidrive B zum Einsatz (Bild 6). Kostenoptimierung durch das richtige Regelverfahren In der Projektierung eines elektrischen Antriebssystems ist es entscheidend, die Anforderungen an die Regelgenauigkeit der Anwendung zu identifizieren. Sind die Anforderungen transparent und spezifiziert, kann das Antriebssystem aus den notwendigen Komponenten (Getriebe, Motor, Geber, Umrichter, Steuerung) zusammengestellt und abgestimmt werden. Kernziel ist, die richtigen Komponenten mit den spezifischen Anforderungen bezüglich der Regelgüte kostenoptimiert abzustimmen. Werden die Anforderungen von Anfang an zu hoch oder zu niedrig eingeschätzt, entsteht unnötiger Mehraufwand. Hier sieht sich SEW-Eurodrive als Spezialist in der Begleitung des Kunden bei der optimalen Auswahl der Antriebskomponenten. Kasten: Abkürzungen und Formelzeichen AP – Arbeitspunkt ASM – Asynchronmaschine CFC – Current Flux Control; stromgeführtes Flussregelverfahren für ASM mit Geber Ia, Iß – Komponenten des Ständerstromvektors Id, Iq – Komponenten in Feldkoordinaten IS – rotierender Ständerstromvektor M – Drehmoment Mkipp – Kippmoment Mnenn – Nenndrehmoment n – Drehzahl VFC – Voltage Flux Control; spannungsgeführte, vektorgeregelte Betriebsart ohne Geber VFC-n – spannungsgeführte, vektorgeregelte Betriebsart mit Geber SERVO – stromgeführtes Flussregelverfahren für Synchronmaschinen mit Geber U/f – Spannungs/Frequenz-Steuerung a, ß – Ständerkoordinaten des orthogonalen Ersatzschaltbilds d, q – Feldkoordinaten der Direkt- und Querachse d – mechanischer Drehwinkel