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Elektrische Energietechnik (S8803) Seite 4.11Asynchronmaschine

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4.3.1 Drehtransformator

Wird die Ständerwicklung einer ASSM mit festgebremsten Läufer an ein dreiphasigesSpannungssystem mit der Frequenz fS angeschlossen, so erregt die symmetrische Dreh-stromwicklung ein mit der synchronen Drehzahl nd = fS/p umlaufendes Drehfeld. Diesesinduziert auf Grund seiner Relativbewegung gegenüber dem Läufer in jedem Strang derLäuferwicklung die Spannung UL, die man bei stillstehendem Läufer als Läuferstill-standsspannung UL0 bezeichnet.Sie kann bei offener Wicklung (Läufer stromlos) an den Schleifringen gemessen werden.Die induzierten Spannungen der drei Läuferstränge haben den gleichen Effektivwert undsind zeitlich um 120° verschoben (Bild 4.6a). Das Übersetzungsverhältnis US/UL ergibtsich aus dem Windungszahlenverhältnis (ü = NS/NL), die Phasenlage zwischen US und ULaus dem Winkel der Wicklungsachse der Ständerwicklung Strang U (W.A.S.U) und derWicklungsachse der Läuferwicklung Strang U (W.A.L.U).Bei einer Verdrehung des festgebremsten Läufers ändert sich der Betrag der Läufer-spannung nicht, wohl aber ihre Phasenlage gegenüber der Netzspannung, da die Wick-lungsachsen der Rotorwicklungen W.A.L. gegenüber denen des Ständers W.A.S. verdrehtsind (Bild 4.6b).

Bild 4.6: a) Wicklungsanordnung eines Drehstromtransformators b) bei festgebremstem Läufer mit Versatz der Ständer- und Läuferwicklungum α

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Diese Eigenschaften des Schleifringläufers werden beim Drehtransformator ausgenutzt.Drehtransformatoren werden in Laboratorien zur Erzeugung einer stufenlos verstellbarenDrehspannung eingesetzt.

4.3.2 Wicklungsersatzschaltbilder

Zur Ableitung des Ersatzschaltbildes werden beide Dreiphasenwicklungssysteme (Läufer,Ständer) durch 2 x 3 einphasige ersetzt. Dies ist dann zulässig, wenn sie symmetrischdurchflutet werden, was im störungsfreien Betrieb i.a. erfüllt ist. (Wechselfelder undGegensystem gleich Null, keine Oberwellen im Drehfeld). Unter diesen Bedingungen hatdas Ersatzschaltbild und Zeigerdiagramm der Ständerwicklung folgende Form:

Bild 4.7: Ersatzschaltbild und Zeigerdiagramm der Ständerwicklung

Das Ersatzschaltbild der Läuferwicklung (auf die Ständerseite umgerechnet) hat diegleiche Form.

Bild 4.8: Ersatzschaltbild der Läuferwicklung (auf die Ständerseite umgerechnet)


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U´L �

nrel

nd

] U´L0 �

nd� nnd

] U´L0

� s ] U´L0

(4.19)

fL �

nrel

nd

] fS �

nd� nnd

] fS

� s ] fS

(4.20)

Werden beide Ersatzschaltbilder zusammengefaßt (jXSh = jX´Lh), folgt das einphasigeErsatzschaltbild der ASSM. Es ist vergleichbar mit dem des Transformators (Kapitel 3).

Bild 4.9: Ersatzschaltbild der ASSM; RV = Eisenverluste, I0 = Leerlaufstrom, U´L = Läuferspannung

4.3.3 Läuferspannung

Im Gegensatz zum Transformator kann sich die "Sekundärwicklung" auf dem Läufergegenüber der "Primärwicklung" des Ständers drehen. Die Erfahrung zeigt, daß sich dieSpannung U´L mit steigender Läuferdrehzahl n entsprechend der Abnahme des Schlupfeslinear ändert.

Bild 4.10: U´L = f(n)

Die Läuferfrequenz fL beträgt bei` Stillstand: fL = fS (s = 1)` Synchronismus: fL = 0 (s = 0) (es wird keine Spannung mehr induziert)

Bild 4.11: fL = f(n)


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4.3.4 Asynchron-Kurzschlußläufer-Maschine (ASM)

Wird die Läuferwicklung einer ASSM kurzgeschlossen, spricht man von einer ASM mitKurzschlußläufer (ASMK).Der Kurzschlußläufer hat nur noch massive Läuferstäbe in den Nuten, die nicht einmalvom Läufereisen isoliert zu sein brauchen und nur an beiden Stirnflächen des Läufersdurch je einen Ring leitend miteinander verbunden sein müssen. Ein Käfigläufer hatkeine definierte Polpaarzahl. In ihm wird sich eine der Polpaarzahl des Ständers ent-sprechende Stromverteilung einstellen, d.h. kann er im Gegensatz zum Schleifringläufermit Ständern beliebiger Polpaarzahl zusammenwirken.

Bild 4.12: 7,5 kW Drehstrommotor

Bild 4.13: Stromdämpfungsläufer


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I´L �

sU´L0

R´ 2L � (ωLL´Lσ)

2

�

U´L0

R´L

s

2

� X´ 2Lσ

(4.21)

R´L

s�

R´L

s� R´L�

ss

R´L � R´L� R´L ]1� s

s(4.22)

4.3.5 Berechnung des Läuferstromes eines Kurzschlußläufers

Der Läuferstrom I´L des Kurzschlußläufers kann mit Hilfe der Läuferspannung UL = f(s)(Gl. 4.19) berechnet werden.

Die Umformung der Gleichung (4.21) zeigt, daß man im Läuferkreis die induzierte Span-nung gleich der Läuferleerlaufspannung setzen kann, wenn man den schlupfabhängigenWiderstand R´L/s einführt.

Die Läuferwiderstandsaufteilung Gleichung (4.22) führt mit der Gleichung (4.21) zufolgendem Ersatzschaltbild 4.14:

Bild 4.14: Läufer-Ersatzschaltbild

Hierin ist der Läuferwiderstand R´L vom Schlupf unabhängig. Im folgenden wird gezeigt,daß die im schlupfabhängigen Widerstand umgesetzte Leistung der mechanischenLeistung Pm entspricht.


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4.4 Leistung und Drehmoment

4.4.1 Leistungsbilanz

Der Leistungsfluß im Motorbetrieb kann mit folgendem Diagramm verdeutlicht werden

Bild 4.15: Leistungsflußdiagramm

Im Leistungsflußdiagramm, das die Leistungsbilanz der Asynchronmaschine für Motor-betrieb zeigt, kommen folgende Leistungsgrößen vor:

` PS vom Ständer aus dem Netz aufgenommene Wirkleistung

` PVS Verluste im Ständer

` Pi über den Luftspalt auf den Läufer übertragene Wirkleistung, die Ständerdrehfeldleistung (innere Leistung)


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PS � 3(I 2S RS�

U 2S

RV

)� Pi � PVS� Mi ] ωd (4.23)

Pi � Mi ] ωd � 3 ] I´ 2L R´L� Mìω � PVL� PVR� PM (4.24)

Pi � Mi ] ωd �

PVL

ωd� ωωd � PVL

nd

nd� n�

PVL

s (4.25)

Pm � Pi� PVL � Pi� sPi � (1� s)Pi (4.26)

Mi �PVL

ωd� ω� 3 ]

I´ 2L R´L

ωrel(4.27)

` s Pi im Läufer elektrisch umgesetzte Leistung, die Läuferdrehfeldleistung

` PVL Verluste im Läufer

` PL vom Läufer abgegebene elektrische Leistung (ASSM)

` PVR Reibungs- und Lüfterverluste

` PM an der Welle abgegebene mechanische Leistung

Hinweis: Die Nennleistung bei Maschinen ist immer die abgegebene Leistung (bei Moto-ren mechanische Leistung, bei Generatoren elektrische Leistung).

4.4.2 Inneres Drehmoment

Das innere Drehmoment Mi einer Maschine ist gleich dem im Luftspalt aus der innerenLeistung Pi bei der Drehfelddrehzahl nd magnetisch erzeugten Drehmoment. Es kannerrechnet werden aus der aufgenommenen elektrischen Wirkleistung PS vermindert umdie Eisenverluste PVFe und die Wicklungsverluste PVCu des Ständers.

Die um die Läuferverluste PVL verminderte innere Leistung Pi steht als mechanischeLeistung Pm zur Verfügung. Die abgegebene Motorleistung PM ergibt sich aus Pm durchSubtraktion der Reibungsverluste PVR (PL = 0).

Mit PVL = Mi(ωd - ω) folgt für die innere Leistung (ωd = ωrel + ω)

und für das innere Drehmoment


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PS � Pi � Pm � 3U 2

S ] sR´L

� Miωd (4.28)

Mi � 3U 2

s (ωd� ω)ωdωd R´L

� 3Ψ2s

2π(nd� n)R´L

(4.29)

Mi � 3Ψ2sωd

R´L

s J φ2 2π(nd� n)R´L

(4.30)

I´ 2L R´L « I´ 2

L R´L1� s

s� Pm �

R´L

sI´ 2

L (4.31)

Der Strom I´L ist i.a. jedoch nicht bekannt.Um dennoch eine erste Aussage über die Abhängigkeit Mi = f(s) machen zu können, wirdzunächst eine verlustlose Maschine zugrunde gelegt. (PVS = PVL = 0)

Die gesamte aufgenommene Wirkleistung PS wird dann auf der Läuferseite wiederabgegeben. Es gilt mit US = U´L0 (ESB, Bild 4.14)

Danach errechnet sich die mechanische Leistung Pm aus der im schlupfabhängigenLäuferwiderstand R´L/s umgesetzten Wirkleistung

mit dem sog. Ständerverkettungsfluß und p = 1.ψS � NS ] φS �

US

ωS

Im Motorbetrieb (Mi > 0) ist s > 0,

im Generatorbetrieb (Mi < 0) ist s < 0.

Diese Näherungsformel für Mi gilt nur bei s « 1, weil dann die Ungleichung (ESB, Bild 4.14)

erfüllt ist (Läuferverluste klein gegenüber Pm).

Das innere Drehmoment Mi ist also proportional dem Schlupf s und dem Quadrat desStänderverkettungsfluß ψS , wenn ωd und R´L als konstante Größen angenommen werden.Dies ist bei konstanter Netzfrequenz und Maschinentemperatur erfüllt.


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MiMax � 3US

ωd

US

R´L

� 3ψS I´L (4.32)

IA � (�I´L) � IS �

US

(RS� R´L)2� (Xsσ� X´Lσ)

2 (4.33)

4.4.3 Anlaufstrom und -Drehmoment

Bei konstanter Spannung US und Drehfeldfrequenz ωd würde das Drehmoment Mi nachGleichung (4.30) für n = 0 (Stillstand) sehr große Werte annehmen.

Dies stimmt mit der Realität nicht überein, weil die Voraussetzung s « 1 für die Gültig-keit der Näherungsformel nicht erfüllt ist.

Der Anlaufstrom IA kann aus dem ESB Bild (4.9) für I0 = 0, s = 1 und kurzgeschlosseneSchleifringe berechnet werden. (vgl. Kurzschlußversuch beim Transformator)

Die Impedanz Z ist wesentlich größer als R´L (z.B. Z = 10 R´L bei PASM = 100 kW). DerAnlaufstrom IA beträgt bei ausgeführten Maschinen daher "nur" das 4-8fache des Nenn-stromes. Drehmomentbildend wirkt dabei nur der Stromanteil, der mit der Hauptfeld-spannung USh in Phase liegt (Wirkanteil) bzw. senkrecht auf dem Hauptfluß ψh = jLSh·Iµsteht.

Das Anlaufmoment kann erhöht werden, wenn R´L für s K 1 vergrößert wird (höhererWirkanteil). Unter Ausnutzung des Stromverdrängungseffektes im Läuferkäfig kanndieses Ziel erreicht werden. Bei ωrel K ωd wird der Läuferstrom zur Oberfläche desLäufers hin verdrängt (Skineffekt). Wenn in diesem Bereich R´L Skin > R´L (z.B. zweiterKäfig aus Bronze) gilt, wird der Wirkanteil des Anlaufstromes und damit das Anlaufmo-ment größer. Gleichzeitig wird der Anlaufstrom auf kleinere Werte begrenzt.

Durch geeignete Wahl der Form des Nuten- und damit des Stabquerschnittes lassen sichdie in den Läuferstäben auftretenden Stromverdrängungserscheinungen in gezielterWeise nützlich auswerten, damit wird auch die Drehmoment-Drehzahl-Charakteristikverändert.


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Bild 4.16: Erreichbare Drehmoment-Kennlinie von Drehstrommotoren mit Käfigläufer(ca. 15 kW bei 1500 U/min)

Bild 4.17: Nutenquerschnitt von Wirbelstromläufern


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US� I

SjXSσ� I

SRS� U

Sh (4.34)

U´L0 � I´L ( jX´Lσ�R´L

s) (4.35)

IS� I

µ� I´L (4.36)

US� I

µ(jXSσ� RS) � I´L (jXSσ � RS)� I´L (jXLσ�

R´L

s)

US� I

µ(jXSσ� RS) � I´L (jXσ�

R´L

s� RS)

(4.37)

4.4.4 Drehmoment-Schlupf-Kennlinie

Zur genaueren Berechnung des Drehmoment-Drehzahl (Schlupf)-Verhaltens ist dieAnnahme einer verlustlosen Maschine zu grob (Abs. 4.4.2).

Es wird nun, daher ausgehend vom vollständigen Ersatzschaltbild (ESB, Bild 4.9), eineverfeinerte Näherung angewendet. Es werden die Eisenverluste und die Ständerverluste(zum Teil) vernachlässigt und der Magnetisierungsstrom Iµ als konstant angenommen.Dadurch läßt sich die formale Ableitung der Kennlinie erheblich vereinfachen. DieVernachlässigungen haben bei Maschinen mit Leistungen größer als 15 kW bei Betriebmit Nennfrequenz nur einen geringen Einfluß auf das Betriebsverhalten. Bei kleinerenMaschinen wird der prinzipielle Verlauf der Kennlinie hinreichend genau erfaßt, zumaldurch die Vernachlässigung der Oberwellen und Stromverdrängungseffekte (RL = f(ω))auch das vollständige Gleichungssystem nur eine Näherung darstellt.

Nach dem vollständigen ESB (Bild 4.9) gilt für die ständerseitige Masche mit I0 = Iµ(RV = Q)

Mit USh = U´L0 folgt mit der Maschengleichung des läuferseitigen ESB (Bild 4.14)

sowie der Knotenpunktsgleichung

Für die Ständerspannung die Ständerspannung gilt also

mit Xσ = XSσ + Xlσ.


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US� I´L(jXσ�

R´L

s� RS) � I´L(jXσ� RS� R´L� R´L

1� ss

) (4.38)

IS�

US

jXS

�

US

RS�R´L

s� jXσ

(4.39)

Wegen kann die Näherung Iµ RS S 0 und Iµ XσS S 0 gemacht|US| » |I

µ| X 2

Sσ� R 2S

werden.

Daraus folgt:

Der Ständerstrom IS kann mit der Knotenpunktgleichung (4.36) und der NäherungIµ = konstant = US/jXSh berechnet werden.

Diese Gleichung beschreibt das vereinfachte ESB nach Bild 4.18.

Bild 4.18: Vereinfachtes Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine

Ein Vergleich mit ESB Bild 4.9 verdeutlicht noch einmal die gemachten Näherungen:

` Der Magnetisierungsverlustwiderstand RV wird vernachlässigt

` Die Spannungsabfälle Iµ ] RS und Iµ ] jXSσ werden vernachlässigt

` Der Magnetisierungsstrom Iµ bleibt konstant, USh = US

S RS und XSσ können also in den Läuferkreis verschoben werden.


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Pi � 3I´ 2L

R´L

s� 3 ]

U 2S

R´L

s

2� X 2

σ

]

R´L

s (4.40)

Mi � f (s) �

Pi

ωd

�

3U 2S

ωd

]

R´L

X 2σ

1R´L

Xσ

2 1s� s

(4.41)

Die innere Leistung Pi wird aus der im Widerstand R´L/s umgesetzten Wirkleistungbestimmt. Setzt man zur weiteren Vereinfachung im ESB Bild 4.18 RS = 0 folgt

Das innere Moment Mi ergibt sich dann aus

Die Funktion Mi = f(s) hat folgenden Verlauf:

Bild 4.19: Drehmoment-Schlupf-Kennlinie

Die Funktion Mi = f(s) hat drei ausgeprägte Punkte:

1. s = 1; Stillstand. Zum Anfahren der Maschine muß das Anlaufmoment größer alsdas Belastungsmoment sein. (Die Differenz bewirkt die Beschleunigung)

2. s = sN = 0,1...0,03; Nennbetrieb. Gleichgewicht von Belastungsmoment und Motor-moment.


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Mi

Mk

�

3 US2 sk

ωd Mk Xσ

]1

sk2 1

s� s

�

3 US2

2ωd Mk Xσ

]2

sk

s�

ssk

(4.42)

Kloss´sche Formel: mi �2

sk

s�

ssk

(4.43)

mit Mk �

3U 2S

2ωd Xσ(4.44)

3. s = sk; Kippunkt. Wird das maximal mögliche Motormoment (Kippmoment Mk)vom Belastungsmoment überschritten, "kippt" der Asynchronmotor und kommtzum Stillstand, sofern für s > sk kein neuer stabiler Betriebspunkt vorhanden ist.

Normiert man die Gleichung (4.41) auf das maximale Drehmoment Mi max = Mk, welchesbei sk = R´L/Xσ auftritt, ergibt sich die sog. Kloss´sche Formel

Die Kloss´sche Formel hat eine große praktische Bedeutung weil sie, trotz der gemachtenVernachlässigungen, die wesentliche Drehmoment-Drehzahl-Charakteristik in ma-thematischer Form für den stationären Betriebszustand der ASMK (Zeigerdiagramm)wiedergibt.


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ωd � 2πfs

pund ωrel � ωd� ω (4.45)

s �

ωd� ωωd

� 1� ωωd

(4.46)

4.5 Betriebsverhalten

Bei dreiphasiger Speisung der Ständerwicklung entsteht ein Drehfeld, das gegenüber demStänder und dem Läufer mit den Winkelgeschwindigkeiten

umläuft.

fS Ständerfrequenz bzw. Netzfrequenzp Polpaarzahlωd

Winkelgeschwindigkeit des Drehfeldes gegenüber dem Ständer (synchrone Winkelgeschwindigkeit)

ωrel Winkelgeschwindigkeit des Drehfeldes gegenüber dem Läufer, bzw. Frequenzdes Läuferstromes

ω Winkelgeschwindigkeit des Läufers gegenüber dem Ständer

Der Schlupf

ist ein Maß für die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dem Drehfeld und dem Läufer.Für s > 0 oder s < 0 treten durch Induktionswirkung im Läuferkreis Ströme auf, diezusammen mit dem Luftspaltfeld das Drehmoment erzeugen. Es ist stets so gerichtet, daßes die Entstehungsursache, d.h. die Relativbewegung zwischen Drehfeld und Läufer,aufzuheben trachtet. Das ist vollständig nie möglich, weil hierbei die Induktionswirkungund die Drehmomentbildung aufhören. Eine Asynchronmaschine kann daher aus eigenerKraft die Synchrondrehzahl nicht erreichen.

Im Motorbetrieb (0 < ω < ωd ; 1 > s > 0 , vgl. Bild 4.20) bewegt sich der Läufer imDrehsinn des Drehfeldes. Die Asynchronmaschine bezieht elektrische Leistung aus demNetz und gibt mechanische an der Welle ab. Wird der Läufer in Drehrichtung des Feldesangetrieben (ω > ωd ; s < 0), wirkt das erzeugte Moment gegen die Richtung des Dreh-feldes. Die Maschine arbeitet als Generator. Sie nimmt mechanische Leistung auf undführt elektrische an das Netz ab. Wird der Läufer entgegen der Drehrichtung des Feldesbewegt (ω < 0 ; s > 1), wirkt die Maschine als Bremse. Sie bezieht über die Wellemechanische und über den Ständer elektrische Leistung. Beide Anteile werden in Wärmeumgesetzt.


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Bild 4.20: Verhältnis Läuferfrequenz ωrel zur Drehfeldfrequenz ωd als Funktion von s

4.5.1 Stationäre Betriebskennlinien

Bild 4.21 charakterisiert das typische Verhalten eines Drehstrom-Asynchronmotors imNennarbeitsbereich. Die Drehzahl ändert sich nur geringfügig mit der Belastung. DerLeerlaufstrom beträgt i.a. etwa 20 bis 40 % des Nennstromes; der Leerlaufleistungsfaktorliegt in der Größenordnung zwischen 0,05 und 0,1. Im Teillastbereich arbeitet derAsynchronmotor mit niedrigem Wirkungsgrad und kleinem Leistungsfaktor. Ein wirt-schaftlicher Einsatz einer ASM erfordert daher eine gründliche Analyse der zu erwarten-den Belastungsverhältnisse.

Bild 4.21: Betriebskennlinie eines Drehstrom-Asynchronmotors


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ωd � 2πfS

p(4.47)

4.5.2 Verlustarmes Drehzahlstellen

Darunter sind Verfahren zu verstehen, bei denen sich bei einer Verstellung der Drehzahlder Gesamtwirkungsgrad des mit einem konstanten Moment belasteten Antriebs nichtoder nur unwesentlich ändert.

4.5.2.1 Polumschaltung

Durch Veränderung der Polpaarzahl p kann gemäß

die synchrone Winkelgeschwindigkeit ωd und damit die Drehzahl des Asynchronmotorsgeändert werden (praktisch in etwa 2 bis 4 Stufen). Verschiedene Polzahlen ergeben sichdurch Umschaltung einer Wicklung oder durch die Verwendung mehrerer Wicklungen.Bei Schleifringläufermotoren müßten auch die Läuferwicklungen polumschaltbarausgeführt sein. Dadurch kompliziert sich der Aufbau der Maschine. PolumschaltbareSchleifringläufermotoren werden daher nicht hergestellt.

4.5.2.2 Frequenzsteuerung

Durch Ändern der Primärfrequenz fS läßt sich laut Gleichung (4.47) die synchroneWinkelgeschwindigkeit ωd und damit die Betriebsdrehzahl des Asynchronmotors ver-ändern.Die Drehmoment-Schlupf-Kennlinien können parallel zur Drehmomentachse verschobenwerden.

4.5.2.3 Läuferspannungssteuerung

Wird die Läuferspannung UL durch eine äußere schlupffrequente Spannungsquellevorgegeben, können das Spannungsgleichgewicht im Läuferkreis und damit die Größedes bei einer bestimmten Last sich einstellenden Schlupfes willkürlich beeinflußt und derAsynchronmaschine läuferseitig Leistung entnommen bzw. zugeleitet werden.Entsprechende Schaltungen bezeichnet man als Stromrichterkaskaden. Im untersyn-chronen Betrieb wird darin die Schlupfleistung PL = Pi s (elektrische Läuferleistung) desAsynchronmotors an der Motorwelle abgeführt und über einen Wechselrichter insspeisende Netz zurückgeliefert, bei übersynchroner Betriebsweise kehren sich die


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Energieflüsse um. Dadurch ist ein verlustarmes Drehzahlstellen oberhalb und unterhalbder Synchrondrehzahl möglich.

Bild 4.22: Untersynchrone Kaskade mit elektrischer Rückgewinnung der Schlupflei-stung

In der Schaltung nach Bild 4.22 wird die Schlupfleistung über den Wechselrichter W insNetz zurückgespeist. Die Drehzahlverstellung erfolgt hier durch entsprechende Steuerungdes Wechselrichters W. Die Schaltung erlaubt eine verlustarme Drehzahlstellung imuntersynchronen Bereich, d.h. unabhängig von der Größe des Schlupfes sind zugeführteund abgegebene Leistung einander gleich (beim Maschinenwirkungsgrad η = 1). Dastypische Drehzahl-Drehmoment-Verhalten ist in Bild 4.23 wiedergegeben.

Bild 4.23: Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie eines Asynchronmotors bei Läuferspan-nungssteuerung


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η K

PM

Pi

�

Pi (1� s)Pi

� 1� s mit Pm K PM (4.48)

4.5.2.4 Ständerspannungssteuerung

Gemäß Gleichung (4.44) ändert sich Mi quadratisch mit US. Der Kippschlupf sk dagegen(Gleichung (4.42)) bleibt konstant. Bei symmetrischer Spannungssteuerung (z.B. Regel-transformator oder Drehstromsteller) ergibt sich damit das in Bild 4.24b dargestellteKennlinienfeld.

Bild 4.24: Symmetrische Ständerspannungssteuerung a) Prinzipschaltung mit Dreh-stromsteller b) Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie

Die Drehzahl kann beispielsweise bei dem zugrunde gelegten Verlauf des Widerstands-momentes MW zwischen n1 und n2 eingestellt werden.Praktisch wird heute die Spannungssteuerung mit Drehstromstellern auf Thyristorbasisrealisiert.

4.5.3 Verlustbehaftetes Drehzahlstellen

Bei den folgenden Verfahren wird die gesamte Schlupfleistung Pi ] s des Asynchronmo-tors in Verlustwärme umgesetzt, so daß sich der Motorwirkungsgrad

mit zunehmendem Schlupf verschlechtert. Sie werden vorwiegend in kurzzeitigen oderaussetzend arbeitenden Anlagen angewandt. In Anlagen, die im Dauerbetrieb arbeiten,aus wirtschaftlichen Gründen nur dann, wenn sich das Widerstandsmoment quadratischmit der Drehzahl ändert (Zentrifugalpumpen, Lüfter, Gebläse), der geforderte Stell-bereich ausgehend von der Nenndrehzahl sehr klein ist oder nur gelegentlich für kurzeZeit mit Teildrehzahlen gefahren wird.


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RZx � R´L ]BA� 1 (4.49)

4.5.3.1 Läuferzusatzwiderstände

Durch das Einschalten von ohmschen Widerständen (Fest- oder Flüssigkeitswiderstände)läßt sich gemäß Gleichung (4.42) bei gleichbleibendem Kippmoment MK der Kippschlupfsk vergrößern und damit die Betriebsdrehzahl des belasteten Motors verkleinern (Bild 4.25). Die Beeinflussung der Leerlaufdrehzahl ist nicht möglich.

Bild 4.25: Drehzahlstellen mit Läuferzusatzwiderständen bei ASSM a) Prinzipschal-tung b) Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien (RZ3>RZ2>RZ1)

Der zum Einstellen eines bestimmten Schlupfwertes sx erforderliche ZusatzwiderstandRZx wird bei beliebigem Verlauf des Widerstandsmomentes MW am einfachsten graphischermittelt. Aufgrund der vereinfachten Gleichung (4.30) und einer Auswertung des Bildes 4.26 erhält man

RL ist dabei der Wirkwiderstand eines Läuferstranges.


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Bild 4.26: Graphische Bestimmung des erforderlichen Läuferzusatzwiderstands RZx beibeliebigem Verlauf des Widerstandsmomentes MW

4.5.4 Anlaßverfahren

Teilspannungsanlauf

In den weitaus meisten Anwendungsfällen ist es üblich, Asynchronmaschinen mitKurzschlußläufer direkt an das Netz zu schalten. Es gibt jedoch auch Fälle, in denenentweder der Anlaufstrom IA mit Rücksicht auf die Netzverhältnisse klein gehaltenwerden muß oder in denen ein bestimmtes Beschleunigungsmoment mit Rücksicht aufdie Arbeitsmaschine nicht überschritten werden darf. Sind Trägheitsmoment und Gegen-moment klein, liegt also ein Leichtanlauf vor, so kann ein Teilspannungsanlauf inBetracht gezogen werden. Beim Teilspannungsanlauf gehen der Strom etwa linear unddas Drehmoment etwa quadratisch mit der Spannung zurück.Bei Niederspannungsmaschinen wird der Teilspannungsanlauf durch eine Stern-Dreieck-Umschaltung der Maschine erreicht. Im normalen Betrieb ist die Asynchronmaschinedabei in Dreieck geschaltet, der Anlauf dagegen erfolgt in Sternschaltung (Bild 4.27)

Bild 4.27: Schaltplan eines Asynchronmotorantriebes mit Stern-Dreieck-Anlauf


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I1 � 3 I12 (4.50)

I1 � I12 (4.51)

I1Y �13

I1∆ (4.52)

Die Spannung U1 an einem Wicklungsstrang der Maschine ist in Sternschaltung um den

Faktor kleiner als bei Dreieckschaltung, der Strangstrom I1 geht damit ebenfalls etwa13

um den Faktor zurück. In der Dreieckschaltung ist13

in der Sternschaltung dagegen ist

Da die Spannung an der Wicklung in Sternschaltung um kleiner ist, folgt für den13Leiterstrom in Sternschaltung

Beim Anlauf in Sternschaltung gehen bei linearer Betrachtung Leiterstrom und Maschi-nenmoment auf ein Drittel gegenüber den Nennwerten für Dreieckschaltung zurück.Wenn der Stern-Dreieckanlauf hinreichenden Nutzen bringen soll, ist auch hier auf einevernünftige Zuordnung der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie von Asynchron- undArbeitsmaschine zu achten. Bei dem in Bild 4.28 dargestellten Fall liegt der Gegen-momentverlauf niedriger, die Asynchronmaschine kann in der Sternschaltung weiterhochlaufen, und beim Umschalten in die Dreieckschaltung springt das Moment nur aufden 1,6-fachen und der Leiterstrom auf den 1,9-fachen Nennwert. (abhängig vomUmschaltpunkt)

Bild 4.28: Drehmoment-Drehzahl-Verläufe und Leiterstrom-Drehzahl-Verläufe beiStern-Dreieck-Anlauf


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4.6 Bremsen und Umsteuern

Bisher wurde nur der Betrieb im ersten Quadranten der Drehmoment-Drehzahl-Ebenebesprochen: Das Beschleunigen des Antriebes und der Betrieb in einem stabilen Schnitt-punkt der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie von Motor und Arbeitsmaschine. Einelektrischer Antrieb muß aber auch abgebremst oder auf die entgegengesetzte Drehrich-tung umgesteuert werden können.Das Bremsen kann grundsätzlich in zweierlei Weise geschehen, entweder mechanischoder elektromagnetisch. Das mechanische Bremsen kann durch eine an die Asynchron-maschine an- oder auch in sie eingebaute Bremse erfolgen. Motoren, in die eine mecha-nische Bremse integriert ist, werden auch als Bremsmotoren bezeichnet. Hier soll in derFolge das elektromagnetische Bremsen behandelt werden.Dazu ist zunächst einmal die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie auf den Bereichnd _< n _< 2nd zu erweitern. Bild 4.29 zeigt die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie einerstark stromverdrängungsbehafteten Maschine mit einem Doppelkäfigläufer.

Bild 4.29: Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie einer Asynchronmaschine mit Käfigläuferfür Anlauf, Bremsen und Umsteuern

Bezüglich der Drehmoment-Drehzahl-Ebene (vgl. Bild 1.11) lassen sich drei Betriebs-quadranten unterscheiden, denen drei Betriebsbereiche entsprechen.

1. Quadrant: 0 < n < nd bzw. o < s < 1; Hochlauf und Motorbetrieb

2. Quadrant: nd < n _< 2nd bzw. -1 _< s < 0; generatorisches oder übersynchrones Bremsen


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3. Quadrant: Ohne Drehfeldumkehr ist kein Betrieb möglich

4. Quadrant: -nd _< n < 0 bzw. 1 < s _< 2; Gegenstrombremse

Obgleich sich die möglichen Betriebsbereiche im 2. und 4. Quadranten bis zu höherenDrehzahlen erstrecken können, soll nur der Bereich -nd _< n _< 2nd betrachtet werden, indem sich der Betrieb einer Asynchronmaschine normalerweise abspielt.

4.6.1 Übersynchrones Bremsen

Bremsbetrieb oberhalb der Synchrondrehzahl nd ist nur möglich beim Herabsetzen derStänderfrequenz, bei durchziehender Last oder bei polumschaltbaren Motoren nach demUmschalten von niederer auf höhere Polzahl. Die Asynchronmaschine arbeitet in allenFällen generatorisch. Sie nimmt mechanische Leistung auf und liefert elektrische an dasNetz. Bei Polumschaltung und bei Frequenzminderung wird ein Übergangsvorgangausgelöst, d.h. der Arbeitspunkt wandert auf dem Kennlinienstück a von P1 nach P2(Bild 4.30).Bei durchziehender Last (z.B. Last am Kranhaken) ist stationärer Bremsbetrieb im PunktP3 möglich. Der Motor wird dabei im Senksinn eingeschaltet und durch das LastmomentMW bis zum Punkt P3 beschleunigt. Die auftretenden Ströme und Bremsmomente entsprechen etwa denen bei Motorbetrieb.

Bild 4.30: Übersynchronbremsung einer Asynchronmaschine durch Polumschaltung


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4.6.2 Gegenstrombremsung

Die Gegenstrombremsung wird zum Stillsetzen des Antriebs und zum Bremsen durch-ziehender Lasten (z.B. Gegenstromsenkbremsung bei Kranhubwerken) benutzt. In beidenFällen arbeitet die Asynchronmaschine bei Schlupfwerten s > 1 und bezieht sowohlelektrische Leistung aus dem Netz, als auch mechanische Leistung über die Welle.

Bild 4.31: Gegenstrombremsung einer Asynchronmaschine

Zum Stillsetzen werden zwei Ständerzuleitungen vertauscht. Dadurch ändert sich derUmlaufsinn des Drehfeldes. Der Läufer bewegt sich gegen die Drehrichtung des Feldesund wird abgebremst (Kurve a in Bild 4.31). Um zu verhindern, daß der Motor in ent-gegengesetzter Richtung wieder anläuft, muß er rechtzeitig vom Netz genommen werden.Das geschieht mit Hilfe eines sog. Schleppschalters oder durch ein Hilfsschütz, das vonder Schleifringspannung gesteuert wird.

Für den leerlaufenden Motor entspricht die beim Stillsetzen des Antriebes entwickelteBremswärme etwa dem dreifachen Wert der Anlaufwärme. Die Bremszeit richtet sichnach dem Verlauf des Bremsmoments und damit nach der Größe des Läuferwiderstandes.

Beim Abbremsen durchziehender Lasten wird die Maschine durch das Lastmoment MWentgegen der Umlaufrichtung des Drehfeldes bewegt. Das ist möglich, wenn der Vor-schaltwiderstand im Läuferkreis genügend groß ist (Kennlinie b, Arbeitspunkt P2 in Bild 4.31).Die Drehzahl kann durch Verstellen des Läufervorschaltwiderstandes geändert werden.


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4.7 Regelung von Asynchronmaschinen

4.7.1 Einführung

Die günstigen regelungstechnischen Eigenschaften der stromrichtergespeisten Gleich-strommaschine beruhen darauf, daß die beiden drehmomentbildenden Komponenten -Ankerstrom IA und Hauptfeld φh - voneinander unabhängig und bei Vorhandensein einerWendepol- und Kompensationswicklung auch rückwirkungsfrei zu verstellen sind. Esentstanden standardisierte Antriebslösungen mit höchster Regeldynamik, an denen andereAntriebslösungen gemessen werden. Gegenüber der Drehstrom-Asynchronmaschine mitKäfigläufer hat die Gleichstrommaschine zwei gravierende Nachteile, die ihre Einsatz-möglichkeiten einschränken:

1. den Kommutator

2 die Ankerwicklung im Läufer.

Dagegen steht der einfache konstruktive Aufbau der o.g. Asynchronmaschine, der zufolgenden Vorteilen führt:

` hohe Drehzahlen (n » 3000 min-1 bei Umrichterbetrieb)

` geringer Wartungsaufwand

` gute Gleichlaufeigenschaften bei Gruppenantrieben mit Sammelschienenspeisung

` kleines Massenträgheitsmoment

` hohe Grenzleistungen

` kleines Leistungsgewicht

` Einsatz unter erschwerten Umweltbedingungen, Explosionsschutz möglich

Im Gegensatz zur Gleichstrommaschine ist die Zahl der möglichen Varianten bei dendrehzahlgeregelten stromrichtergespeisten Drehstromantrieben sehr groß. Es werdendeshalb hier nur grundlegende Steuer- und Regelverfahren für die stromrichtergespeistenDrehstrom-Asynchronmaschine mit Käfigläufer beschrieben, die auf Kennliniensteue-rung und feldorientierten Verfahren beruhen.


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4.7.2 Problemstellung für die stromrichtergespeiste Asynchronmaschine

Im Gegensatz zur Gleichstrommaschine kennzeichnen folgende Unterschiede eineAntriebslösung mit einer Asynchronmaschine:

` als Stelleingang ist nur eine Ständerwicklung vorhanden

` Läuferstrom ist meßtechnisch nicht erfaßbar

` starke Verkoppelung der gewünschten Stellgröße Fluß Φh und Läuferstrom IL

` schwach gedämpftes Schwingungsverhalten (Pendelneigung) bei dynamischenVorgängen durch komplexe Maschinenstruktur (magnetische und elektrischeEnergiespeicher)

` erheblicher Einfluß des gewählten Umrichterprinzips auf das Betriebsverhalten desAntriebes

Die prinzipiellen Unterschiede für den Entwurf des Strukturbildes der Asynchronma-schine ergeben sich durch die Entscheidung für eine Spannungs- oder Stromeinprägungder Ständergrößen (Bild 4.32).

Bild 4.32: Asynchronmaschine mit a) U-Umrichter, b) I-Umrichter

Bei Spannungseinprägung werden die Ständerspannung US und Ständerfrequenz fS vomUmrichter vorgegeben, während sich der Ständerstrom IS lastabhängig einstellt. DieseBetriebsart liegt auch bei direkter Netzeinspeisung vor. Im Gegensatz zum Netz hat derUmrichter als Spannungsquelle einen relativ hohen Innenwiderstand. Belastungsstößeführen zu starken Spannungseinbrüchen, deshalb wird eine Spannungsregelung benötigt.


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Durch die Spannung ist der Fluß Φh in der Maschine auch annähernd eingeprägt. SeinBetrag ist allein durch das Verhältnis von Spannung und Frequenz geprägt.

Bei Stromeinprägung wird das uns bekannte natürliche Verhalten der Asynchronmaschi-ne aufgehoben. Vom Umrichter werden jetzt Ständerstrom IS und Ständerfrequenz fSvorgegeben. Der Fluß Φh und die Ständerspannung US stellen sich damit lastabhängig ein.

Ohne Belastung dient der Ständerstrom IS nur zur Magnetisierung, d.h. IS = Iµ J Φh, demMagnetisierungsstrom (vgl. vereinfachtes ESB, Bild 4.18). Bei Belastung entsteht einSchlupf s, der einen Läuferstrom IL bewirkt, der im wesentlichen einen Wirkstromdarstellt. Damit teilt sich der Ständerstrom IS in einen flußbildenden Anteil ISµ (Magneti-sierungstrom) und einen drehmomentbildenden Wirkstromanteil ISW auf (Bild 4.33).Diese senkrecht aufeinanderstehenden Komponenten entsprechen genau den GrößenErregerstrom If (flußbildend) und Ankerstrom IA (drehmomentbildend) der Gleich-strommaschine.

Bild 4.33: Asynchronmaschine mit eingeprägtem Strom (I-Umrichter)

Um also die stromgespeiste Asynchronmaschine im gesamten Lastbereich mit kon-stantem Fluß betreiben zu können, muß die Regelung für eine konstante Stromkom-ponente ISµ sorgen. Dies kann nur dadurch geschehen, daß abhängig vom Lastzustand,außer dem Strombetrag von IS, auch der Winkel ε in dem Stromdreieck oder der diesemWinkel entsprechende Schlupf s J tan ε eingeprägt wird. Mit Hilfe eines Tachos läßt sichdie Drehzahl messen und durch entsprechende Vorgaben der Ständerfrequenznd = nrel + n, mit Hilfe des Umrichters, der Schlupf bzw. die Läuferfrequenz einprägen.Dadurch wird eine Entkoppelung im vereinfachten ESB der Asynchronmaschine bewirkt.Bei der Verwendung von Normmotoren ist eine Tachorückführung nicht vorgesehen, sodaß nur eine Frequenzsteuerung und keine Schlupfaddition möglich ist. Um wie bei derGleichstrommaschine eine vollkommene Entkoppelung, d.h. getrennte Einstellung vonFluß und Drehmoment zu erreichen, müssen Verfahren der Feldorientierung angewendetwerden. Damit lassen sich dann Regelungen mit hohen dynamischen Anforderungenrealisieren.

Da die Drehstrom-Asynchronmaschine ein stark schwingungsfähiges Gebilde ist, sollteauch eine Regelung des Drehmoments oder ersatzweise des Stromes erfolgen. Beiausschließlicher Steuerung über die Ständerfrequenz können erhebliche Ausgleichsvor-gänge auftreten.


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4.7.3 Kennliniensteuerungen

In vielen Anwendungsfällen sind die Anforderungen an die Regeldynamik nicht zu hoch,so daß auf Kennliniensteuerung beruhende Regelverfahren ausreichen. Es genügt,Ständerspannung oder -strom nach Größe und Frequenz vorzugeben.

Bild 4.34: Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine

Ständerspannung - Ständerfrequenz - Kennliniensteuerung

Um den Hauptfluß Φh = ψS/NS konstant zu halten, muß die HauptfeldspannungUSh = jωS Lh Iµ (Bild 4.34) proportional zur Ständerfrequenz fS verändert werden. Da dieHauptfeldspannung Uh nicht direkt gemessen werden kann, wird die Ständerspannung USgenommen. Diese ist jedoch entsprechend US = RS IS + jωS(LSσ] IS + Lh] Iµ) bei konstanterHauptfeldspannung nicht mehr proportional zur Ständerfrequenz.

Um bei Drehzahlverstellung über die Ständerfrequenz fS die Verluste in der Maschinegering zu halten, muß bei kleinem Schlupf im linearen Teil der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie (s < sk) gearbeitet werden. In Bild 4.35 sind die für einen konstanten HauptflußΦh einzuhaltenden US - fS - Kennlinien dargestellt. Es zeigt sich, daß unterschiedlichenLastzuständen auch unterschiedliche Kennlinien zugeordnet sind. Für die Kennlinien-steuerung wird eine US - fS - Kennlinie so gewählt, daß auch bei kleinen Ständerfrequen-zen das maximal geforderte Drehmoment aufgebracht werden kann (I]R - Kompensation).

Aus der Vielzahl der Antriebe mit US - fS - Kennliniensteuerung, die sich meist auspatentrechtlichen Gründen nur in der Form der gewählten Regelung und überlagertenSteuerung unterscheiden, werden zwei typische Anwendungsfälle betrachtet:

1. Gruppenantriebe am Umrichter mit Spannungszwischenkreis (U-Umrichter)(Bild 4.36)

2. Einzelantrieb am Umrichter mit Stromzwischenkreis (I-Umrichter) (Bild 4.37)


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Bild 4.35: Ständerspannung - Ständerfrequenz - Kennlinie für konstanten Hauptflußa) bei kleinen Frequenzen, b) Kennlinie für Kennliniensteuerung

In Bild 4.36 ist der grundsätzliche Aufbau für einen Gruppenantrieb mit U-Umrichterdargestellt. Am Hochlaufgeber wird eine der gewünschten Ausgangsfrequenzen fSproportionale Steuerspannung uf* vorgegeben. Um sprunghafte Änderungen des Soll-wertes zu verhindern, ist ein Steilheitsbegrenzer oder Hochlaufgeber vorgesehen.Dieser formt das Signal uf* in ein Signal uf mit zulässiger Anstiegs- und Abfallsteilheitum. Der zulässige Wert von ist so zu wählen, daß beim Beschleunigen die MaschinenMuf

nicht über ein vorgegebenes maximales Drehmoment unterhalb des Kippmomentsbelastet werden. Beim Bremsen muß sich, wenn kein Bremsstromrichter (gestricheltgezeichnet) vorhanden ist, der Antrieb am Gegenmoment der Arbeitsmaschine MW*abbremsen können. Das Signal uf wird nun auf zwei Steuerwegen weiterverarbeitet. Imoberen Kanal wird es von einem Funktionsgeber entsprechend der US - fS - Kennlinie indie Führungsgröße uaW der Ausgangsspannung überführt; im zweiten Signalweg, in einemSpannungs-Frequenzwandler, in die Steuerfrequenz fst für den Steuersatz 2 des selbst-geführten Stromrichters (SR2) umgesetzt. Der Spannungsregler, ein PI-Regler, ver-arbeitet die Regeldifferenz zwischen Führungsgröße uaW und der Regelgröße ua derAusgangsspannung, und wirkt über den Steuersatz 1 auf den netzgeführten Stromrichter(SR1) so ein, daß die Regeldifferenz im stationären Betrieb Null wird. Wenn keinBremsstromrichter vorgesehen ist, muß eine Ausgangsbegrenzung des Spannungsreglersdie Aussteuerung und damit die Spannung des Zwischenkreises Ud zurücknehmen.


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Bild 4.36: Einzel- (n=1) oder Gruppenantrieb am U-Umrichter mit Frequenzsteuerungund Spannungsregelung


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Bild 4.37: Einzelantrieb am I-Umrichter mit Thyristoren. Drehzahlregelung mit U-f-Steuerung und unterlagerter Spannungs- und Stromregelung


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nrel �fS

p� n � nd� n (4.53)

Beim Beispiel des Einzelantriebes nach Bild 4.37 wird ein I-Umrichter eingesetzt.

Im Gegensatz zum vorher besprochenen Antrieb (Bild 4.36) ist hier der Frequenzsteue-rung noch eine Drehzahlregelung überlagert. Die Regelgröße Drehzahl wird dabei voneiner Gleichstrom-Tachomaschine geliefert. Auch hier wird die Führungsgröße nW* übereinen Steilheitsbegrenzer dem überlagerten Drehzahlregler (PI-Regler) zugeführt. DasAusgangssignal uf des Drehzahlreglers wird zweikanalig verarbeitet. Im oberen Funk-tionsgeber mit der US - fS - Kennlinie wird die Führungsgröße uSW der Ständerspannunggebildet. Der untere Funktionsgeber, ein Betragsbildner, bildet den Betrag von uf. DieseGröße wird in einem U/f- Wandler in eine der Steuerspannung proportionale Steuer-frequenz fst umgesetzt und dem Steuersatz 2 des selbstgeführten Stromrichters (SR2) mitPhasenfolgelöschung zugeführt. Dieser benötigt noch als zusätzliche Information diegewünschte Drehrichtung des Vierquadrantenantriebes über das Vorzeichen der Drehzahl(sign ωS). Über die Reihenfolge der Steuerimpulse für die einzelnen Thyristoren wird dieerforderliche Richtung des Drehfeldes in der Asynchronmaschine vorgegeben. DemSpannungsregler wird die Differenz aus uSW - uS zugeführt. Die Ausgangsgröße desSpannungsreglers mit Spannungsbegrenzung gibt die Führungsgröße idW für den unterla-gerten Stromregler (PI-Regler) vor. Der Stromregelkreis stellt über den Steuersatz 1 desnetzgeführten Stromrichters 1 (SR1) den gewünschten Zwischenkreisstrom Id ein. DemI-Umrichter werden somit über die Führungsgrößen idW und fst die Drehzahl n und derStänderstrom IS = 0,816 Id vorgegeben.

Ständerstrom-Läuferfrequenz-Kennliniensteuerung

Bei der US - fS - Kennliniensteuerung läßt sich der magnetische Hauptfluß nicht last-abhängig konstant halten, was sich insbesondere bei kleinen Werten der Ständerfrequenz,bei denen der Ständerwiderstand R1 der Ständerstreureaktanz XSσ = 2π fS LSσ überwiegt,störend auswirkt.Für geregelte Antriebe, die auch bei kleinen Drehzahlen im ganzen Drehmoment-Stell-bereich arbeiten müssen, muß also eine bessere Lösung gefunden werden.Zwischen dem Läuferstrom I´L und der Läuferfrequenz nL besteht bei konstantemHauptfluß Φh eine feste Zuordnung. Da die Größen I´L und Φh nicht meßtechnisch erfaßtwerden können, werden wieder der Ständerstrom IS und die Ständerfrequenz fS sowie dieDrehzahl n vorgegeben. Über den Frequenzzusammenhang der Drehfeldmaschinen läßtsich die Läuferfrequenz ermitteln:

Aus dem vereinfachten Ersatzschaltbild läßt sich nun der Zusammenhang zwischenLäuferfrequenz fL und dem Ständerstrom IS, für konstanten Magnetisierungsstrom Iµ,einfach berechnen (Bild 4.38).


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Bild 4.38: Ständerstrom-Läuferfrequenz-Kennlinie und Läuferfrequenz-Drehmoment-Kennlinie der Asynchronmaschine

Liegt neben der IS - fL - Steuerkennlinie auch die zugehörige Drehmoment-Läufer-frequenz fL-Kennlinie (aus der Kloss´schen Formel) vor (Bild 4.38), so hat man dieSteuerfunktion um einen drehzahlgeregelten Antrieb mit unterlagerter Drehmomentenre-gelung aufzubauen. Wird ein Antrieb mit I-Umrichter verwendet, so kann statt desStänderstromes IS, wegen IS = 0,816 Id, auch der Strom im Gleichstromzwischenkreisgeregelt werden. Bild 4.39 zeigt eine entsprechende Antriebsregelung, die häufig einge-setzt wird. Das Antriebsbeispiel stellt einen Umkehrantrieb für alle vier Quadranten mitI-Umrichter dar.


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Über den Zusammenhang zwischen der Führungsgröße des Drehmomentes mW und derdes Ständerstromes iSW, die dem Bild 4.38 entnommen werden können, läßt sich dieserAntrieb einfach entwickeln. Die Regeldifferenz des Drehzahlreglers (nW - n) bewirkt überden Drehzahlregler (PI-Regler) die für den jeweiligen Betriebszustand erforderlicheFührungsgröße des Drehmomentes mW. Diese wird über zwei Funktionsgeber, ent-sprechend den Kennlinien nach Bild 4.38, zu Führungsgrößen für den Ständerstrom ISund der Ständerfrequenz ωS = 2π fS umgeformt. Die Führungsgröße idW für den unter-lagerten Stromregelkreis wirkt über den PI-Stromregler auf die Steuerspannung ust desSteuersatzes 1 ein, der über den netzgeführten Stromrichter (SR1) den Zwischenkreis-strom Id entsprechend der Vorgabe einstellt. Aus der Führungsgröße ωLW, vom zweitenFunktionsgeber, muß jetzt die für den selbstgeführten Stromrichter (SR2) erforderlicheSteuergröße für die Ständerfrequenz fS gewonnen werden. Über die von einer Gleich-

strom-Tachomaschine gelieferte Drehzahl wird die Ständerkreisfrequenzn �

fS

p� nrel

ωS = 2π fS mit Hilfe eines Läuferfrequenzreglers (PI-Regler) gebildet. Über einen U/f-Wandler wird der Steuersatz 2 des selbstgeführten Stromrichters (SR2) so ausgesteuert,daß die gewünschte Ständerfrequenz entsteht. Die erforderliche Umlaufrichtung desDrehfeldes wird wieder dem Steuersatz 2 über das Vorzeichen von ωS = 2π fS (sign ωS )vorgegeben.

Für die in Bild 4.39 beschriebene Regelung ist der I-Umrichter nicht zwingend vorge-schrieben; sondern es können auch Umrichter mit Spannungszwischenkreis und Puls-umrichter verwendet werden. (Standard-Drehstromantriebe der Zukunft)


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Bild 4.39: Einzelantrieb am I-Umrichter mit abschaltbaren Thyristoren (GTO). Dreh-zahlregelung mit unterlagerter Ständerstrom- und Läuferfrequenzregelungnach dem Ständerstrom-Läuferfrequenz-Kennlinienverfahren

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I E Enstitut für lektrische nergietechnik

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Kapitel 1

Kapitel 2

Kapitel 3

Kapitel 4

Kapitel 4

Kapitel 5 und Literatur

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Seite 11 bis 46

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