Asynchron - Servoantrieb

1. Versuchsaufbau

1.1. Allgemeines Es stehen zwei Drehstromasynchronmotoren mit Kurzschlusslufer zur Verfgung. Jeder von ihnen wird durch einen Frequenzumrichter (Pulswechselrichter) gespeist. An beiden Maschinen sind Inkrementalgeber zur Erfassung der Drehzahl, angebracht. Die beiden Umrichter sind mit Mikroprozessoren ausgestattet, die smtliche Funktionen der Rege-lung, Steuerung und berwachung bernehmen. Komplettiert wird der Versuchsaufbau durch einen PC, von dem aus ber Software die Antriebsstze parametriert werden knnen. Die ntigen Schaltvorgnge zur Untersuchung der Antriebe werden an dem Bedienfeld des Versuchsaufbaus vorgenommen. Auf der linken Seite der Frontplatte befindet sich das Bedienfeld fr den SEW-Umrichter MOVIDRIVE auf der rechten Seite das des Stber-Umrichters POSIDRIVE.

Abbildung 1: Prinzipieller Versuchsaufbau

Mit Hilfe der Bedienelemente und der vorhandenen Software soll das Verhalten des MOVIDRIVE untersucht werden. Hierbei soll der vorhandene Stromrege lkreis untersucht, und der Drehzahl- und Lageregelkreis optimiert werden. Ein besonderes Augenmerk wird auf die Regelstruktur des stromgefhrten Regelverfahrens (CFC) gelegt, welches es ermglicht, die Asynchronmaschine mit der hochwertigen Dynamik eines Servoantriebs zu betreiben.

3 3 9

9

U = 400 V

SEW MOVIDRIVE Umrichter 2

Stber POSIDRIVE Umrichter 1

Maschine 2 4,0 kW

Maschine 1 0,75 kW

Geber Geber

1.2. SEW-Asynchronantrieb

1.2.1. Aufbau Der SEW-Asynchronservoantrieb besteht aus dem Antriebsumrichter MOVIDRIVE und einer Asynchronmaschine mit Kurzschlusslufer. Des weiteren ist an der Maschine ein Digi-taler- Sinusgeber angekuppelt, der die Drehzahl- und Lageinformation mit hoher Auflsung an den Umrichter bermittelt. Damit ein Abbremsen des Antriebs ohne berlastung des Bremschoppers mglich ist, wurde ein Bremswiderstand vorgesehen. Mit der Software MoviTools kann der Antrieb parametriert werden; auch das berwachen des Antriebs ist durch diese Software mglich. So knnen in dem Software- Tool Scope verschiedene Betriebsgren wie Drehzahl, Wirkstrom oder auch die Zwischenkreisspannung usw. erfasst und in ihrem Zeitverlauf dargestellt werden. Die Datenbertragung findet ber die serielle Schnittstelle RS232 des MOVIDRIVE statt. Durch die Bedienelemente am Bedienfeld (siehe Abb.5) kann neben der Reglerfreigabe die Drehrichtung gewhlt und die Drehzahl stufenlos eingestellt werden. Zur Untersuchung der Dynamik ist es mglich, unter Zuhilfenahme des vorgesehenen 10-Gang- Potentiometers, Sollwertsprnge zu erzeugen.

1.2.2. Funktionsweise Die beiden Umrichter sind industriell gefertigte Pulsumrichter mit konstanter Zwischenkreis-spannung (U- Umrichter). Zur Drehzahlsteuerung wird das Verhltnis zwischen Spannung und Frequenz des Motors konstant gehalten, um so der Maschine einen konstanten Fluss zur Verfgung stellen zu kn-nen. Solange dies mglich ist, ohne die Spannungsgrenze zu berschreiten, arbeitet der An-trieb im Grundstellbereich; hier ist die Maschine mit dem vollen Drehmoment belastbar.

Kann der Umrichter die Forderung .constf

U= nicht mehr erfllen geht er in den Feldschw-

chebereich ber. Gleichzeitig verringert sich auch das bei Dauerbetrieb verfgbare Drehmo-ment der Maschine. Der netzseitige, ungesteuerte Gleichrichter des U- Umrichters speist den Spannungszwi-schenkreis. Die durch einen Kondensator geglttete, konstante Zwischenkreisspannung wird im maschinenseitigen Wechselrichter durch die sinusbewertete Pulsweitenmodulation (PWM) in ein sinusfrmiges Drehstromsystem mit variabler Frequenz und Spannung umgewandelt. Ein Problem, das sich auch beim Einschalten des Antriebsatzes bemerkbar macht, ist ein hochfrequentes Maschinen- Gerusch. Dieses ist abhngig von der Taktfrequenz fT , mit welcher die PWM beaufschlagt wird. Am deutlichsten hrbar ist es bei einer Taktfre-quenz von ca. 4 kHz. Whlt man am Umrichter die Taktfrequenz zu 16 kHz, ist es nahezu verschwunden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass sich die Verluste der Maschi-ne erhhen.

Abbildung 2: Schematischer Aufbau eines U-Umrichters und dazugehrige Statorgren

Wird die Maschine abgebremst steigt die Spannung im Zwischenkreis an, da durch den Gene-ratorbetrieb der Maschine der Statorstrom im Wechselrichter gleichgerichtet wird und den Zwischenkreiskondensator aufldt. Steigt die Spannung hher als 845 Volt schaltet der Zwischenkreisbremschopper einen Bremswiderstand parallel zum Zwischenkreis. Dieser Widerstand setzt die anfallende Brems-energie in Wrme um.

1.2.3. Regelstrukturen Der MOVIDRIVE- Umrichter wird im Versuch mit einem stromgefhrten Regelungsve r-fahren (CFC-Regelung; Current mode Flux Control) betrieben; dies entspricht dem Verfah-ren einer feldorientierten Regelung mit eingeprgtem Strom. Der Stromregler hat eine Zykluszeit von 125s und ermglicht Antriebslsungen die eine sehr hohe Dynamik fordern. Um den notwendigen Schlupf der Maschine berechnen zu knnen, ist eine relative Rotorlage-information und eine Drehzahlrckfhrung (z.B. Sinusgeber) ntig. Die hohe Dynamik wird durch die entkoppelte Drehmoment- und Flussregelung erreicht.

PI - Regler Strombegrenzung

Reglervorsteuerung

+-

nSoll

nIst

Phasenstrom-berechnung

n Ist

vomDrehzahlgeber

M Soll

Drehzahlregelung

Stromsollwert-berechnung

Flussmodell

IM

Flussmodell

I sqw

I sdw

M Soll

IUw IVw IWw

PI - Regler

- IIst

StromerfassungMotor

IXw

UXw

zur Pulsweitenmodulation

Motorfhrung

Abbildung 3: Signalflussplan der CFC- Steuerung

Fr jeden der drei Strnge (U,V,W) wird der berechnete Stromsollwert (IUw, IVw, IWw), ge-trennt voneinander, mit einem PI- Regler geregelt. Somit ist die Motorfhrung (vgl. Abb. 3) im Umrichter dreimal realisiert.

Bei der Stromsollwertberechnung wird aus dem Solldrehmoment MSoll des Drehzahlreglers der momentbildende Strom Isq berechnet. Weiterhin wird auch der Sollwert des feldbildenden Stroms Isd rechnerisch ermittelt. Grundlage dieser Berechnung im Flussmodell ist die Istdreh-zahl des Motors. Im Motormodell wird aus den Strmen Isd und Isq unter Zuhilfenahme der Motordaten die Schlupffrequenz fSchlupf berechnet. Aus der Schlupffrequenz und dem gemessenen Rotorlage-winkel ergibt sich der Winkel des Flusszeigers . Dieser bestimmt die Frequenz und Pha-senlage des Drehspannungssystems. Durch die Phasenstromberechnung werden hieraus die Sollwerte der drei Phasenstrme ermit-telt.

2. Hinweise zur Versuchsdurchfhrung

2.1. Bedienfeld Das Bedienfeld ist in nachfolgendem Bild dargestellt. Hier knnen verschiedene Einstellun-gen vorgenommen werden.

SEWMovidrive

StberPosidrive

Reset Reset

Strung StrungBetrieb Betrieb

EIN

AUS

Freigabe

Drehrichtung

Motorpoti

Sollwert-Sprung

Anlagen-Aus

IPOS - Ein/Ausgnge

Abbildung 4: Ansicht Bedienfeld

2.1.1. Anlagen- Aus Der rote Taster Anlagen- Aus befindet sich zwischen den beiden grnen Meldeleuchten, auf dem Bedienfeld und ist als solcher beschriftet. Er schaltet die 24V- Steuerspannung aus und entzieht den Umrichtern die Freigabe; d.h. die Netzspannung liegt an den Eingangsklem-men des Versuchsstandes nach wie vor an. Um die gesamte Anlage spannungsfrei zu schalten, ist ein Bettigen des Sicherungsschalters mit der Bezeichnung Asynchron- Servo Versuch am Versuchsfeld 16 ntig.

2.2. SEW- Software

2.2.1. MoviTools- Manager Der MoviTools- Manager verwaltet die zur Verfgung stehende SEW- Software und ermg-licht das Festlegen der wichtigsten Einstellungen.

Abbildung 5: Bildschirmmaske MoviTools- Manager

2.2.2. Das Software- Tool Shell

Das Tool Shell dient dazu, den Umrichter in Betrieb zu nehmen, zu parametrieren und zu berwachen. Nach dem Aufruf erscheint folgendes Fenster

Abbildung 6: Bildschirmmaske Shell

Die Parameter knnen unter dem Menpunkt Parameter gendert werden. In dem Parameter- Untermen Anzeigewerte ist es mglich, neben den Parametern auch die aktuellen Betriebsdaten wie Strom, Spannung usw. abzurufen.

2.2.3. Das Software- Tool Scope Dieses Tool ermglicht es den Zeitverlauf verschiedener Betriebsgren aufzuzeichnen und darzustellen. Darberhinaus ist es mglich, den logischen Zustand der Binreingnge anzu-zeigen. Mit Hilfe der Cursor- Funktionen knnen beliebige Punkte auf der Kurve angefahren werden. Unter dem Men Berechnungen werden Werte wie Maximal- und Minimalwert oder die Steigung der Kurve berechnet. Diese Auswertungen beziehen sich auf den mit dem Cursor festgelegten Bereich.

Abbildung 7: Bildschirmmaske Scope

2.2.4. Kurzanleitung der Software

2.2.4.1. Starten des Tools Shell

Bringen Sie den SEW- Antrieb durch drcken des Tasters EIN am linken Bedien-feld in den Zustand betriebsbereit. Es ist zu beachten, dass nach dem Einschalten der Selbsttest des Umrichters gestartet wird (rote Kontrollleuchte Strung leuch-tet); nach ca. 5s geht der Umrichter in Betriebsbereitschaft ber (grne Kontroll-leuchte Betrieb leuchtet). In der 7-Segment-Anzeige des MOVIDRIVE wird ei-ne 1 (Reglersperre aktiv) angezeigt.

Schalten Sie den PC ein und doppelklicken Sie auf das Icon MT Manager. berprfen Sie, ob folgende Einstellungen aktiv sind:

Verbindung: einzelnen Umrichter (Punkt-zu-Punkt) Schnittstelle: COM1 Sprache: Deutsch

Klicken Sie im Feld Angeschlossene Gerte auf aktualisieren. Nach diesem Vor-

gang muss in diesem Feld der Umrichtertyp erscheinen (siehe Abbildung 6). ffnen Sie im MT- Manager das Programm Shell.

2.2.4.2. ndern von Parametern Der Antriebssatz ist so konzipiert, dass auftretende Strungen und berl