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Inhaltsverzeichnis Kapitel 0: Einleitung Kapitel 1: Drehstrommotor Kapitel 2: Frequenzumrichter Kapitel 3: Frequenzumrichter und Motor Kapitel 4: Schutz und Sicherheit Anhang I: Allgemeine Mechanische Therorie Anhang II: Allgemeine Wechselstromtherorie Anhang III: Allgemeine Abkürzungen Literaturhinweise Stichwortverzeichnis

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4 INHALTSVERZEICHNIS

InhaltsverzeichnisKAPITEL 0: EINLEITUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Vorteile der stufenlosen Geschwindigkeitsänderung . . . . . . . . . 10Steuern oder Regeln? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Asynchronmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15Stator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15Magnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Schlupf, Moment und Drehzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Wirkungsgrad und Verlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Magnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Ersatzschaltbild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Drehzahländerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Polzahländerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Schlupfsteurung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Frequenzänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Motordaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Belastungscharakteristiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Synchronmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Reluktanzmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Gleichrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Ungesteuerter Gleichrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Gesteuerter Gleichrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Zwischenkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Wechselrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65Puls-Amplituden-Modulation (PAM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68Puls-Weiten-Modulation (PWM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70Sinusgesteuerte Puls-Weiten-Modulation (PWM) . . . . . . . . . . 71Synchrones PWM-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74Asynchrones PWM-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75

Steuerkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81Danfoss Steuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82Danfoss VVC Steuerungsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84Danfoss VVCplus Steuerungsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

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INHALTSVERZEICHNIS 5

Allgemeines über den Computer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94Computer des Frequenzumrichters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97Serielle Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99Herstellerunabhängige Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND MOTOR . . . . . . . . . . . . . . 106

Betriebsbedingungen des Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108Kompensationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108Lastabhängige und unabhängige Kompensations-parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108Schlupfkompensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

Momentcharakteristik des Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110Stromgrenze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110Forderungen an moderne digitale Frequenzumrichter . . . 113Feldorientierte (Vektor) Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114U/f-Kennlinie und Flußvektorsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115Schlupfausgleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117Automatische Motoranpassung (AMA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118Energieoptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119Betrieb in der Stromgrenze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

Wahl der Frequenzumrichtergröße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120Belastungskennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120Stromaufteilung im Frequenzumrichter (cos ϕ des Motors) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124Steuerung der Motordrehzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen . . . . . . . . . . . . . . 126Bremsbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127Reversierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129Rampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130Überwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

Motorbelastung und Motorerwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133Wirkungsgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

KAPITEL 4: SCHUTZ UND SICHERHEIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

Zusätzlicher Schutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138Nullung (TN-System) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139Erdung (TT-System) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139Schutzrelais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140Elektromagnetische Verträglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142Grundnorm (Basic Standard) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143Fachgrundnorm (Generic Standard) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

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6 INHALTSVERZEICHNIS

Produktnorm (Product Standard) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143Verbreitungswege . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145Leitungsgebundene Ausbreitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147Netzrückwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147Transienten/Überspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148Radiofrequente Störungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150Geschirmte Kabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151Blindstromkompensationsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153Auswahl eines Frequenzumrichters für drehzahlveränderbare Antriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

ANHANG I: ALLGEMEINE MECHANISCHE THERORIE . . . . . . . . . . . 159

Geradlinige Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159Rotierende Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159Arbeit und Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

ANHANG II: ALLGEMEINE WECHSELSTROMTHERORIE . . . . . . . . 162

Leistungsfaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1653-phasiger Wechselstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166Stern- oder Dreieckschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

ANHANG III: ALLGEMEINE ABKÜRZUNGEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

LITERATURHINWEISE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

STICHWORTVERZEICHNIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

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LITERATURHINWEISE 169

LiteraturhinweiseErgänzende Literatur:

P. Thøgersen, M. Tønnes,U. Jæger, S.E. Nielsen:»New High Performance VectorControlled AC-Drive with Auto-matic Energy Optimizer«6th European Conference onPower Electronics and Applica-tions; Sept. 1995

S. Anderson og K. Jørgensen:»Vekselstrømsmaskiner, -anlæg«Polyteknisk forlag, 1985

P.F. Brosch: »Frequenzumformer«,Verlag moderne industrie, 1989

P.F. Brosch: »Moderne Stromrichterantriebe«Vogel Buchverlag 1992

ELFO: »El-faglære«Elinstallatørernes Lands-forening, 1993

R. Fisher: »Elektrische Maschinen«Carl Hanser Verlag, 1986

W. Gilson:»Drehzahlgeregelte Drehstrom-antriebe«VDE-Verlag, 1983

E.v. Holstein-Rathlou: »Stærkstrømselektroteknik«J. Jørgensen & Co. Bogtrykkeri,1939

K. Jark og A.H. Axelsen: »Elektroteknik«H. Hagerup, 1966

Thomas Kibsgård: »EL Ståbi«Teknisk Forlag A/S, 1988

U. Krabbe: »Strømrettere«Danmarks Tekniske Højskole,1982

W. Norbøll:»Elektricitetslære«P. Haase & Søns Forlag, 1952

Sprecher + Schuh AG: »Schütz-Steuerungen«Sprecher + Schuh AG, 1982

J. Nedtwig, M. Lutz: »WEKA Praxis Handbuch«Weka Fachverlag für technischeFührungskräfte, 1996

H.R. Schmeer: »EMV 96«VDE-Verlag, 1996

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168 ANHANG III: ALLGEMEINE ABKÜRZUNGEN

Anhang III: Allgemeine Abkürzungen

ASIC Anwendungs Spezifische IC

CSI »Current Source Inverter«

d StreckeDDC Direct Digital Controlf FrequenzF Kraftg ErdbeschleunigungGD2 SchwungmomentI1 StatorstromIB Blindstrom/Fluß-

bildender StromIL LäuferstromIM, IS Motorstrom

(Scheinstrom)IN NennstromIW Drehmomentbildender

Strom/WirkstromIϕ MagnetisierungsstromIC Integrierte Schalt-

kreiseJ TrägheitsmomentL InduktanzM DrehmomentMa StartmomentMacc Beschleunigungs-

momentMdec BremsmomentMk KippmomentMN Nennmomentn Drehzahlnn Nenndrehzahlno Synchrondrehzahlns Schlupfdrehzahlp Polpaarzahl

P Leistung/WirkleistungP1 Aufgenommene (Elek-

trische) LeistungP2 Abgegebene (Mechani-

sche) LeistungPV VerlustleistungPS Pferdestärker RadiusRFE Gegenwidersands SchlupfS ScheinleistungSFAVM Ständer Flußorien-

tierte AsynchroneVektor Modulation

SM Schienleistung (Motor)SPS Speicher Program-

mierbare Steuerungtacc Beschleunigungszeittdec Verzögerungszeittoff Zeittransistor Inaktivton Zeittransistor AktivU SpannungUq InduktionsspannungUS Spannungsabfall

(Ständer)VVC Voltage Vector ControlW ArbeitXh GegenreaktanzXL Reaktanz (Läufer)

Φ Hauptfluß,Ständerfluß

ΦL Läuferflußη Motorwirkungsgradω Winkelgeschwindig-

keit

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Anhang II: Allgemeine

Wechselstromtheorie Wechselstrom wird mit AC (Alternating Current) bezeichnetund mit “~” symbolisiert. Er ändert sowohl seine Größe(Amplitude) wie auch seine Richtung.

Die Zahl der Perioden per Sekunde wird als Frequenz bezeich-net und in Hertz angegeben. 1 Hz = eine Periode per Sekunde.Die Dauer einer Periode ist die Periodenzeit, und wird wie folgterrechnet

Bei einer Frequenz von 50 Hz ist die Periodenzeit 0,02 Sekun-den.

Im Gegensatz zur Gleichspannung und zum Gleichstrom, diedurch eine einzelne Größe charakterisiert werden, werdenWechselspannung und Wechselstrom durch mehrere Größencharakterisiert.

162 ANHANG II: ALLGEMEINE WECHSELSTROMTHEORIE

Periode

Strom in die eine Richtung

Zeit

Strom in die andere Richtung

Umdrehung des vierpoligen Rotors

Abb. AII.01 Verschiedene Werte bei der Wechselspannung

1T = f

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In der Regel wird der Effektivwert benutzt. Ein Wechselstromvon 1 A entwickelt die gleiche Wärme in einem gegebenenWiderstand wie ein Gleichstrom von 1 A.

Vektoren sind bei Wechselströmen und -spannungen sehr nütz-lich. Sie veranschaulichen den Zusammenhang zwischenStrom, Spannung und Zeit. Ein Vektor wird durch seine Längeund Drehrichtung charakterisiert. Die Drehrichtung ist gegenden Uhrzeigersinn.

Wenn ein Vektor eine ganze Umdrehung um seinen Startpunktdreht, durchläuft die Vektorspitze einen Kreis, d.h. 360°. Die Zeit für eine Umdrehung ist identisch mit der Periodenzeitder Sinuskurve. Die Geschwindigkeit des Vektors per Sekundewird als Winkelgeschwindigkeit bezeichnet und mit demgriechischen Buchstaben ω angegeben. ω = 2 × π ×f. Es gibt drei Formen von Wechselstrombelastungen. Wenn die Belastung aus Spulen mit Eisenkern wie bei Motorenbesteht, ist die Belastung überwiegend induktiv. Der Strom istin diesem Fall zeitlich im Verhältnis zur Spannung verspätet.

ANHANG II: ALLGEMEINE WECHSELSTROMTHEORIE 163

Abb. AII.03 Die Drehrichtung des Vektors ist gegen den Uhrzeigersinn

α

90°

180° 0/360°

270°

90°45° 135° 180° 225° 270° 315° 360°

Abb. AII.02 Verschiedene Werte der Wechselspannung

Strom/Spannung

mit

t

eff.

max

.

mit

t

eff. max

.

Spi

tze

zu S

pitz

e

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Die Belastung kann kapazitiv sein. Hier ist der Strom zeitlichder Spannung voraus. Bei rein ohmscher Belastung gibt es kei-ne Verschiebung zwischen Strom und Spannung. Die Verschiebung zwischen Spannung und Strom wird alsPhasenverschiebungswinkel bezeichnet und durch den griechi-schen Buchstaben ϕ angegeben.

Durch die Multiplikation der zusammengehörenden Werte vonStrom und Spannung entstehen die Leistungskennlinien derdrei Belastungsformen.

Die »reinen« Belastungsformen sind nur theoretische Größen,wenn Wechselstromkreise beschrieben werden. Eine Belastungist entweder ohmsch-induktiv oder ohmsch-kapazitiv.

164 ANHANG II: ALLGEMEINE WECHSELSTROMTHEORIE

Abb. AII.04 Strom, Spannung und Leistung bei Belastung

Ohmsche Belastung Induktive Belastung Kapazitive Belastung

R

U

U

P

I

I

0° 90° t

270° 360°

0° 90°

270° 360°

Umax.

Imax.

ϕ

U

I

U

I

P

P = 0

L

0° 90°

270° 360°

Umax.

Imax.

ϕ

ϕ

ϕ

U

C

I

U

I P

P = 0

0° 90°

270° 360°

Umax.

Imax.

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ANHANG II: ALLGEMEINE WECHSELSTROMTHEORIE 165

Leistungsfaktor Der Leistungsfaktor λ wird als das Verhältnis zwischen derWirkleistung und der Scheinleistung definiert. Er wird auch häufig cos ϕ genannt; aber cos ϕ ist nur für sinus-förmige Ströme und Spannungen definiert. Bei nicht linearen Belastungen wie dem Frequenzumrichter istder Belastungsstrom nicht sinusförmig. Daher muß zwischencos ϕ und dem Leistungsfaktor unterschieden werden.

P ist die Wirkleistung, IW der Wirkstrom, I und U sind Effektiv-werte.

ϕ bezeichnet den Phasenunterschied zwischen Strom und Span-nung. Cos ϕ entspricht somit bei rein sinusförmigem Strom undSpannung dem Verhältnis zwischen Wirkleistung und Schein-leistung.

P IWλ = = I × U I

Abb. AII.05

Leistung

Spannung

Strom

Phasenver-schiebung

Formel-zeichen

P =

Q =

S =

U =

IS =

IW =

IB =

cos ϕ =

sin ϕ =

Im allgemeinem

U × I × cos ϕ = S cos ϕ

U × I × sin ϕ = S sin ϕ

P QU × I = =cos ϕ sin ϕ

P Q S= =I × cos ϕ I × sin ϕ I

P Q S= =U × cos ϕ U × sin ϕ U

P S × cos ϕ=U U

Q S × sin ϕ=I I

P P=U × I S

Q Q=U × I S

Einheit

W od. kW

VAr od. kVAr

VA od. kVA

V

A

A

A

ohne Einheit

ohne Einheit

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166 ANHANG II: ALLGEMEINE WECHSELSTROMTHEORIE

3-phasiger Wechselstrom In einem 3-phasigen Spannungssystem sind die Spannungen120° im Verhältnis zueinander verschoben. Die drei Phasenwerden in der Regel im gleichen Koordinatensystem abgebildet.

Die Spannung zwischen einem Phasenleiter und dem Nulleiterwird als Phasenspannung Uf bezeichnet und die Spannung zwi-schen zwei Phasen als Netzspannung UN.

Das Verhältnis zwischen UN und Uf ist √3—

.

U1

U2

U3

U1 U2 U3U

–U

90° 270°

360°180°

90°

270°

360°180°

120°

120°

Abb.AII.06 Eine 3-phasige Wechselspannung besteht aus drei einzelnen zeitverschobenen Wechselspannungen

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ANHANG II: ALLGEMEINE WECHSELSTROMTHEORIE 167

Stern- oder Dreieckschaltung Wenn ein Dreiphasen-Versorgungsnetz mit einem Motor belas-tet wird, sind die Motorwicklungen im Stern oder im Dreieck ge-schaltet.

Bei der Sternschaltung wird eine Phase an das eine Ende derMotorwicklungen geschaltet, während die anderen Endenkurzgeschlossen sind (Sternpunkt). Die Spannung über dieeinzelnen Wicklungen ist

Für die Ströme gilt I1 = I2 = I3 = IN

Bei der Dreieckschaltung sind die Motorwicklungen in Serie ge-schaltet. Jeder Verbindungspunkt ist an eine Phase angeschlos-sen.

Die Spannung über die einzelnen Wicklungen ist

UN = U1= U2 = U3

Für die Ströme gilt

Uf

Uf

Uf

L1 U

W

L2

L3

IN

I2

I3

I1

V

UN

UNUN

UfU2

U1

L1 U

W

L2

L3

IN

I2

I3

I1

UN

UNUN

Abb. AII.07 Netz- und Phasenwerte bei Stern- bzw. Dreieckschaltung

UNUf = Uf = Uf = Uf =√3

INI1 = I2 = I3 =√3

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ANHANG I: ALLGEMEINE MECHANISCHE THEORIE 159

Anhang I: Allgemeine

mechanische Theorie Geradlinige Bewegung Für eine geradlinige Bewegung gilt, daß ein Körper still liegtoder seine geradlinige Bewegung beibehält, bis dieser von einerKraft beeinflußt wird. Die Kraft »F« kann als Produkt von der Masse des Körpers undder Änderung per Zeiteinheit der Geschwindigkeit des Körpersangegeben werden. Die Geschwindigkeitsänderung per Zeitein-heit ist auch die Beschleunigung »a«.

Damit ein Körper seine konstante Bewegung behält, muß dieserständig von einer Kraft beeinflußt werden, weil der Bewe-gungsrichtung entgegengesetzte Kräfte auftreten. Das sindbeispielsweise Reibungskräfte und die Schwerkraft.

Rotierende Bewegung Bei rotierender Bewegung gilt entsprechend, daß ein Körperzum Rotieren gebracht werden kann oder seine Rotationsge-schwindigkeit ändert, wenn er von einem Moment um das Mas-sezentrum beeinflußt wird. Wie die Kraft kann auch das Moment durch seine Wirkungangegeben werden. Es ist das Produkt vom Trägheitsmomentdes Körpers und der Geschwindigkeitsänderung des Körpersper Zeiteinheit, die Winkelbeschleunigung α.

F = m × a

Masse: »m« Maßeinheit:[kg]mBeschleunigung: »a« Maßeinheit:[ ]s2

Kraft: »F« Maßeinheit:[N]

M = F × r

r

F

Abb. AI.01

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Das Trägheitsmoment ist wie die Masse eine Größe, die dämp-fend auf die Beschleunigung wirkt. Das Trägheitsmoment istvon der Masse des Körpers und von der räumlichen Lage inbezug auf die Rotationsachse abhängig.

160 ANHANG I: ALLGEMEINE MECHANISCHE THEORIE

M = I × α 2 πnω = ; n gemessen in [min–1]60WinkeländerungWinkelgeschwindigkeit: ω Maßeinheit: [ ]s

dω WinkeländerungWinkelbeschleunigung: α = ; Maßeinheit [ ]dt s2

Trägheitmoment: I; Maßeinheit: [kg m2]

Abb. AI.02 Die Berechnung unterschiedlicher Trägheitsmomente

m × r2

I = 2

m × r2 m × l2

I = +4 12

2 × m × r2

I = 5

mI = × (r12 + r2

2)2

Massiver Zylinder :

Hohler Zylinder:

Massive Kugel:

l

l

r

l

r1

r2

2r

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ANHANG I: ALLGEMEINE MECHANISCHE THEORIE 161

Wenn das Moment und die Beschleunigungsverhältnisse einerAnlage zu berechnen sind, ist es ein Vorteil, alle Massen undTrägheiten in ein gesamtes Trägheitsmoment auf der Motor-achse zu verlegen.

Arbeit und Leistung Die Arbeit, die ein Motor bei einer geradlinigen Bewegung aus-führt, läßt sich als Produkt der Kraft in der Bewegungsrichtung»F« und dem Abstand »s«, den der Körper bewegt wird, er-rechnen.

Bei rotierenden Bewegungen wird die Arbeit als Produkt vonMoment M und der Winkeldrehung (ϕ) berechnet. Eine Um-drehung = 2 × π[rad].

Die Arbeit, die von einem Transportsystem verrichtet wird,steigt mit der Zeit. Diese hat daher keinen maximalen Wert undist keine einsetzbare Berechnungsgröße.Die Leistung P gibt die Arbeit per Zeiteinheit an und hat einenmaximalen Wert. Bei einer gradlinigen Bewegung wird die Leistung als Produktder Kraft in der Bewegungsrichtung und der Bewegungslängeper Zeiteinheit, der Geschwindigkeit »v«, berechnet.

Entsprechend gilt für rotierende Bewegungen, daß die Leistungals Produkt von Moment und Bewegungslänge per Zeiteinheit,Winkelgeschwindigkeit ω, berechnet wird.

P = F × V

ω22 ω3

2J = J1 + J2 ×( ) + I3 × ( ) + …ω1 ω1

W = F × s

Winkeldrehung: ϕ Maßeinheit: Winkeländerung1 Umdrehung = 2 × π[rad]

Maßeinheit: [W]

J1: eigenes Trägheitsmomentdes Motors usw.

J2, J3: die einzelnen Trägheits-momente im System

ω1: Winkelgeschwindigkeit desMotors usw.

ω2, ω3: Winkelgeschwindigkeit dereinzelnen rotierenden Körper usw.

Bewegungslänge: s Maßeinheit: [m]Arbeit: W Maßeinheit: [W × s]

P = M × ω Maßeinheit: [W]

W = M × ϕ

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4. Schutz und SicherheitBedingt durch anlagenspezifische Vorschriften kann es notwen-dig sein, einen Notschalter in der Nähe des Motors anzubrin-gen. Dabei ist es wichtig, daß dieser Schalter im Motorkabelangeordnet werden kann, ohne daß der Motor oder der Fre-quenzumrichter geschädigt wird – und dies möglichst unabhän-gig von der Schalthäufigkeit.

Eine galvanische Trennung ist zwischen dem Steuerteil unddem Leistungsteil des Frequenzumrichters vorzusehen. Ande-renfalls hätten die Steuerleitungen die gleiche Spannung imVerhältnis zur Erde wie das Versorgungnetz. Berührungen mitden Steuerleitungen wären lebensgefährlich und auch die Aus-rüstung könnte beschädigt werden. Die europäische Norm EN50178 beschreibt die Richtlinien für die galvanische Isolierung.Die Schutzart des Frequenzumrichters bietet Sicherheit gegenBerührungsschäden. Eine bessere Schutzart als IP 21 verhin-dert Personenschäden durch Berührung. Ebenfalls für dieBerührungssicherheit dient die UnfallverhütungsvorschriftVBG 4, die in Deutschland bei Elektrogeräten eingehalten wer-den muß. Durch Überhitzung könnten Frequenzumrichter eineBrandgefahr darstellen. Sie sollten daher mit einem eingebau-ten Thermofühler versehen sein, der bei Versagen der Kühlan-ordnung die Spannungszuführung unterbricht.

Ein an einen Frequenzumrichter angeschlossener Motor kann,unter bestimmten Bedingungen, wieder ohne Voranmeldungstarten. Dies kann beispielsweise geschehen, wenn im Fre-quenzumrichter Zeitglieder aktiviert oder Temperaturgrenzenüberwacht werden.

Zusätzlicher SchutzDurch einen zusätzlichen Schutz werden gefährliche Berüh-rungsspannungen an den äußeren Gehäuseteilen vermieden.Für Frequenzumrichter ist immer ein zusätzlicher Schutzvorzusehen. Die Schutzform ist in jedem Fall getrennt zu beur-teilen und immer von örtlichen Verhältnissen und Bestimmun-gen abhängig. Die verschiedenen Schutzformen sind Nullung,Erdung oder Schutzrelais.

KAPITEL 4: PERSONENSICHERHEIT 139

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140 KAPITEL 4: PERSONENSICHERHEIT

Nullung (TN-System)Ein zusätzlicher Schutz des Frequenzumrichters kann durcheinen Schutzleiter zwischen der Erdungsklemme und dem Null-leiter, in der Versorgungsleitung der Installation erfolgen. DieseForm des zusätzlichen Schutzes erfolgt häufig in Industrie-netzen und Wohnungsinstallationen, die mit Erdkabel versorgtwerden. Ist keine Nullung in der Installation vorhanden, ist esvon den Anschlußbedingungen des Gerätes abhängig, ob es indiesem Netz eingesetzt werden kann. Unter Umständen mußhier mit dem Lieferanten gesprochen werden, ob ein Einsatz indieser Netzform möglich ist.

Erdung (TT-System)Ein zusätzlicher Schutz des Frequenzumrichters kann durcheinen Schutzleiter zwischen der Erdungsklemme und derPotentialausgleichsschiene erreicht werden. Voraussetzung fürdiese Methode ist eine ausreichend niedrige Impedanz desPotentialausgleichspunktes. Der Frequenzumrichter hat, be-dingt durch Entstörmaßnahmen, einen Leckstrom, dieErdverbindung muß daher möglichst niederohmig ausgeführtwerden. EN 50178/5.3.2.1 stellt folgende Forderungen:

Bei einem Leckstrom > 3,5 mA muß der Querschnitt des Schutz-leiters mindesten 10 mm2 sein, oder das Gerät ist mit zwei ge-trennten Schutzleitern zu erden, die die Vorschriften nach IEC364-5-543 erfüllen müssen. Dies wird häufig auch als verstärk-te Erdung bezeichnet.

L1

L2

L3

PEN

L1

L2

L3

Abb. 4.01 Nullung (TN-System)

Abb. 4.02 Nullung (TT-System)

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SchutzrelaisEs gibt zwei Typen Schutzrelais für den zusätzlichen Schutz.Der eine Typ arbeitet mit einem Fehlerspannungsrelais, derandere mit einem Fehlerstromrelais.

Ein zusätzlicher Schutz mit Fehlerspannungsrelais (FU-Relais)kann in den meisten Installationen erfolgen. Der Schutz wirddadurch erreicht, daß die Spule des Relais über einen Schutzlei-ter zwischen der Erdungsklemme des Frequenzumrichters unddem Erdpotential angeschlossen wird. Eine Fehlerspannunglöst das Relais aus und macht den Frequenzumrichter span-nungslos.

FU-Relais werden mit Vorteil dort eingesetzt, wo eine Nullungnicht erlaubt ist oder wo der Untergrund eine Erdung nichtzuläßt. Es ist von den Vorschriften der regionalen Elektrizitäts-versorgungsunternehmen abhängig, ob der Einsatz zulässig ist.In Deutschland wird diese Schutzmaßnahme heute nicht mehreingesetzt.

Ein Schutz von Frequenzumrichtern mit Fehlerstromrelais(FI-Schalter) ist unter bestimmten Bedingungen zulässig.Fehlerstromschutzschalter beinhalten einen Summenstrom-transformator. Durch diesen werden alle Versorgungsleiter desFrequenzumrichters geführt. Der Summenstromtransformatormißt die Summe der Ströme durch diese Leiter. Die Summe derStröme ist Null, wenn keine Ableitung in der Installationerfolgt. Bei einer Ableitung ist der Strom unterschiedlich vonNull und in der Sekundärwicklung des Transformators wird einStrom induziert. Dieser Strom schaltet das Relais aus undmacht den Frequenzumrichter spannungslos. In den herkömm-lichen FI-Schaltern wurde das Induktionsprinzip verwendet,das ausschließlich mit Wechselspannungsgrößen arbeitet. Nach

KAPITEL 4: PERSONENSICHERHEIT 141

Abb. 4.03 Fehlerspannungsrelais

L1

L2

∆U

L3

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EN 50178 können Frequenzumrichter mit B6-Eingangs-brückengleichrichtern, im Fehlerfall glatten Gleichstrom in derZuleitung fließen lassen. Es wird empfohlen, zu überprüfen, obein Gleichstrom am Eingang des Frequenzumrichters liegenkann. Um eine einwandfreie Schutzfunktion zu erhalten, mußin diesem Fall ein allstromsensitiver NFI-Schutzschalter einge-setzt werden. Dieser kann durch eine zusätzlich eingebauteElektronik den Fehlerstrom frequenzunabhängig auch alsGleichstrom überwachen. Die Verträglichkeit mit Fehler-stromschutzeinrichtungen ist in EN 50178 aufgeführt.

Werden Fehlerstromschutzschalter eingesetzt, die nicht gleich-fehlerstromverträglich sind, läßt sich durch den Einsatz einesTrenntransformators vor den Frequenzumrichter dieser Fehler-strom verhindern.

Ableitstrom wird in gewissem Maß von Funkentstörfiltern undFunkentstörkomponenten hervorgerufen. Einzelne Funkent-störfilter produzieren üblicherweise einen Ableitstrom, der nurwenige mA beträgt und nicht zur Auslösung führt. Werden je-

142 KAPITEL 4: PERSONENSICHERHEIT

Abb. 4.05 Kurvenverlauf und Kennzeichnung von Fehlerströmen

L1

L2

∆I

L3

Wechselfehlerströme

Pulsierende Gleichfehlerströme (pos. und neg. Halbwellen) Halbwellenstrom

Angeschnittene HalbwellenströmeAnschnittwinkel 90° el

135° el

Halbwellenstrom bei Überlagerungmit glattem Gleichfehlerstrom von 6 mA

Glatter Gleichfehlerstrom

ElektrischeAuswertung

ElektronischeAuswertung

Abb. 4.04 Allstromsensitives Fehlerstromrelais

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KAPITEL 4: PERSONENSICHERHEIT 143

doch mehrere oder sehr große Filter eingesetzt, kann hierdurchdie Fehlerstromabschaltgrenze eines FI-Schutzschalters er-reicht werden.

Elektromagnetische Verträglichkeit Elektromagnetische Störungen sind unerwünschte, elektrischePhänomene, die von einem Gerät ausgehen oder ein Gerät uner-wünscht beeinflussen.

Elektromagnetische Phänomene können durch die natürlicheUmgebung in der Natur entstehen bzw. künstlich vom Men-schen geschaffen werden.

Zu den in der Natur vorkommenden elektromagnetischen Er-scheinungen gehören die atmosphärischen Störungen, wie siebei Gewittern entstehen. Eine weitere Erscheinung ist das Mag-netfeld, das die gesamte Erde umgibt und uns vor den energie-reichen Einstrahlungen aus dem Weltall schützt. Atmosphäri-sche Störungen lassen sich nicht vermeiden. Der Einfluß aufelektrische Geräte und Anlagen läßt sich nur durch verschiede-ne Vorkehrungen begrenzen.

Als künstliche, elektromagnetische Phänomene gelten alle vomMenschen geschaffene Störungen. Diese entstehen überall dort,wo mit elektrischer Energie gearbeitet wird. Die Störungenkönnen sich über die Luft oder über elektrische Leitungsnetzeausbreiten. Störungen von Lichtschaltern oder Zündanlagenkönnen im Radio oder Fernsehen bemerkt werden. Bei kurzer

Abb. 4.06 Elektromagnetische Phänomene

Funk-Entstörung

TEMPEST

Netzrückwirkungen Störfestigkeit

Blitzschutz

Berührungsschutz

Elektrostatik

Elektr. Korrosion

NEMP

Korona

Radioaktivität

Microwellen

Magnetfelder

BiologischeAuswirkungen

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Spannungsunterbrechung bleiben Uhren stehen oder PC’s ar-beiten nicht mehr einwandfrei. Durch Elektrostatik kann es zuFehlern in elektronischen Schaltungen und sogar zu Brandge-fahr kommen. Es gibt eine ganze Reihe von gegenseitiger Beein-flussung auch auf biologische Systeme, wie Menschen, Pflanzenund Tiere.

Die internationale Bezeichnung für Funkstörung ist EMC. Dieenglische Abkürzung steht für »Electromagnetic Compatibilty«.Dies bezeichnet die Fähigkeit eines Gerätes elektrischenStörungen zu widerstehen und gleichzeitig nicht selbst dasUmfeld durch die Ausstrahlung von Störungen zu belasten. Imdeutschsprachigen Raum hat sich die Abkürzung EMV durch-gesetzt für »Elektromagnetische Verträglichkeit«.

Für den europäischen Raum wurde die EMV-Richtlinie am 03.Mai 1989 vom Rat der EG erlassen. Diese europäische Richt-linie mußte in nationales Recht umgesetzt werden. In Deutsch-land geschah dies durch das EMV Gesetz, das am 12.11.1992 inKraft trat. Während der Übergangszeit bis zum 01.01.1996,konnte zwischen den bisherigen VDE-Vorschriften und den neu-en EN-Normen gewählt werden. Im Bereich der neuen EMV-Normen wird in 3 Gruppen eingeteilt:

Grundnorm (Basic Standard) Diese Normen sind phänomen orientiert. Sie beschreiben denAufbau der erforderlichen Testmittel und Meßverfahren.

Fachgrundnorm (Generic Standard)Diese Normen sind umgebungsorientiert. Sie unterscheidenzwischen Wohnbereichen, Bürobereichen, Leichtindustrie sowieIndustrie und speziellen Bereichen.

Produktnorm (Product Standard)Bei diesen Normen werden auf die besonderen Forderungenbestimmter Produktfamilien bezüglich der Meßverfahren undder Bewertung eingegangen. Es werden exakte Prüfpegel undGrenzwerte vorgeschrieben. Diese Normen haben Vorrang vorden Fachgrundnormen und sind diesen übergeordnet.

144 KAPITEL 4: PERSONENSICHERHEIT

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Entspricht ein elektrisches oder elektronisches Gerät den euro-päischen Gesetzen, so muß dies ab einem festgelegten Zeit-punkt gegenüber den Behörden dargelegt und sichtbar gemachtwerden. Dies geschieht durch die EG Konformitätserklärungund durch die CE-Kennzeichnung. Die EG Konformitätserklä-rung wird für eine Gerätereihe als Bescheinigungsdokumenterstellt, die CE-Kennzeichnung wird an dem Gerät, derVerpackung und in der Betriebsanleitung angebracht. Das CE-Kennzeichen ist als Verwaltungskennzeichen anzusehen, dassich an die zuständigen europäischen Behörden wendet undgesetzestreues Verhalten bescheinigt.Produkte, die nach der EMV-Richtlinie CE-kennzeichnungs-pflichtig sind, müssen diese Kennzeichnung ab 1996 tragen.

Arbeitet ein elektrisches Gerät in einem Spannungsbereich zwi-schen 50 und 1000 V Wechselspannung, oder zwischen 75 und1500 Gleichspannung, so ist ebenfalls die Niederspannungs-richtlinie zu beachten. Diese geht hervor aus der länger schonbestehenden ersten Verordnung des Gerätesicherheitsgesetzes.Diese Richtlinie, die ab 1997 eingehalten werden muß, beziehtsich auf die Gefahren, die von einem elektrischen Betriebs-mittel für Menschen, Nutztiere oder Sachen ausgehen können.

KAPITEL 4: PERSONENSICHERHEIT 145

Abb. 4.08 Übergangsfristen zur CE-Kennzeichnung

1992 1993 1994 1995 1996 1997

EMV89/336/EWG

Niederspannung72/23/EWG

Maschinen89/393/EWG

CE-Kennzeichen93/68/EWG

Abb. 4.07 EG-Konformitätszeichen

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VerbreitungswegeAls Emission (Störaussendung) wird die von einem Gerät(Störquelle) ausgehende elektromagnetische Energie (Stör-größe) bezeichnet.Als Immunität (Störfestigkeit) ist die Widerstandsfähigkeiteines Gerätes (Störsenke) gegen die elektromagnetischen Stö-rungen anzusehen. Die Störaussendung eines Frequenzum-richters sind Netzrückwirkungen, die im niederfrequentenBereich angesiedelt sind. Sie werde über das Leitungsnetz alsleitungsgebundene Störungen verbreitet. Weiterhin werdenStörungen als hochfrequente Luftstrahlung (10kHz bis GHz)als strahlungsgebundene Störabstrahlung durch die Luft ver-breitet.

KopplungEine Kopplung von elektrischen Kreisen kann auf galvani-schem, kapazitiven oder induktivem Wege geschehen. Diegalvanische Kopplung erfolgt, wenn zwei elektrische Kreiseeine gemeinsame elektrisch leitende Verbindung haben.

Frequenzumrichter und andere in diesem Netz betriebene elek-trische Geräte sind leitend miteinander verbunden und habenden gleich Erdungsbezugspunkt. Abhängig von den Impedanz-verhältnissen entsteht durch die Kopplung eine Störspannungan einem Gerät über die beiden gemeinsamen Impedanzen ZL3und Z0.

146 KAPITEL 4: PERSONENSICHERHEIT

Z

ZL1

ZL2

ZL3

Z0

Abb. 4.09 Galvanische Kopplung

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Die kapazitive Kopplung erfolgt, wenn zwei elektrische Kreisedie Erdung als gemeinsamen Bezugspunkt haben. Ein typi-sches Beispiel ist das zu nahe an anderen Leitungen verlegteMotorkabel. Der dabei entstehende kapazitive Störstrom ist vonder Frequenz in dem Motorkabel, der dazugehörigen Span-nungshöhe und dem Abstand zu anderen Kabeln abhängig. Dierelativ hohe Taktfrequenz heutiger Frequenzumrichter, mit derdie Ausgangsspannung gebildet wird, ergibt einen niedrigenkapazitiven Widerstand im Motorkabel und verursacht damitkapazitive Störströme.

KAPITEL 4: PERSONENSICHERHEIT 147

M

M

Abb. 4.10 Kapazitive Kopplung

Abb. 4.11 Induktive Kopplung

Kapazitiver Störstrom

Induktive Störspannung

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148 KAPITEL 4: PERSONENSICHERHEIT

Die induktive Kopplung entsteht, wenn das Magnetfeld umeinen stromführenden Leiter in einem anderen Leiter eineSpannung induziert. Die dabei induzierte Wechselspannung istvon der Stärke des Magnetfeldes, also von der Stromstärke inder Motorleitung, der Frequenz und dem Abstand zwischen denLeitungen abhängig.

Leitungsgebundene AusbreitungStöraussendungen können sich über die Leitungen des Versor-gungsnetzes verbreiten. Dabei werden der 50 Hz Sinuskurveder Versorgungsspannung höhere Frequenzen überlagert. Esentsteht eine Verzerrung der reinen Sinuskurvenform.

NetzrückwirkungenNetzrückwirkungen elektrischer Verbraucher verursachen eineVerzerrung der Kurvenform der Versorgungsspannung. DieseVerzerrung wird durch höherfrequente Anteile in der Spannunghervorgerufen. Erzeugt werden diese durch Eingangsschaltun-gen mit Gleichrichtern und Halbleiterbauelementen, die heutein vielen Geräten verwendet werden, so auch in Frequenzum-richtern. In anderen Geräten, die am gleichen Versorgungsnetzangeschlossen sind, verursachen die Netzrückwirkungen einezusätzliche Belastung. Diese wirken sich als höhere Stromauf-nahme oder akustisches Brummen der Geräte aus.

Abb. 4.12 Reduzierung der Netzrückwirkungen bei VLT 5000

F 5 10 15 20 25 30 40 45 5035

100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0

Amplitude

Ohne Drosseln

Mit Drosseln

Oberwellen:

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Der Gleichrichter eines Frequenzumrichters produziert einepulsierende Gleichspannung. Der Kondensator des nachge-schalteten Gleichspannungszwischenkreises wird bei jederSpannungsspitze aufgeladen. Während dieser Ladevorgängeentstehen eingangsseitige Ströme mit relativ hohen Amplitu-den. Durch diese impulsförmige, nicht sinusförmige Belastungwird die Sinusform der Versorgungsspannung verzerrt. Wiestark die Spannung verzerrt wird, ist von dem Belastungsstromund der Impedanz des Netzes abhängig. Wie groß die maximalzulässige Verzerrung sein darf, ist in EN 61000-2-2 für öffent-liche Niederspannungsnetze und in EN 61000-2-4 für Industrie-anlagen festgelegt. Die Netzrückwirkung besteht aus denhöherfrequenten Anteilen als sogenannte Oberschwingung derGrundfrequenz der Versorgungsspannung. Der Gesamtober-schwingungsgehalt wird auch als »Total Harmonic Distortion«(THD) bezeichnet.

Die maximal zulässige Größe der einzelnen Oberschwingungenin der Netzspannung ist in EN 61000-2-2 Tabelle 1 festgelegt.Die Netzrückwirkungen lassen sich durch eine Begrenzung derAmplituden der Pulsströme verringern. In der Praxis werdendazu Drosseln in den Zwischenkreis oder in den Eingang desFrequenzumrichters eingefügt. Häufig werden Frequenzum-richter ohne diese Drosseln geliefert. Diese können dann ge-trennt bezogen und montiert werden. Welche Vorbelastungender Netzspannung ein Frequenzumrichter verkraften könnensollte, ist in der Norm EN 60146-1-1 (allgemeine Anforderungenfür Halbleiterstromrichter) festgelegt.

Transienten/ÜberspannungIn den Versorgungsnetzen, sowohl in der Industrie, wie auch imPrivatbereich können Transienten auftreten. Dies sind kurz-zeitige Überspannungsspitzen im Bereich von einigen 1000 V.

Diese Transienten oder Überspannungsspitzen können dadurchentstehen, daß große Belastungen im Versorgungsnetz ein- undausgeschaltet werden, oder Blindstromkompensierungsanlagenschalten. Blitzeinschläge direkt in die Versorgungsleitungenverursachen eine hohe Überspannungsspitze. Diese kann nochSchäden in Anlagen in 20 km Entfernung vom Einschlagort ver-

KAPITEL 4: PERSONENSICHERHEIT 149

THD [%] =√ (U3)2 + (U5)2 + ... + (UN)2

U1

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150 KAPITEL 4: PERSONENSICHERHEIT

ursachen. In Freiluftanlagen kann ein Überspringen derIsolatoren zu anderen Leitungen hin erfolgen. Kurzschlüsseund Sicherungsauslösungen in Versorgungsnetzen verursachenebenfalls Transienten. Durch magnetisch induktive Kopplungkönnen in parallel liegenden Kabeln ebenfalls hohe Spannungs-spitzen entstehen.

Welche Formen diese Transienten haben und welche Energiedamit in ihnen enthalten ist, ist in VDE 0160 bzw. EN 61000-4-1dargestellt.

Die schädigenden Wirkungen von Transienten und Überspan-nungen lassen sich mit verschiedenen Methoden begrenzen.Für energiereiche Transienten und Überspannungen könnenGasableiter oder Funkenstrecken eingesetzt werden. In elek-tronischen Geräten werden häufig zur Bedämpfung der Über-spannung spannungsabhängige Widerstände (Varistoren) ein-gesetzt. Im Signalbereich kann der Schutz durch Zenerdiodestattfinden.

U

ωt

tr ≈ 0,1 ms

1 /2 ∆

U

2,3

ÛN

UN

± 1

0%

Abb. 4.13 Netztransienten nach EN 61000-4-1

Abb. 4.14 Transientenschutz

4 kV 2,5 kV6 kV

Überspannungs-kategorienach IEC 664

Grobschutzz.B. Gas-Ableiter

Feinschutzz.B. VaristorZenerdiode

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KAPITEL 4: PERSONENSICHERHEIT 151

Radiofrequente StörungenJeder Strom und jede Spannung die von der reinen Sinusformabweicht, beinhaltet Komponenten mit höheren Frequenzen.Die Höhe dieser Frequenzen ist von der Steigung des Verlaufsabhängig.

Wenn sich ein Kontakt schließt oder öffnet, wird die Strom-änderung sehr schnell stattfinden. Es ergibt sich eine sehr stei-le Stromänderung, die auch in der Spannung ihr Abbild findet.Im Radio kann dieses als Knackstörung hörbar werden. Dabeiwird ein einzelner Geräuschimpuls meist nicht als störendempfunden. Da die Halbleiter des Frequenzumrichter jedoch alsKontaktelemente im kHz-Bereich mit steilen Schaltflankengeschaltet werden, entstehen dabei permanent radiofrequenteStörungen, die ausgesendet werden.

Radiostörungen (RFI: Radio Frequency Interference) werdenals elektrische Schwingungen mit Frequenzen zwischen 10 kHz

91,0

79,0

69,5

66,0

57,5

56,0

46,0

50,0

105

µV

5

2

104

5

2

105

5

2

102

5

2

102101

101 2 3 MHz5210˚521510-15210-220

30

40

50

60

70

80

90

(µV)dB

100

Frequenz

Fun

kstö

rspa

nnun

gs-P

egel

Klasse A Gruppe 1

Klasse B Gruppe 1 und 2

Fun

kstö

rspa

nnun

g

Abb. 4.15 Funkstörgrenzwerte nach EN 55011

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152 KAPITEL 4: PERSONENSICHERHEIT

und dem GHz Bereich definiert. Wie stark diese Störungen auf-treten, ist von verschiedenen Faktoren abhängig:• den Impedanzverhältnissen im Versorgungsnetz• der Schaltfrequenz des Wechselrichters• dem mechanischen Aufbau des Frequenzumrichters• der Frequenz der Ausgangsspannung zum Motor• den eingesetzten Entstörmaßnahmen

Radiostörungen werden leitungs- oder strahlungsgebunden ver-breitet. Weltweit und in Europa gibt es Gesetze dafür, wievielRadiostörungen ein Gerät aussenden darf. Für die Bundesre-publik Deutschland war dies in der Vergangenheit die deutscheVDE-Norm. Heutzutage ist in der EG die europäische Norm ENverbindlich. Weltweit gilt die IEC-Norm.

Grenzwerte und Meßverfahren für Funkstörungen von indu-striellen, wissenschaftlichen und medizinischen Hochfrequenz-geräten (ISM-Geräten), zu denen bisher auch Frequenzum-richter zählten, sind in EN 55011 zu finden. Grenzwerte derStöraussendung für elektrische Geräte im Haushaltsbereichsind in EN 55014 festgelegt. Zukünftig wird für Frequenzum-richter die Norm EN 61800-3 anzuwenden sein.

Leitungsgebundene, hochfrequente Störaussendungen lassensich effektiv nur mit einem Filter vermindern. Diese Funkent-störfilter bestehen aus Spulen und Kondensatoren. Nicht alleFrequenzumrichter werden mit einem Funkentstörfilter aus-geliefert. Es müssen Filter dann zusätzlich montiert werden,die für den industriellen Bereich die Klasse A und für den haus-technischen Bereich die Klasse B gewährleisten müssen.

dudt

Funkentstör-filter B

Funkentstör-filter A

Netzrück-wirkung

StrommessungTransienten

Abb. 4.16 Frequenzumrichter und Funkentstörmaßnahmen

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KAPITEL 4: PERSONENSICHERHEIT 153

In dem Kabel von dem Frequenzumrichter zu dem angeschlos-senen Motor lassen sich Funkstörungen mit Filtern oder ge-schirmten Kabeln begrenzen. Hohe Schaltfrequenzen des Wech-selrichters bedeuten dabei:• daß die Kondensatoren große Ströme aufnehmen müssen• daß die Spulen des Filters groß ausgelegt werden müssen

Geschirmte KabelUm die Funkstörabstrahlung zu begrenzen, werden häufiggeschirmte Kabel eingesetzt. Die Wirkung des Schirmes wird inDezibel (dB) als Schirmdämpfung angegeben. Ebenfalls wirdhier auch von Kopplungsimpedanz gesprochen. Die Schirm-dämpfung sollte möglichst hoch sein, (sie liegt üblicherweise ineinem Bereich von 30 dB), die Kopplungsimpedanz dagegenmöglichst niedrig. Eine normale Leitung kann nicht die Schir-mung ersetzen, da die Oberfläche, auf der hochfrequente Stör-stahlungen abfließen sollen, bedingt durch den Skin-Effekt, zuklein ist.

Damit die Schirmung gegen hochfrequente Störstrahlungmöglichst gut wirkt, ist sie möglichst häufig zu erden. Praktischgeschieht dies an beiden Enden der Leitung. Wichtig ist dabei,der gute Kontakt zwischen Schirmung und Erdpotential. Eineschlechte Verbindung reduziert die Schirmwirkung und damitdie Bedämpfung der Störabstrahlung. Zu berücksichtigen ist,daß bei mehrfacher Erdung ein Ausgleichsstrom über dasErdpotential fließen wird. Für Signalkabel gilt daher, daß dieseeinseitig geerdet werden. Da diese Signalleitungen mit sehr nie-drigen Signalgrößen arbeiten, würden Einkopplungen auf denSchirm störend wirken.

Abb. 4.17 EMV-gerechte Installation des Schirmes

Erdungs-verschrau-bung

Gut GutSchlecht

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154 KAPITEL 4: PERSONENSICHERHEIT

Beim Kauf und der Montage eines Frequenzumrichters ist dar-auf zu achten, wie und in welchem Maß die Funkstörabstrah-lung begrenzt werden muß. In den technischen Unterlagen mußangegeben werden, welche Funkstörklasse der Frequenz-umrichter einhalten kann. Nicht immer ist ersichtlich, ob Filtereingebaut sind oder ob diese getrennt zu kaufen und zu montie-ren sind.

Geschirmte Motor- und Steuerkabel sind häufig notwendig undwerden empfohlen, um einen bestimmte Funkentstörgradeinzuhalten.

BlindstromkompensationanlageBlindstromkompensationanlagen werden in Netzen eingesetzt,wenn der Phasenverschiebungswinkel zwischen Spannung undStrom (cos ϕ) korrigiert werden soll. Dies ist dann der Fall,wenn viele induktive Verbraucher, wie Motore oder Vorschalt-geräte für Lampen in einem Netz betrieben werden. Ein Fre-quenzumrichter erzeugt keine Phasenverschiebung, sein cos ϕist etwa 1. Die Kondensatoren der Kompensationsanlage habenbei höheren Frequenzen einen niedrigeren Innenwiderstand.Sind in der Netzspannung höherfrequente Anteile (Oberwellen)enthalten, wird der Aufnahmestrom der Blindstromkompensa-tionsanlage ansteigen, die Kondensatoren werden wärmer undstärker belastet. Die höheren Frequenzanteile aus dem Netzkönnen mittels Drosseln von der Anlage abgeblockt werden. Eshandelt sich dann um verdrosselte Kompensationsanlagen.Zusätzlich wird mit dieser Maßnahme verhindert, daß eineResonanz zwischen den Induktivitäten der Verbraucher und derKapazität der Kompensationsanlage entstehen kann. Zu beach-ten ist hierbei, daß eine geringe »Absaugwirkung« der höherenFrequenzen vorhanden ist, so daß bei Rundsteuer- und Ton-frequenzübertragung Sperrfilter benötigt werden.

Je nach Vorschriften der örtlichen Elektrizitätsversorgungs-unternehmen (EVU’s) sind verdrosselte Kompensationsanlageneinzusetzen.

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KAPITEL 4: PERSONENSICHERHEIT 155

Auswahl eines Frequenz-umrichters für

drehzahlveränderbare AntriebeDie Auswahl eines Frequenzumrichters für drehzahlveränder-liche Antriebe erfordert eine Menge Erfahrung. Wo diese Erfah-rung nicht vorhanden ist, hilft es eine Referenzanlage zu be-suchen (ähnlicher Anwendungsfall), oder bei Messen dienotwendige Information zu sammeln. Nachfolgend sind einigePunkte genannt, die in Betracht gezogen werden sollten:

1. Angaben zur anzutreibenen Maschine• geforderte Anlagencharakteristik• Drehmomentverlauf, Losbrechmoment,

Beschleunigungsmoment• Drehzahlverstellbereich, Kühlung• Leistungsaufnahme des Umrichters und Motor• Betriebsquadranten• Schlupfkompensation (dynamisch)• geforderte Anlauf- bzw. Rücklauframpen.• geforderte Bremszeiten, Einschaltdauer der Bremsen• Direktantrieb, Getriebe, Übertragungsglieder, Massen-

trägheitsmoment • Synchronisation mit anderen Antrieben• Betriebsdauer, Steuerung• Rechnerverbund, Schnittstellen, Visualisierung• Bauform und Schutzart• Möglichkeit, dezentrale Intelligenz in den Frequenz-

umrichter zu integrieren

2. Angaben zur Umgebung• Aufstellungshöhe und Umgebungstemperatureinflüsse• Kühlluftbedarf, Kühlmöglichkeiten• klimatische Bedingungen, wie Feuchte, Wasser, Schmutz,

Staub, Gase• Sondervorschriften z.B. für Bergbau, chemische Industrie,

Schiffsindustrie, Lebensmitteltechnik• Geräusche

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156 KAPITEL 4: PERSONENSICHERHEIT

3. Netzverhältnisse• Netzspannung, Spannungsschwankungen• Netzleistungsfähigkeit• Netzfrequenzschwankungen• Netzrückwirkungen• Kurzschluß- und Überspannungsschutz• Netzausfälle

4. Wartung, Bedienung und Personal• Ausbildung bzw. Schulung des Bedienpersonals• Instandhaltung• Ersatzteile/Ersatzgeräte

5. Wirtschaftliche Kriterien• Anschaffungskosten (Komponenten)• Platzbedarf, Einbau, Konstruktion• Montageaufwand• Inbetriebnahme des Systems• Aufstellungsaufwand• Betriebskosten• Wirkungsgrad des Systems (Frequenzumrichter und

Maschine)• Blindleistungsbedarf und Kompensation wegen harmoni-

schen Belastungen

6. Schutzmaßnahmen für Bedienpersonal/Umrichter/Motor

• Galvanische Trennung nach PELV• Phasenausfall• Schalten am Umrichterausgang• Erd- und Kurzschlußschutz • Motorspulen zur Reduzierung der Spannungsanstiegs-

zeiten• Elektronische thermische Überwachung und Kaltleiter-

anschluß

7. Normen/Vorschriften• Nationale DIN, VDE, europäische EN• Internationale IEC, CE usw.

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Aus den o.g. Punkten ist nach Möglichkeit ein Umrichter zuwählen, der als Standard den größten Teil dieser Punkteabdeckt. So ist z.B. zu überprüfen, ob • der Umrichter eine Netz- oder Zwischenkreisdrossel hat, um

Netzrückwirkungen weitgehend reduzieren zu können. • ein RFI-Filter für Klasse A oder B standardmäßig eingebaut

ist, oder dieser getrennt anzuschaffen ist,• eine Leistungsreduzierung des Motors bei Umrichterbetrieb

notwendig ist,• der Umrichter selbst gegen Erd- und Kurzschlüsse abge-

sichert ist, und• wie der Umrichter im Fehlerfall reagiert.

KAPITEL 4: PERSONENSICHERHEIT 157

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106 KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR

3. Frequenzumrichterund Drehstrommotor

Für das vom Asynchronmotor entwickelte Drehmoment (M) giltallgemein M ~ Φ × IL wobei IL der Läuferstrom und Φ derMaschinenhauptfluß ist.

Um ein optimales Drehmoment aus dem Motor erhalten zu kön-nen, soll der Maschinenhauptfluß (Φ ~ U/f) konstant gehaltenwerden. Dies bedeutet, daß bei einer Änderung der Speise-frequenz (f) die Speisespannung (U) proportional geändert wer-den muß (siehe Abb. 3.01).

Für Schweranläufe (Schnecke) bzw. ein optimales Losbrech-moment wird eine Zusatz-(Start)Spannung (U0) notwendig.Im niedrigen Drehzahlbereich (f < 10Hz) und bei Belastungmacht sich der Spannungsverlust am Wirkwiderstand derStänderwicklung (vor allem bei Kleinmotoren) stark bemerkbarund bewirkt eine direkte Schwächung des Luftspaltfluß (Φ).

BeispielEin 1,1 kW, 3 × 400 V/50 Hz Motor mit Ständerwiderstand (einePhase) von ca. 8 Ω nimmt bei Nennlast 3 A auf.

I × R

f1 f2 fN0 f [Hz]

UN

U [V]

U2

U1U0

Feldschwäch-bereich

UN = KonstantfN

Abb. 3.01 U/f-Kennlinie-Steuerung

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KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR 107

Der Spannungsabfall am Ständerwiderstand beträgt in diesemFall 8 Ω × 3 A = 24 V. Der Motorhersteller sorgt dafür, daß imNennbetrieb dieser Verlust kompensiert wird.

Nach der U/f-Kennlinie-Steuerung wird idealerweise 40 V bei5 Hz, der Motor zur Verfügung gestellt. Der Motor wird beiBelastung mit der Nennlast die 3 A aufnehmen und damit einenSpannungsverlust von 24 V aufweisen. Es bleiben dann nur16 V zur Magnetisierung. Der Motor wird mit dieser Spannunguntermagnetisiert sein und bringt somit ein reduziertesMoment.

Eine Kompensation dieses Spannungsabfalls muß vorgenom-men werden, um den Maschinenfluß aufrechterhalten zu kön-nen.

Die einfachsten Methoden sind:• den unteren Bereich durch Anhebung der Ausgangsspan-

nung entweder gesteuert oder• geregelt durch die Wirkstromkomponente des

Umrichterausgangstromes vorzugeben.

Diese Kompensation wird meistens die I×R-Kompensation,Boost, Momentenanhebung, oder bei Danfoss Startkompensa-tion genannt.

Diese Art der Steuerung stößt an ihre Grenzen, wo die Stör-größen bei stark veränderlicher Belastung schlecht zu erfassensind (Beispiel hierfür sind Antriebe mit betriebsmäßigenSchwankungen des Wicklungswiderstands bis zu 25% zwischenwarmem und kaltem Zustand). Die Spannungsanhebung kannVerschiedenes bewirken. Im Leerlauf kann sie zu einerSättigung des Motorflusses führen oder bei Belastung zu einemzu geringen Hauptfluß. Bei der Sättigung wird ein hoher Blind-strom, der zur Erwärmung des Motors führt, fließen. BeiBelastung wird der Motor aufgrund des schwachen Hauptflußeswenig Drehmoment entwickeln und eventuell zum Stillstandkommen.

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108 KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR

Betriebsbedingungen des Motors

KompensationenFrüher war es schwierig, den Frequenzumrichter auf den Motorabzustimmen. Dies hatte den Grund, daß die Bedeutung einigerKompensationsfunktionen wie »Startspannung«, »Start-« und»Schlupfkompensation« nur schwer überschaubar war.

Der Frequenzumrichter steuert automatisch diese Kompensa-tionsparameter nach Frequenz, Spannung und Strom desMotors. In der Regel lassen sich diese Kompensationseinstel-lungen auch manuell ändern.

Lastabhängige und -unabhängige KompensationsparameterDiese Kompensationsparameter gewährleisten eine optimaleMagnetisierung und somit ein maximales Moment beim Star-ten, bei niedrigen Drehzahlen sowie dem Bereich bisMotornenndrehzahl. Die Ausgangsspannung bekommt einenSpannungszuschuß, mit dem der Einfluß des ohmschen Wider-stands der Motorwicklungen bei niedrigen Frequenzen über-wunden wird. Der lastabhängige Spannungszuschuß (Start-und Schlupfkompensation) wird über die Strommessung(Wirkstrom) bestimmt. Der lastunabhängige Zuschuß (Start-spannung) gewährleistet ein optimales Losbrechmoment imniedrigen Drehzahlbereich.

Ein Motor, der wesentlich kleiner als die empfohlene Motor-größe ist, kann einen zusätzlichen, manuell einstellbarenSpannungszuschuß benötigen, um losbrechen zu können oderim niedrigen Drehzahlbereich eine optimale Magnetisierung zugewährleisten.

Bei Betrieb von mehreren Motoren an einem Frequenzum-richter (Parallelbetrieb) sollte die lastabhängige Kompensationnicht verwendet werden.

Bei Frequenzumrichtern der neuesten Generation wird dieseKompensation (bei Standardanwendungen) automatisch vomFrequenzumrichter eingestellt.

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KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR 109

Schlupfkompensation Der Schlupf eines Asynchronmotors ist belastungsabhängigund beträgt ca. 5% der Nenndrehzahl. Für einen zweipoligenMotor bedeutet dies, daß der Schlupf bis zu 150 Umdr./min be-trägt.

Der Schlupf beträgt dann aber ca. 50% der gewünschten Dreh-zahl, wenn ein Frequenzumrichter einen Motor mit z.B. 300Umdr./min (10% der Nenndrehzahl) steuern soll.

Wenn der Frequenzumrichter den Motor mit 5% der Nenndreh-zahl steuern soll, bleibt daher der Motor bei Belastung stehen.Diese Belastungsabhängigkeit ist unerwünscht und bei einereffektiven Strommessung in den Ausgangsphasen des Fre-quenzumrichters kann der Frequenzumrichter den Schlupfvollständig kompensieren.

Der Frequenzumrichter kompensiert den Schlupf dadurch, daßdie Frequenz einen Zuschuß erhält, der dem gemessenen effek-tiven Strom folgt. Diese Form der Kompensierung wird als akti-ve Schlupfkompensation bezeichnet.

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110 KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR

Momentencharakteristiken des Motors

StromgrenzeBei einem Frequenzumrichter, der einen Strom mehrmalsgrößer als der Motornennstrom abgibt, kann die Momenten-kennlinie des Motors wie in Abb. 1.22 (Seite 33) dargestellt aus-sehen.

Solch hohe Ströme können dem Motor und Frequenzumrichter(leistungselektronische Bauelemente) schaden und sind für dennormalen Motorbetrieb nicht notwendig. Daher begrenzt derFrequenzumrichter indirekt den Motorstrom in dem er die Aus-gangsspannung und damit die Frequenz reduziert. Die Strom-grenze ist variabel und gewährleistet, daß der Motorstrom denSollwert nicht ständig übersteigt. Da der Frequenzumrichterdie Drehzahl des Motors unabhängig von der Belastung steuert,ist es möglich verschiedene Grenzwerte im Nennarbeitsbereichdes Motors einzustellen.

Die Momentenkennlinie des Motors liegt bei einigen Frequenz-umrichtertypen innerhalb der Nennwerte. Es ist jedoch vonVorteil, wenn der Frequenzumrichter über kürzere oder länge-re Zeit ein Moment von z.B. 160% des Nennmoments zuläßt. Esist auch üblich, daß ein frequenzumrichtergesteuerter Motor imübersynchronen Bereich bis z.B. 200% der Nenndrehzahl be-trieben werden kann.

M [%]

25 50

50

75

75

100

100

n [%]

Abb. 3.02 Die Momentenkennlinie eines frequenzumrichtergesteuer-ten Motors kann in »Rechtecken« eingestellt werden

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KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR 111

Der Frequenzumrichter kann keine höhere Spannung als diedes Versorgungsnetzes abgegeben. Das bewirkt ein fallendesSpannungs-Frequenzverhältnis, wenn die Drehzahl die Nenn-drehzahl übersteigt. Das Magnetfeld wird geschwächt und dasvom Motor abgegebene Moment fällt um 1/n.

Der maximale Ausgangsstrom des Frequenzumrichters bleibt.Dieser gibt eine konstante Leistung bis 200% der Nenndrehzahlab.

Die Drehzahl des Motors kann unterschiedlich angegeben wer-den. In Umdrehungen je Minute [Umdr/min], in Hertz [Hz] oderin Prozent der Motornenndrehzahl [%]. Ausgangspunkt istimmer die Drehzahl des Motors bei Nennfrequenz.

M [%]

50 100 150 200

100

160

n [%]

M = 100%

P ~ n

100

100

200

P

n [%]

Abb. 3.03 Moment und Übermoment des Motors

Abb. 3.04 Leistung des Motors

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112 KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR

Eine Änderung vom Spannungs-Frequenzverhältnis beeinflußtdie Momentenkennlinie. Untenstehende Abbildung zeigt dieMomentenkennlinie bei einer Verringerung des Spannungs/Frequenzverhältnisses auf 6,7 [V/Hz].

M [%]U [V]

f [Hz]

= 8,0 [V/Hz]

2550

1500

501003000

1002006000

100

400

50

F [Hz]n/n0 [%]n [min–1]

Uf

Abb. 3.05 Angabe der Drehzahl (hier für einen 2-poligen Motor)

M [%]U [V]

f [Hz]

= 6,7 [V/Hz]

2550

1500

501003000

1002006000

100

400

50 60

F [Hz]n/n0 [%]n [min–1]

601203600

Uf

Abb. 3.06 Moment bei einer anderen Einstellung des U/f-Verhält-nisses

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KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR 113

Forderungen an moderne digitale Frequenz-umrichterDie positive Entwicklung der Leistungselektronik, der Mikro-prozessortechnik, sowie der integrierten Schaltungen haben dieelektrische Antriebstechnik in den letzten Jahren sehr starkbeeinflußt.Durch diese Entwicklung werden wachsende Anforderungen anBearbeitungsgeschwindigkeit und -genauigkeit von neuenSystemkomponenten, die die digitale Antriebsregelung ermög-lichen, gefordert.

Einige Vorteile der digitalen Antriebsregelung sind:• Reproduzierbarkeit und Konstanz der Reglerparameter• leichte Realisierung von steuernden Eingriffen• Flexibilität für anwendungsspezifische Applikationen • Erhöhung der Reglergenauigkeit und des Regelbereiches.

Bei der analogen Technik wurden Abgleichmaßnahmen mitPotentiometer oder passiven Bauelementen realisiert. Hierbeikönnen Offset- und Temperaturdriftprobleme auftreten. Beidigitalen Regelungen können ermittelte Reglerparameter ineinem Speicherbaustein (z.B. EEPROM) hinterlegt werden.

Mit dem Mikroprozessor kann man unter anderem auf einfach-ste Weise Funktionen, wie Reglersperre, Datensatzumschal-tung usw. realisieren. Auch komplette Fahrprogramme (Ablauf-steuerung) und antriebsspezifische Intelligenz kann in denFrequenzumrichter verlagert werden.Bis vor einigen Jahren wurde für drehzahlgeregelte Antriebemit hohem Stellbereich, sowie für gute Führungs- und Lastver-halten die Gleichstrommaschine eingesetzt.

Die obengenannten Entwicklung auf dem elektronischen Markthat dazu geführt, daß an Frequenzumrichter und Asynchron-maschine auch höhere dynamische Forderungen gestellt wer-den. Um dieser Forderung gerecht zu werden, muß ein ähn-liches Verhalten, wie bei der Gleichstrommaschine über dieDigitaltechnik realisiert werden.

Die U/f-Kennlinien-Steuerung am Frequenzumrichter, wirdnicht mehr ausreichen, dieser dynamischen Forderung gerechtzu werden. Hier wird das Prinzip der feldorientierten Regelung,häufig auch Vektorregelung genannt, verwendet.

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114 KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR

Feldorientierte (Vektor) RegelungEs gibt eine Vielzahl von Ausführungsformen der Vektorrege-lung. Der wesentliche Unterschied liegt darin, nach welchenKriterien die Größen Wirkstrom, Magnetisierungsstrom (Fluß)und Drehmoment berechnet werden.

Eine Gegenüberstellung der Gleichstrommaschine mit derDrehstrom-Asynchronmaschine (s. Abb. 3.07) zeigt die zuerwartenden Probleme. Bei der Gleichstrommaschine liegendurch die Anordnung der Feldwicklung und der Stellung derBürsten, die für die Drehmomentbildung wichtigen Größen– Fluß (Φ) und Ankerstrom – nach Betrag und Phasenlage fest(Abb. 3.07a).

Anker- und flußbildender Strom stehen senkrecht aufeinanderund beide Größen sind betragsmäßig leicht erfassbar. Bei demAsynchronmotor ist die Lage des Flusses (Φ) und des Läufer-stromes IL lastabhängig. Phasenwinkel und Betrag des Stromessind außerdem nicht über Statorgrössen direkt meßbar, wie beider Gleichstrommaschine.

Über eine mathematische Motormodellbildung läßt sich dasDrehmoment aus der Verknüpfung des Flusses mit dem Stän-derstrom jedoch errechnen. Der gemessene Ständerstrom (IS)wird zerlegt in die drehmomentbildende Komponente (IL), die

Φ

Φ

Φ

Φ

U

α

IL IM

IM

I S

M ~ I × Φ × sinßG

ßG ßD

I

I

a) b)

Ui

Abb. 3.07 Gegenüberstellung Gleichstrom- und Drehstrom-Asynchronmaschine

Gleichstrommaschine

Vereinfachtes Zeigerdiagramm derAsynchronmaschine für einenLastpunkt

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KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR 115

mit dem Fluß (Φ) das Drehmoment erzeugt, und die senkrechtdazu verlaufende Komponente (IB). Diese erzeugt den Maschi-nenfluß (Abb. 3.08).

Mit Hilfe dieser beiden Stromkomponenten kann voneinanderunabhängig, sowohl auf das Drehmoment, als auch auf denFluß eingewirkt werden. Die erforderliche Berechnung mit Hil-fe von dynamischen Maschinenmodellen erfordert eine aufwen-dige Datenverarbeitung, die den Einsatz nur bei digitalenAntrieben wirtschaftlich macht. Durch diese Technik der Auf-teilung auf zwei Regelkreise für• den belastungsunabhängigen Erregungszustand und• das Drehmomentgelingt es, die Asynchronmaschine genauso dynamisch zuregeln wie die Gleichstrommaschine. Diese Art von Regelungfordert allerdings ein Rückführungssignal (z.B. Tacho). Vorteiledieser Art von Drehstromregelung sind:• gute Reaktion zu Laständerungen• genaue Geschwindigkeitsregelung• volles Moment bei Null Drehzahl• Antriebsleistung vergleichbar mit Gleichstromantrieben.

ΦL

ω

M ~ IS × ΦL × sinθ

θ

IM

U

IW

IB

IS

Abb. 3.08 Berechnung der Stromkomponenten für die feldorientierteRegelung

ω: Winkelgeschwindigkeit

IS: Ständerstrom

IB: Flußbildender Strom

IW: Wirkstrom/Läuferstrom

ΦL: Lauferfluß

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116 KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR

U/f-Kennlinie und FlußvektorsteuerungDie Drehzahlsteuerung für Drehstrommotoren hat sich in denletzten Jahren aus zwei verschiedenen Steuerprinzipienentwickelt:• die normale U/f-Steuerung und• die Flußvektor-Steuerung.

Je nach den konkreten Anforderungen an Antriebsleistung(Dynamik) und Genauigkeit haben beide Methoden ihre Vor-und Nachteile.

Die U/f-Kennlinie-Steuerung hat ihre Begrenzung im Drehzahl-regelbereich. Er liegt im gesteuerten Bereich bei ca. 1:20. Beiniedrigen Drehzahlen ist eine alternative Steuerungsstrategie(Kompensationen) notwendig.Der Vorteil liegt jedoch in der • relativ einfachen Anpassung des Frequenzumrichters an

den Motor• Robustheit gegen Stoßlast im gesamten Drehzahlbereich.

Bei Flußvektorantrieben muß eine genaue Anpassung des Fre-quenzumrichters an den Motor vorgenommen werden. Dieserfordert genaue Kenntnisse über den zu steuernden Dreh-strommotor. Eine zusätzliche Komponente für das Rückführ-signal ist notwendig.Hier liegt der Vorteil • in der schnellen Reaktion auf Drehzahländerungen und im

großen Regelbereich• im besseren dynamischen Verhalten bei Drehrichtung-

umkehrungen• in einer Steuerstrategie für den gesamten Drehzahlbereich

Für den Anwender ist die optimale Lösung eine Motor-Dreh-zahlsteuerung, die die stärksten Eigenschaften beider Strategi-en in sich vereint. Merkmale wie Stabilität gegen schrittweiseBe-/Entlastung über den gesamten Drehzahlbereich, eine typi-sche Stärke des »U/f-gesteuerten« Drehstrommotors, undschnelles Ansprechen auf Änderungen in der Solldrehzahl (beifeldorientierter Steuerung) sind offensichtliche Anforderungenan künftige Motor-Drehzahlsteuerungen. Eine neue Steuerstra-tegie, die durch Kombination der robusten Eigenschaften derU/f-Steuerung mit der höheren, dynamischen Leistung der feld-

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KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR 117

orientierten Regelprinzipien neue Maßstäbe für Antriebe mitDrehzahlsteuerung setzt, ist die Danfoss VVCplus Steuerung.

Nachfolgend werden weitere Merkmale der VVCplus Steuerungbeschrieben.

SchlupfausgleichUnabhängig vom tatsächlichen Lastdrehmoment wird die mag-netische Feldstärke des Motors und die Wellendrehzahl auf demjeweiligen Sollwert gehalten. Dies geschieht durch zwei Aus-gleichsfunktionen: den Schlupfausgleich und den sogenanntenLastkompensator (s. Danfoss VVCplus Steuerung Kap. 2 für dieBeschreibung des Lastkompensators).

Der Schlupfausgleich addiert zum Solldrehzahlsignal eine be-rechnete Schlupffrequenz (∆f), um den erforderlichen Frequenz-sollwert zu erhalten. (s. Abb. 2.32) Die Ständerfrequenz wirddurch eine benutzerdefinierte Hochlaufzeit (Rampe) anstiegs-begrenzt. Der Schlupfschätzwert leitet sich aus dem Schätzwertder Drehmomentlast und der tatsächlichen magnetischen Feld-stärke ab, d.h. er berücksichtigt auch eine Feldabschwächung.

Das stationäre Verhalten des Steuersystems ist zusammen mitden Drehmoment/Drehzahl-Kurven in Abb. 3.09 dargestellt.

2000

2

10

20

24[Nm]

1000 2000 3000 4000 [rpm]

Abb. 3.09 Drehmoment/Drehzahl Kennlinie (Nennmoment 10 Nm)

Nennmoment

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118 KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR

Automatische Motoranpassung (AMA)Automatische Einstellfunktionen finden bei Industrieproduk-ten immer mehr Verbreitung. Dies soll die Installation underste Inbetriebnahme erleichtern. Hierzu werden der Ständer-widerstand und die -induktanz gemessen. Ein Vorteil solcherVorortmessungen besteht darin, daß sich auf diese Weise instal-lationsbedingte Abweichungen der elektrischen Parameterberücksichtigen lassen.

Während der Inbetriebnahme müssen die Motoranschlüsse aufihre Richtigkeit geprüft werden, um die Gültigkeit der Datensicherzustellen.

Einzustellende ParameterDie Parameter im Steuersystem sind auf den jeweiligen Motorabgestimmt, d.h. auf die entsprechenden Stromkreisparameterund Typenschilddaten. Die Motordaten erhält man durch auto-matische Anpassung (AMA), manuelles Einlesen (Standardda-ten, Standardwiderstand und -reaktanz) oder durch Verwen-dung der Standarddaten (Motornennleistung, -spannung,-frequenz, -drehzahl und -strom). Aufgrund dieses Ansatzeskann der Steueralgorithmus über ein breites Leistungsspekt-rum (0,25 bis 500 kW) verwendet werden.

Die AMA der VVCplus

Steuerung führt die Bemessung desMotors im Stillstand aus. Es muß gewährleistet werden, daßder Motor während der Messung durch externe Einflüße nichtgedreht wird.

Automatische Energieoptimierung (AEO)Durch den zunehmenden Einsatz von Elektroantrieben in derIndustrie genießen Energiesparmöglichkeiten heute einenhohen Stellenwert. Bei vielen Anwendungen, bei denen derAntrieb in verschiedenen Lastzyklen läuft, kann während desBetriebs mit geringerer Belastung durch Reduzierung der Mag-netfeldstärke Energie eingespart werden. Dies ist bei vielenAntrieben bis zu einem gewissen Grad dadurch gelöst, daß manfür drehmomentveränderliche Lasten U/f-Eigenschaften einge-führt hat, wobei man sich die vorherige Kenntnis des Dreh-moment-Drehzahl-Profils (Lüfter, Kreiselpumpen) zunutzemachte.

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KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR 119

Ein Verfahren zur automatischen Online-Optimierung desEnergieverbrauchs für die jeweilige Istlast wird verwendet.Dabei wird der Sollwert angepaßt, der die erforderliche Mag-netfeldstärke für die Istlast liefert. Als Kompromiß zwischenhöchstmöglicher Einsparung und den realen Applikationsanfor-derungen eines Mindestdrehmoments bei festgebremstemLäufer (Kippdrehmoment) wurde, damit der Motor genügendrobust ist, ein unterer Grenzwert festgelegt.

Die Einstellungen beruhen ausschließlich auf den verfügbarenDaten in der Steuerung, so daß für diese Funktion keine zusätz-lichen Abstimmungen oder Parameter notwendig sind. ImGegensatz zum normalen drehzahlgesteuerten Betrieb mitmagnetischer Bemessungsfeldstärke verringert die Energieop-timierung die Verluste im Motor und spart dadurch Energie.Das durchschnittliche Einsparpotential für kleine bis mittlereAntriebe beträgt 3 bis 5% der Nennleistung beim Betrieb mitgeringen Lasten. Als sehr wichtiger Nebeneffekt läuft der Motorbei Kleinlasten nahezu geräuschlos – selbst bei niedrigen bismittleren Schaltfrequenzen.

Betrieb in der StromgrenzeSpannungsgeführte PWM-Frequenzumrichter, die nach dereinfache U/f-Kennlinie-Steuerung arbeiten, können im allge-mein nicht »glatt« an der Stromgrenze arbeiten. Die Spannung(und automatisch die Frequenz) wird zunächst reduziert bis dieeingestellte Stromgrenze erreicht wird. Sobald diese Grenzeerreicht wird, versucht der Frequenzumrichter den eingestell-ten Sollwert erneut zu erreichen (Spannung und Frequenz wer-den wieder erhöht). Dies führt zu einer Erhöhung bzw. Reduzi-erung der Drehzahl, was z.B. die Mechanik der Anlage unnötigbelastet oder eventuel die Qualität der Produkte negativ beein-flussen kann.

Es kann unter Umstände zur abrupten Abschaltung kommen: • wenn über eine interne Rampe die Spannung und Frequenz

reduziert bzw. bis zur Abschaltung (Wechselrichter über-lastet) erhöht wird oder

• die Last reduziert wird.

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Moderne PWM-Frequenzumrichter suchen sich (über eine in-terne Rampe) einen Arbeitspunkt, bei dem die eingestellteStromgrenze nicht überschritten wird und steuern den Motor»glatt« zu diesen Arbeitspunkt. Ein Warnsignal wird gemeldet,um den Anwender darauf hinzuweisen, daß die Stromgrenzeerreicht ist. Der Frequenzumrichter schaltet erst ab, wenn kei-ne passende Frequenz gefunden wird.

120 KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR

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Wahl der Frequenzumrichtergröße

Wenn die notwendige Leistungsgröße eines Frequenzum-richters für eine gegebene Belastung bestimmt werden soll,muß als erstes entschieden werden, welche Belastungskenn-linie vorliegt. Danach kann berechnet werden, welcheFrequenzumrichtergröße für die notwendige Ausgangsleistungbenötigt wird. Für die Berechnung der notwendigen Ausgangs-leistung gibt es vier unterschiedliche Methoden, die nach denvorhandenen Motordaten gewählt werden.

Belastungskennlinien Bevor die Frequenzumrichtergröße bestimmt werden kann, istzwischen den zwei meist verbreiteten Belastungskennlinien zuunterscheiden (s. Abb. 1.32 – Seite 43).

Der Grund für die Unterscheidung der Belastungskennlinien:• Wenn die Drehzahl für Pumpen und Lüfter steigt, steigt der

Leistungsbedarf mit der 3. Potenz der Drehzahl (P=n3). • Der normale Arbeitsbereich von Pumpen und Ventilatoren

liegt im Drehzahlbereich 50 bis 90%. Der Belastungsgradsteigt in der 2. Potenz zur Drehzahl, also etwa 30 bis 80%.

Diese beiden Verhältnisse lassen sich in die Momentenkenn-linie für einen frequenzumrichtergesteuerten Motor einzeich-nen.

Abb. 3.11 und 3.12 zeigen Momentenkennlinien für zwei unter-schiedliche Frequenzumrichtergrößen, die eine (Abb. 3.12) isteine Leistungsstufe niedriger als die andere. Bei beidenMomentenkennlinien wurde die gleiche Belastungskennlinie

KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR 121

M

n

M

nKonstant Quadratisch (Variable)

Abb. 3.10 Konstantes und quadratisches Belastungsmoment

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122 KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR

einer Zentrifugal-Pumpe eingezeichnet. In Abb. 3.11 liegt dergesamte Arbeitsbereich der Pumpe (0-100%) innerhalb derNennwerte des Motors. Da der normale Arbeitsbereich derPumpe 30-80% ist, kann ein Frequenzumrichter mit einer nied-rigeren Ausgangsleistung gewählt werden.

Bei konstantem Belastungsmoment muß der Motor ein Momentabgeben können, das größer als das Belastungsmoment ist. DerMomentenüberschuß wird für die Beschleunigung verwendet.

Ein vom Frequenzumrichter abgegebenes kurzzeitiges Übermo-ment von 60 % reicht für die Beschleunigung und hohe Start-momente, z.B. bei Förderbändern. Das Übermoment gewährlei-stet auch, daß die Anlage Belastungsstöße verkraftet. EinFrequenzumrichter, der kein Übermoment zuläßt, ist so groß zuwählen, daß das Beschleunigungsmoment (MB) innerhalb desNennmoments liegt.

Nach Festlegung der Belastungskennlinie gibt es verschiedeneMotordaten für die Bestimmung der Leistungsgröße des Fre-quenzumrichters.

Abb. 3.11 Abb. 3.12»Großer« Frequenzumrichter »Kleinerer« Frequenzumrichter

M [%]

MB

100

100

50

160

n [%]

M [%]

MB

100

10050

n [%]

Abb. 3.13 Übermoment wird zur Beschleunigung genutzt

M [%]

100

100

80

30

160

n [%]

M [%]

100

10080

30

160

n [%]

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1. Schnell und präzise wird der Frequenzumrichter nach demStrom IM bestimmt, den der Motor aufnimmt. Bei nicht vollbelastetem Motor kann der Motorstrom beispielsweise aneiner entsprechenden Anlage gemessen werden, die in Be-trieb ist.

Beispiel: Ein 7,5 kW, 3 x 400 V Motor nimmt 14,73 A auf.

Nach den technischen Daten des Frequenzumrichters wirdein Frequenzumrichter gewählt, dessen maximaler konti-nuierlicher Ausgangsstrom größer oder gleich 14,73 A beikonstanter oder quadratischer Momentenkennlinie ist.

HinweisBei der Wahl eines Frequenzumrichters nach einer Leistung(Methode 2-4) ist es wichtig, daß die berechneten Leistungenund die Leistungen, die unter den technischen Daten des Fre-quenzumrichters angegeben werden, bei gleicher Spannungverglichen werden. Dies ist nicht nötig, wenn derFrequenzumrichter nach einem Strom berechnet wird (Met-hode 1), da der Ausgangsstrom des Frequenzumrichtersbestimmend für die übrigen Daten ist.

2. Der Frequenzumrichter kann nach der Scheinleistung SM, dieder Motor aufnimmt, und der Scheinleistung, die derFrequenzumrichter abgibt, gewählt werden.

Beispiel: Ein 7,5 kW, 3 × 400 V Motor nimmt 14,73 A auf

KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR 123

U × I × √ 3 400 × 14,73 × √ 3SM = = = 10,2 kVA1000 1000

IVLT IM

Abb. 3.14 Wahl eines Frequenzumrichters nach Nennstrom

SVLT SM

Abb. 3.15 Wahl eines Frequenzumrichters nach Scheinleistung

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124 KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR

Nach den technischen Daten des Frequenzumrichters wirdein Frequenzumrichter gewählt, dessen maximale kontinu-ierliche Ausgangsleistung größer oder gleich 10,2 kVA beikonstanter bzw. quadratischer Momentenkennlinie ist.

3. Ein Frequenzumrichter kann auch nach der abgegebenenLeistung PM des Motors gewählt werden. Da sich mit derBelastung cos ϕ und der Wirkungsgrad η ändert, ist dieseMethode ungenau.

Beispiel:Ein 3 kW Motor mit einem Wirkungsgrad und cos ϕ von 0,80bzw. 0,81 hat eine Aufnahme von

Nach den technischen Daten des Frequenzumrichters wirdein Frequenzumrichter gewählt, dessen maximale kontinu-ierliche Ausgangsleistung größer oder gleich 4,6 kVA bei kon-stanter bzw. quadratischer Momentenkennlinie ist.

4. Die Leistungsgrößen der Frequenzumrichter folgen aus prak-tischen Gründen der Normreihe der Asynchronmotoren. DerFrequenzumrichter wird deshalb häufig danach bestimmt.Das kann eine ungenaue Auslegung ergeben, besonders,wenn der Motor nicht voll belastet wird.

SVLT PM

Abb. 3.16 Wahl eines Frequenzumrichters nach Wellenleistung

PM 3,0SM = = = 4,6 kVAη × cos ϕ 0,80 × 0,81

PM

Abb. 3.17 Wahl eines Frequenzumrichters nach der Normreiheder Motoren

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Stromaufteilung im Frequenzumrichter (cos ϕ des Motors)Der Strom für die Magnetisierung des Motors wird vom Kon-densator im Zwischenkreis des Frequenzumrichters zur Ver-fügung gestellt. Der Magnetisierungsstrom ist ein Blindstrom,der vom Kondensator zum Motor hin und her fließt (Abb. 3.18).

Es wird vom Netz nur der Wirkstrom (IW) aufgenommen.Deshalb ist der Ausgangsstrom des Frequenzumrichters immergrößer als der Eingangsstrom. Zusätzlich zu dem Wirkstrom,werden die Verluste (IVerlust) vom Netz aufgenomen. In Leerlaufist dieses Verhältnis sehr deutlich zu erkennen.

Beispiel:Der Leerlaufstrom eines vierpoligen 1,1 kW-Motors ist 1,6 A.Der Ausgangsstrom des angeschlossenen Frequenzumrichterswird ca. 1,6 A betragen und der Eingangsstrom im Leerlaufwird annähernd Null sein.

Die Motorenhersteller geben normalerweise den cos ϕ des Mo-tors bei Nennstrom an. Bei einem niedrigen Wert von cos ϕ (z.B.Reluktanzmotor) wird der Motornennstrom – bei gleicher Lei-stung und Nennspannung – nach der Gleichung

größer sein.

Eine Auslegung des Frequenzumrichters nach dem Motornenn-strom (Methode 1) wird zu keiner Reduzierung des Motornenn-moments führen.

KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR 125

M3~

cos ϕϕ

IW IS

IB

ISIS =

IW

IB

IW

Abb. 3.18 Ströme im Frequenzumrichter

IWIS = cos ϕ

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126 KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR

Ein Kondensator, der zur Blindstromkompensation an denMotorklemmen angebracht ist, muß ausgebaut werden. Durchdie hohe Schaltfrequenz des Frequenzumrichters wirkt derKondensator als Kurzschluß und läßt so den Motorstromunkontrolliert steigen. Dies wird vom Umrichter als Erd- oderKurzschluß erfaßt und führt zur Abschaltung.

Steuerung der Motordrehzahl Die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters und damit dieDrehzahl des Motors wird mit einem oder mehreren Signale(0-10 V; 4-20 mA, oder Spannungspulsen), als Drehzahlreferenzgesteuert. Bei Erhöhung der Drehzahlreferenz steigt die Dreh-zahl des Motors. Der senkrechte Teil der Momentenkennliniedes Motors wird nach rechts verschoben (Abb. 3.19b).

Wenn das Belastungsmoment kleiner als das Motormoment ist,erreicht die Drehzahl den gewünschten Wert. Die Momenten-kennlinie der Belastung schneidet die Momentenkennlinie desMotors auf dem senkrechten Teil (Punkt A). Bei einem Schnitt-punkt auf dem waagerechten Teil (Punkt B) kann die Drehzahldes Motors den entsprechenden Wert nicht kontinuierlich über-steigen. Der Frequenzumrichter ermöglicht kurzzeitige Über-schreitung der Stromgrenze ohne Ausschaltung (Punkt C). Einezeitliche Begrenzung der Überschreitung ist notwendig.

fa) b)

M

n

Abb. 3.19 Funktion zwischen Referenzsignal und Momenten-kennlinie des Motors

Ref.signal

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Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen Die Beschleunigungsrampe gibt an, wie schnell die Drehzahlsteigt. Sie wird als Beschleunigungszeit tacc angegeben und sagtaus, wie schnell der Antrieb die neue Drehzahl erreichen soll.Diese Rampen beziehen sich meistens auf die Motornennfre-quenz. z.B. eine Beschleunigungsrampe von 5 Sek. bedeutet,der Frequenzumrichter soll von 0 zur die Motornennfrequenz(fn = 50 Hz) 5 Sek. benötigen.

Die Verzögerungsrampe gibt an, wie schnell die Drehzahl fällt.Sie wird als Verzögerungszeit tdec angegeben und sagt aus, wieschnell der Antrieb die neue Drehzahl erreichen soll.

Es kann direkt von Beschleunigung auf Verzögerung umgestelltwerden, da der Motor die ganze Zeit der Ausgangsfrequenz desWechselrichters folgt.

Wenn das Trägheitsmoment der Motorwelle bekannt ist, kön-nen die kürzesten Beschleunigungs- und Verzögerungszeitenberechnet werden.

KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR 127

f

fn

fmin.

f

fn

fmin.

ta) b)tacc ttdec

Abb. 3.21 Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten

I [%]

ILIM

IN, VLT

160C

B1

B2 A

M

Abb. 3.20 Der Motorstrom kann kurzzeitig die Stromgrenze über-schreiten

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128 KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR

J ist das Trägheitsmoment der Motorwelle. Mreib ist das Reibungsmoment der Anlage.Macc ist das Überschußmoment, das für die Beschleunigungverwendet wird.Mdec ist das Bremsmoment, das entsteht, wenn die Geschwin-digkeitsreferenz herabgesetzt wird. n1; n2 sind die Drehzahlen bei den Frequenzen f1 und f2.

Wenn der Frequenzumrichter für kurze Zeit ein Übermomentzuläßt, werden die Beschleunigungs- und Verzögerungsmomen-te in der Berechnung mit dem Nennmoment M des Motors ange-setzt. In der Praxis haben Beschleunigungs- und Verzöge-rungszeit meist die gleiche Größe.

Beispiel J = 0,042 kgm2 n1 = 500 min–1 n2 = 1000 min–1

Mreib = 0,05 × MN MN = 27 Nm

Bremsbetrieb Beim Herabsetzen der Geschwindigkeitsreferenz wirkt derMotor als Generator und bremst. Die Bremsverzögerung ist vonder Größe der abgegebenen Motorleistung abhängig. Motoren, die direkt am Versorgungsnetz angeschlossen sind,liefern die Bremsleistung zurück ins Netz.

Bei Steuerung des Motors durch einen Frequenzumrichter wirddie Bremsleistung im Zwischenkreis des Frequenzumrichtersgespeichert. Übersteigt die Bremsleistung die Verlustleistungdes Frequenzumrichters, erfolgt ein Anstieg der Spannung imZwischenkreis.

Die Zwischenkreisspannung kann ansteigen, bis der Frequenz-umrichter aus Sicherheitsgründen ausschaltet. Es kann dahernotwendig werden, den Zwischenkreis mit einem Bremsmodul

n2 – n1 1000 – 500tacc = J × = 0,042 × = 0,1 [s](Macc – Mreib) × 9,55 (27,0 – (0,05 × 27,0)) × 9,55

n2 – n1tacc = J × (Macc – Mreib) × 9,55

n2 – n1tdec = J × (Mdec + Mreib) × 9,55

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und externen Widerstand zu belasten, der die Bremsleistungaufnimmt.

Mit einem Bremsmodul und -widerstand lassen sich große Bela-stungen schnell abbremsen. Ab einer gewissen Leistung wird esWärmeprobleme beim Einsatz von Bremsmodul und -wider-stand geben. Hier wird die sogenannte Netzrückspeiseeinheiteingesetzt. Die Netzrückspeiseeinheit wird beim Frequenzum-richter mit ungesteuertem Gleichrichter verwendet.

Beim Frequenzumrichter mit gesteuertem Gleichrichter kanndie Bremsleistung in das Versorgungsnetz zurückgeliefert wer-den (s. Abb. 3.23). Dies erfolgt z.B. über einen Wechselrichter, der antiparallelüber den Gleichrichter geschaltet ist.

Das Gleichstrombremsen (DC-Bremse) ist eine andere Art, denMotor zu bremsen. Mit einer Gleichspannung über zweiMotorphasen wird ein stillstehendes Magnetfeld im Stator er-zeugt. Die Bremsleistung bleibt im Motor und es kann eineÜberhitzung auftreten. Daher wird empfohlen, das Gleich-strombremsen im niedrigen Drehzahlbereich so einzustellen,daß der Motornennstrom nicht überschritten wird. Generell istdie DC-Bremsung zeitlich begrenzt.

KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR 129

Abb. 3.22Bremsmodul und -widerstand

Abb. 3.23AntiparallelgeschalteterWechselrichter

~~~

~~~

Bremschopper-modul

Bremswiderstand

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130 KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR

Reversierung Die Drehrichtung des Asynchronmotors wird von der Phasen-folge der Versorgungsspannung bestimmt.

Beim Tausch von zwei Phasen wechselt die Drehrichtung desMotors: der Motor reversiert. Die meisten Motoren sind so konstruiert, daß sich die Motor-welle nach rechts dreht, wenn der Anschluß wie gezeigt erfolgt.

Die Phasenfolge der Ausgangsklemmen der meisten Frequenz-umrichter folgt auch diesem Prinzip.

Der Frequenzumrichter kann die Drehrichtung des Motorsdurch eine elektronische Änderung der Phasenfolge ändern. DieReversierung erfolgt entweder durch eine negative Drehzahl-referenz oder durch ein digitales Eingangssignal. Wenn derMotor eine bestimmte Drehrichtung bei der ersten Inbetrieb-nahme erfordert, ist es wichtig die Werkseinstellung des Fre-quenzumrichters zu kennen.

Da der Frequenzumrichter den Motorstrom auf den Nennwertbegrenzt, läßt sich ein frequenzumrichtergesteuerter Motorhäufiger reversieren als ein Motor, der direkt ans Versorgungs-netz angeschlossen wird.

U

L1 L2 L3

V W U

L1 L2 L3

V W

Abb. 3.24 Die Drehrichtung des Motors wechselt bei Änderung derPhasenfolge

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Rampen Für ruhige Betriebsbedingungen sind alle Frequenzumrichtermit Rampenfunktionen versehen. Diese Rampen sind justierbarund gewährleisten, daß die Geschwindigkeitsreferenz nur mitder eingestellten Geschwindigkeit steigen oder fallen kann.

Die Rampenzeiten können so klein eingestellt werden, daßunter Umständen die Drehzahl des Motors nicht folgen kann.

Hierbei steigt der Motorstrom, bis er die Stromgrenze erreicht.Bei kurzen Rampen-ab-Zeiten (t–a) kann die Spannung im Zwi-schenkreis so steigen, daß die Schutzelektronik den Frequenz-umrichter ausschaltet.

Die optimalen Rampenzeiten können nach untenstehendenFormeln berechnet werden.

KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR 131

nt–a = J × (MN + Mreib) × 9,55

nta = J × (MN – Mreib) × 9,55

n

nN

t

n

t

Abb. 3.26 Variable Rampenzeiten

M

MMn n

nM Mn n

Abb. 3.25 Bremsmoment des Frequenzumrichters bei derReversierung

ta: Rampe auft–a: Rampe abn:MN: MotornennmomentMreib: Reibungsmoment

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Die Rampenzeiten werden meistens nach der Nenndrehzahl desMotors bestimmt.

Überwachung Der Frequenzumrichter kann den zu steuernden Prozeß über-wachen und bei Betriebsstörungen eingreifen.

Die Überwachung läßt sich in drei Bereiche aufteilen: Anlage,Motor, Frequenzumrichter

Die Anlagenüberwachung erfolgt nach der Ausgangsfrequenz,dem Ausgangsstrom und dem Motormoment. Nach diesenGrößen lassen sich eine Reihe von Grenzwerten einstellen, diein die Steuerung eingreifen, wenn eine Überschreitung stattfin-det. Die Grenzen können z.B. die kleinste zulässige Motordreh-zahl (Min. Frequenz), eine Begrenzung des größten zulässigenMotorstroms (Stromgrenze) oder eine Begrenzung des größtenzulässigen Motormoments (Momentgrenze) sein. Bei Überschreitung der festgelegten Grenzen kann der Fre-quenzumrichter eingreifen. Er kann z.B. für die Abgabe einesWarnsignals, die Regelung der Motorgeschwindigkeit nach un-ten oder für ein schnellstmögliches Ausschalten des Motors pro-grammiert sein.

132 KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR

n

nN

nref

tt–a

Abb. 3.27 Einstellung der Rampenzeiten

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KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR 133

Beispiel:In einer Anlage mit einem Keilriemen als Verbindung zwischendem Motor und dem Rest der Anlage kann der Frequenzum-richter programmiert werden, um den Keilriemen indirekt zuüberwachen.Es ist zu erwarten, daß die Ausgangsfrequenz schneller als beider „eingestellten“ Rampe steigt und der Motorstrom einenMindestwert unterschreitet, wenn der Keilriemen gerissen ist.Wenn dieser Fall eintritt, kann der Frequenzumrichter denMotor gezielt stoppen.

Die Motorüberwachung durch den Frequenzumrichter kannnach einer Berechnung der thermischen Verhältnisse desMotors oder über einen angeschlossenen Kaltleiter erfolgen.Wie ein Thermoauslöser verhindert der Frequenzumrichtereine Überlastung des Motors. Die Ausgangsfrequenz gehört zurBerechnung des Frequenzumrichters. Dadurch wird gewährlei-stet, daß der Motor bei niedrigen Drehzahlen nicht überlastetwird, wenn sich die Selbstventilation verringert. ModerneFrequenzumrichter können auch Motoren mit Fremdbelüftungbei zu hohem Strom schützen.

Die Geräteüberwachung erfolgt traditionell dadurch, daß derFrequenzumrichter bei einem Überstrom ausschaltet. EinigeFrequenzumrichter können einen kurzen Überstrom zulassen.Der Mikroprozessor im Frequenzumrichter kann den Motor-strom und die Zeit summieren, damit der Frequenzumrichteroptimal eingesetzt wird, ohne daß eine Überlastung erfolgt.

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Motorbelastung und Motorerwärmung

Beim Anschluß eines Motors an einen Frequenzumrichter mußeine ausreichende Kühlung gegeben sein. Die Temperaturverhältnisse eines Motors unterliegen zweierleiEinflüssen.

• Bei fallender Drehzahl verringert sich die Kühlluftmenge. • Bei einem nicht sinusförmigen Motorstrom entsteht Wärme

im Motor.

Bei niedrigen Drehzahlen kann der Ventilator des Motors nichtausreichend Kühlluft zuführen. Dieses Problem entsteht, wenndas Belastungsmoment im ganzen Regelbereich konstant ist.Die geringere Ventilation ist entscheidend dafür, wie groß daszulässige Moment bei kontinuierlicher Belastung ist. Wenn derMotor kontinuierlich mit einer Drehzahl bei 100% Nenn-moment läuft, die weniger als die Hälfte der Nenndrehzahl be-trägt, muß dem Motor zusätzliche Kühlluft zugeführt werden(die grauen Flächen der Abb. 3.28).

Anstelle der zusätzlichen Kühlung kann der Belastungsgraddes Motors herabgesetzt werden. Dies erfolgt durch die Wahleines größeren Motors. In der Konstruktion des Frequenzum-richters (für konstantes Drehmoment) gibt es jedoch Grenzendafür, wie groß der anzuschließende Motor sein darf.

134 KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR

M [%]

100

146

50

100

1

2

150 20050n [%]

Abb. 3.28 Der Bedarf an Fremdventilation bei einem Motor in Nenn-größe und in Übergröße

Kurve 1: Motor in Nenngröße z.B. 15 kWKurve 2: Motor in Übergröße z.B. 22 kW

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Wenn der Motorstrom nicht sinusförmig ist, werden dem Motorharmonische Ströme zugeführt, die zusätzliche Wärme im Mo-tor verursachen. Die Größe der harmonischen Ströme bestimmtdiese Wärmemenge. Ein Motor darf bei nicht sinusförmigemStrom nicht ständig mit 100% belastet werden.

KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR 135

M

100%

50%

100% 200%n

M

100%

50%

100% 200%n

Abb. 3.29 Ein nicht sinusförmiger Strom verursacht zusätzlicheWärme im Motor

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Wirkungsgrade Der Wirkungsgrad η eines Geräts wird als Verhältnis zwischender abgegebenen Leistung P2 und der aufgenommenen LeistungP1 definiert.

Der Unterschied zwischen P1 und P2 wird als Verlustleistung PV

definiert, die im Gerät als Wärme abgesetzt wird.

Der Wirkungsgrad kann für den Frequenzumrichter allein, fürden Motor allein oder für den Frequenzumrichter mit Motor(Systemwirkungsgrad) berechnet werden.

Wirkungsgrad des Frequenzumrichters

Wirkungsgrad des Motors

Systemwirkungsgrad

136 KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR

P2η = P1

P3

P2

P2

P1

P3

P1

P1 P2

Pv

P2P1~

P3

Abb. 3.30 Leistungen und Wirkungsgrade

100A

B

η%

0 600 1200 1800 2400 3000

min–1

80

60

40

20

0

Abb. 3.31a Wirkungsgrad für Frequenzumrichter bei 100% (A) und25% (B) Belastung

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Die Kurven zeigen, daß der Wirkungsgrad des Motors einengroßen Einfluß auf den Systemwirkungsgrad hat. Der Wir-kungsgrad des Frequenzumrichters ist im ganzen Regelbereichhoch, sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Belastungsgra-den.

Es ist auch ersichtlich, daß die Wirkungsgrade am niedrigstenbei niedrigen Drehzahlen sind. Das bedeutet aber nicht, daß dieabsoluten Verluste bei niedrigen Drehzahlen am höchsten sind.

KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR 137

100

A

B

η%

0 600 1200 1800 2400 3000

min–1

80

60

40

20

0

Abb. 3.31c Wirkungsgrad für einen Frequenzumrichter und Motor (2-polig) bei 100% (A) und 25% (B) Belastung

100

A

B

η%

0 600 1200 1800 2400 3000

min–1

80

60

40

20

0

Abb. 3.31b Wirkungsgrad für einen typischen Motor (2-polig) bei100% (A) und 25% (B) Belastung

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Beispiele aus Abb. 3.31c:

Die hohen Wirkungsgrade des Frequenzumrichters habenmehrere Vorteile:

• Je höher die Wirkungsgrade, desto weniger Verlustwärmemuß aus der Installation entfernt werden. Dies ist wichtig,wenn der Frequenzumrichter in eine Steuertafel einzubauenist.

• Je weniger Verlustwärme sich in den Halbleitern und Spu-len des Frequenzumrichters absetzt, desto länger ist dieLebensdauer.

• Geringer Energieverbrauch

1. n = 800 min–1

P3 = 9628 W η = 77,3%

P1 = P3 = 12455,4 W η

PT = P1 – P3 = 2827,4 W

2. n = 500 min–1

P3 = 1500 W η = 70%

P1 = P3 = 2143 W η

PT = P1 – P3 = 643 W

138 KAPITEL 3: FREQUENZUMRICHTER UND DREHSTROMMOTOR

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52 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

2. Frequenzumrichter Der Frequenzumrichter hat seit Ende der sechziger Jahre einestürmische Entwicklung durchlaufen. Besonders die Entwick-lung in der Mikroprozessor- und Halbleitertechnik sowie diePreise dieser Bauelemente hat große Fortschritte der Frequenz-umrichter ausgelöst. Die grundlegenden Prinzipien sind abergleich geblieben.

Der Frequenzumrichter kann in vier Hauptbestandteile unter-teilt werden:

1. Der Gleichrichter wird an das Wechsel-/Drehstromnetz ange-schlossen und erzeugt eine pulsierende Gleichspannung. Esgibt zwei Grundtypen von Gleichrichtern – gesteuerte undungesteuerte.

2. Zwischenkreis. Es gibt drei Typen: a) Der Zwischenkreis, der die Spannung des Gleichrichters

in einen Gleichstrom umformt. b) Der Zwischenkreis, der die pulsierende Gleichspannung

stabilisiert bzw. glättet und dem Wechselrichter zur Ver-fügung stellt.

c) Der Zwischenkreis, der die konstante Gleichspannung desGleichrichters variabel macht.

3. In dem Wechselrichter wird die Frequenz der Motorspannungerzeugt. Alternativ dazu kann ein weiterer Wechselrichtertypaußerdem die konstante Gleichspannung in eine variableWechselspannung umformen.

~~~

M

Abb. 2.01 Prinzipdiagramm des Frequenzumrichters

Gleich-richter

Zwischen-kreis

Wechsel-richter

Steuerkreis

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KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 53

4. Die Elektronik im Steuerkreis kann Signale sowohl an denGleichrichter, Zwischenkreis als auch an den Wechselrichterübertragen und empfangen. Welche Teile im einzelnen ange-steuert werden, ist vom Aufbau des einzelnen Frequenz-umrichters abhängig (s. Abb. 2.02).

Gemeinsam für alle Frequenzumrichter gilt, daß der Steuer-kreis mit Signalen die Halbleiter des Wechselrichters ein-oder ausschaltet. Dieses Schaltmuster kann nach unter-schiedlichen Prinzipien aufgebaut werden. Die Frequenz-umrichter werden nach dem Schaltmuster unterteilt, das dieVersorgungspannung des Motors steuert.

Der Vollständigkeit halber soll noch der Umrichtertyp ohneZwischenkreis (Direktumrichter) erwähnt werden. Dieserwird im MW-Leistungsbereich eingesetzt. Hierbei wird direktaus dem 50-Hz Netz ein niederfrequentes Netz erzeugt. Diemaximale Ausgangsfrequenz liegt bei ca. 30 Hz.

α1 2

3 4 5

76

Abb. 2.02 Verschiedene Konstruktionsprinzipien

Gleichrichter

Zwischen-kreis

Wechsel-richter

Stromgeführter Umrichter: CSI(1 + 3 + 6)

Puls-Amplituden-modulierter Umrichter: PAM(1 + 4 + 7) (2 + 5 + 7)

Puls-Weiten-modulierter Umrichter: PWM/VVCplus

(2 + 4 + 7)

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54 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

Gleichrichter Die Versorgungsspannung ist eine Dreiphasen-Wechselspan-nung oder eine einphasige Wechselspannung mit fester Fre-quenz (z.B. 3 × 400 V/50 Hz oder 1 × 240 V/50 Hz)

Die Abbildungen unten zeigen einige charakteristische Größen.

Die Abb. zeigt, daß die drei Phasen zeitlich verschoben sind. DiePhasenspannung ändert ständig die Richtung, die Frequenzgibt die Häufigkeit an. Eine Frequenz von 50 Hz bedeutet, daßes 50 Perioden pro Sekunde gibt (50 × T), d.h., eine Periode dau-ert 20 Millisekunden.

Der Gleichrichter des Frequenzumrichters besteht entwederaus Dioden, Thyristoren oder einer Kombination dieser Halblei-ter. Ein aus Dioden bestehender Gleichrichter ist ungesteuert.Ein aus Thyristoren bestehender Gleichrichter ist gesteuert.Bei einer Kombination von Dioden und Thyristoren ist derGleichrichter halbgesteuert.

Ungesteuerter Gleichrichter Der ungesteuerte Gleichrichter besteht aus Dioden.

ωt

U

ωt

U

A

I

K

U

T

aa) a → b = 1/3 Tbb)

ωt

U

ωt

Abb. 2.03 Ein- und Dreiphasen-Wechselspannung

Abb. 2.04 Wirkungsweise der Diode

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KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 55

Eine Diode läßt den Strom nur in eine Richtung fließen: von derAnode (A) zur Kathode (K). Die Diode sperrt einen Strom, dervon der Kathode zur Anode will. Es ist nicht möglich, wie beianderen Halbleitern, die Stromstärke zu steuern. Eine Wechselspannung über eine Diode wird in eine pulsieren-de Gleichspannung gewandelt. Wird eine Dreiphasen-Wechsel-spannung auf einen ungesteuerten Dreiphasen- Gleichrichtergelegt, pulsiert die Gleichspannung immer noch.

Die Abbildung zeigt den ungesteuerten Dreiphasen-Gleich-richter, bestehend aus zwei Diodengruppen. Die eine Gruppebesteht aus den Dioden D1, D3 und D5. Die andere Gruppe ausden Dioden D2, D4 und D6. Jede Diode leitet 1⁄3 der Periodenzeit(120°).In den beiden Gruppen lösen die Dioden sich wechselweise ab.Perioden, in denen beide Gruppen leiten, sind zeitmäßig um 1⁄6der Periodenzeit T (60°) im Verhältnis zueinander verschoben.

Die Diodengruppe D1, 3, 5 leitet die positive Spannung. Wenn dieSpannung in Phase L1 den positiven Scheitelwert erreicht,nimmt die Klemme A den Wert von Phase L1 an. Über den bei-den anderen Dioden liegen Sperrspannungen der Größen UL1-2

und UL1-2.

Entsprechendes gilt für die Diodengruppe D2, 4, 6. Hier nimmtKlemme B die negative Spannung der Phasen an. Wenn zueinem Zeitpunkt L3 den negativen Scheitelwert erreicht, leitetdie Diode D6.An den beiden anderen Dioden liegen Sperrspannungen derGrößen UL3-1 und UL3-2.

Die Ausgangsspannung des ungesteuerten Gleichrichters hatdie Differenz der Spannungen der beiden Diodengruppen. DerMittelwert der pulsierenden Gleichspannung ist 1,35 × Netz-spannung.

U U+(A)

–(B)

L1L2

D1 D3 D5

D2 D4 D6

L3ωt ωt

Abb. 2.05 Der ungesteuerte Gleichrichter

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56 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

Gesteuerter Gleichrichter Im gesteuerten Gleichrichter werden die Dioden durch Thyri-storen ersetzt. Der Thyristor erlaubt wie die Diode nur dieStromrichtung von der Anode (A) zur Kathode (K). Abweichendvon der Diode hat der Thyristor jedoch einen dritten Anschluß»Gate« (G). Dieser muß durch ein Signal angesteuert werden,bevor der Thyristor Strom leitet. Wenn erst ein Strom durch denThyristor fließt, leitet dieser solange, bis der Strom zu Nullwird.

Der Strom kann durch ein Signal auf das »Gate« nicht unter-brochen werden. Thyristoren werden sowohl in Gleichrichternals auch in Wechselrichtern verwendet.

Das Signal auf das »Gate« ist das Steuersignal α des Thyristors.α ist eine Zeitverzögerung und wird in Grad angegeben. DieGradzahl gibt die Verzögerung zwischen dem Nulldurchlauf derSpannung und dem Zeitpunkt an, wann der Thyristor einge-schaltet wird.

U

AG

K

I

α α

ωt

U

ωt

Abb. 2.07 Wirkungsweise des Thyristors

ωt

U

ωt

UA-B

UA

UB

Abb. 2.06 Die Ausgangsspannung des ungesteuerten Dreiphasen-Gleichrichters

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KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 57

Bei α zwischen 0° und 90° wird die Thyristorenschaltung alsGleichrichter und zwischen 90° und 300° als Wechselrichterverwendet.

Die gesteuerten Dreiphasen-Gleichrichter lassen sich in zweiGruppen mit den Thyristoren T1, T3 und T5 sowie den Thyris-toren T2, T4 und T6 unterteilen. α wird im gesteuerten Gleich-richter von dem Punkt an gerechnet, wo die entsprechende Di-ode des ungesteuerten Gleichrichters zu leiten beginnt. DieserPunkt liegt bei 30° nach dem Nulldurchlauf der Spannung.Ansonsten folgt die Beschreibung dem ungesteuerten Gleich-richter.

Durch die Regelung von α kann die Größe der gleichgerichtetenSpannung variiert werden. Der gesteuerte Gleichrichter lieferteine Gleichspannung mit dem Mittelwert 1,35 × Netzspannung× cos α.

ωt

α

ωt

UA

U

UA-B

UB

Abb. 2.09 Die Ausgangsspannung des gesteuerten Dreiphasen-Gleichrichters

ωt

U

L1L2

T1 T3 T5

T2 T4 T6

L3ωt

U

Abb. 2.08 Der gesteuerte Dreiphasen-Gleichrichter

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58 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

Verglichen mit dem ungesteuerten Gleichrichter verursacht dergesteuerte Gleichrichter große Verluste und Störungen im Ver-sorgungsnetz, weil der Gleichrichter einen großen Blindstromaufnimmt, wenn die Thyristoren für kurze Zeiten leiten. Dies isteine der Ursachen dafür, daß Thyristoren hauptsächlich imWechselrichter der Frequenzumrichter eingesetzt werden.

Der Vorteil des gesteuerten Gleichrichters ist, daß Bremslei-stungen im Zwischenkreis ins Versorgungsnetz zurückgeführtwerden können.

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Zwischenkreis Der Zwischenkreis kann als Speicher betrachtet werden, ausdem der Motor über den Wechselrichter seine Energie holenkann. Der Zwischenkreis kann nach drei verschiedenenPrinzipien aufgebaut sein. Der eingesetzte Zwischenkreistypwird danach bestimmt, mit welchem Gleichrichter und Wechsel-richter er kombiniert werden soll.

Dieser Zwischenkreistyp besteht aus einer sehr großen Spuleund wird nur mit dem gesteuerten Gleichrichter kombiniert.Die Spule formt die variable Spannung des Gleichrichters ineinen variablen Gleichstrom um. Die Belastung bestimmt dieGröße der Motorspannung. Dieser Zwischenkreis hat den Vor-teil, daß Bremsleistungen ohne zusätzliche Komponentenzurück ins Versorgungsnetz geführt werden können.

Der Zwischenkreis kann aus einem Filter bestehen, der einenKondensator und eine Spule beinhaltet. Dieser Zwischenkreiskann mit beiden Gleichrichtertypen kombiniert werden. DerFilter glättet die pulsierende Gleichspannung (UZ1) des Gleich-richters. Beim gesteuerten Gleichrichter wird die Spannung beieiner gegebenen Frequenz konstant gehalten. Die Spannung,die zum Wechselrichter weitergeführt wird, ist somit eine reineGleichspannung (UZ2) mit variabler Amplitude.

KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 59

U

t

+

I

t

UZ1

UZ1UZ1

UZ2

UZ2

t

+

UZ2t

tt

Abb. 2.10 Variabler Gleichstromzwischenkreis

Abb. 2.11 Konstanter Gleichspannungszwischenkreis

Stromgeführter Frequenzumrichter (I-Umrichter)

Spannungsgeführter Frequenzumrichter (U-Umrichter)

gesteuert

ungesteuert

variable Amplitude

konstante Amplitude

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Beim ungesteuerten Gleichrichter ist die Spannung am Ein-gang des Wechselrichters eine Gleichspannung mit konstanterAmplitude.

Im Zwischenkreis kann letztlich ein Chopper (Hacker) vor einenFilter wie oben eingesetzt werden. Der Chopper hat einenTransistor, der als Schalter funktioniert und die gleichgerichte-te Spannung ein- oder ausschaltet. Der Steuerkreis regelt denChopper durch Vergleich der variablen Spannung (UV) nachdem Filter mit dem Eingangssignal.

Bei einem Unterschied wird das Verhältnis mit der Zeit ton wennder Transistor leitet und der Zeit toff wenn dieser sperrt, gere-gelt. Der Effektivwert der Gleichspannung wird somit variabelund die Größe ist davon abhängig, wie lange der Transistor ge-öffnet ist:

Wenn der Choppertransistor den Strom unterbricht, macht dieSpule des Filters die Spannung über den Transistor unendlichgroß. Um dies zu vermeiden, wird der Chopper durch eine Frei-laufdiode geschützt. Wenn der Transistor wie gezeigt öffnet undschließt, ist die Spannung am größten im Zustand 2 (Abb.2.13a).

60 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

tonUV = U ×ton + toff

U

U

t t

UV

UV

Abb. 2.12 Variabler Spannungszwischenkreis

Variable Gleichspannungszwischenkreis

Chopper

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KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 61

Der Filter des Zwischenkreises soll die Rechteckspannung nachdem Chopper glätten. Kondensator und Spule des Filters haltendabei die Spannung bei einer gegebenen Frequenz konstant.

Außer den oben genannten Funktionen bietet der Zwischen-kreis, je nach Auslegung, zusätzlich einige Funktionen wie, z.B.• die Entkopplung zwischen Gleich- und Wechselrichter,• Reduzierung der Netzrückwirkungen,• Energiespeicher zur Abdeckung stoßförmiger Laststöße.

UV UV

toff ton

t

toff ton toff

t

ton

Zustand 1 Zustand 2

Abb. 2.13a Der Choppertransistor regelt die Zwischenkreisspannung

ÛV ÛV

t t

Abb. 2.13b Effektivwert (ÛV) der variablen Spannung

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62 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

Wechselrichter Der Wechselrichter ist das letzte Glied im Frequenzumrichtervor dem Motor. Hier erfolgt die letzte Anpassung der Ausgangs-spannung. Beim direkten Anschluß des Motors an das Versor-gungsnetz bestehen die idealen Betriebsverhältnisse im Nenn-betriebspunkt.

Der Frequenzumrichter gewährleistet gute Betriebsbedingun-gen im ganzen Regelbereich durch die Anpassung der Aus-gangsspannung an die Belastungsbedingungen. Es ist somitmöglich, die Magnetisierung des Motors optimal zu halten.

Vom Zwischenkreis zum Wechselrichter kommt entweder • ein variabler Gleichstrom, • eine variable Gleichspannung oder • eine konstante Gleichspannung.

In allen Fällen muß mit dem Wechselrichter dafür gesorgt wer-den, daß die Versorgung zum Motor eine Wechselgröße wird.Mit anderen Worten, im Wechselrichter muß die Frequenz derMotorspannung erzeugt werden. Die Steuerung des Wechsel-richters ist davon abhängig, ob eine variable oder konstanteGröße empfangen wird. Bei variablem Strom oder Spannungmuß im Wechselrichter nur die Frequenz erzeugt werden. Beikonstanter Spannung wird mit dem Wechselrichter die Fre-quenz und Amplitude der Spannung erzeugt.

Auch wenn die Wechselrichter unterschiedlich wirken, der prin-zipielle Aufbau ist immer gleich. Die Hauptkomponenten sindgesteuerte Halbleiter, die paarweise auf drei Zweigen angeord-net sind.

In den letzten Jahren wurden die Thyristoren der Wechsel-richter durch moderne Bauelemente wie Bipolar (LTR), Unipo-lar (MOS) Transistor und Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT) ersetzt. Diese haben den Vorteil, daß sie jederzeit leitenoder sperren können. Der Wechsel vom leitenden in dengesperrten Zustand erfolgt sofort.

Thyristoren können nur mit Hilfe einer Löschschaltung abge-schaltet werden, da sie erst wechseln, wenn die Spannung wie-der zu Null wird. Die Schaltfrequenz für Thyristoren liegt maxi-

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KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 63

mal bei etwa 2 kHz und für moderne Bauelemente wie IGBT’sbei etwa 20 kHz.

Der Bereich der Schaltfrequenz des Wechselrichters kann daherwesentlich erweitert werden (von 300 Hz auf 20 kHz).

Die Halbleiter des Wechselrichters leiten und sperren Signale jenach Ansteuerung vom Steuerkreis. Die Signale sind nach ver-schiedenen Prinzipien steuerbar. Wenn der Wechselrichtereinen Strom verarbeiten soll, sind einige andere Komponentennotwendig im Vergleich mit einem Wechselrichter, der eineSpannung verarbeiten soll.

Der Wechselrichter besteht vereinfacht dargestellt aus sechsDioden, sechs Thyristoren und sechs Kondensatoren.

Die Kondensatoren müssen die Energie beinhalten, die für dasAusschalten (löschen) der Thyristoren benötigt wird und müs-sen daher der Motorgröße angepaßt sein.

Die Kondensatoren erlauben das Ein- und Ausschalten der Thy-ristoren, damit der Strom 120 Grad in den Phasenwicklungenverschoben wird. Durch das periodische und wechselseitigeAnlegen des Stroms an die Motorklemmen U-V, V-W, W-U, U-V … entsteht ein Springen des Drehfeld mit der gewünschtenFrequenz im Stator. Auch wenn der Motorstrom hierbei vier-eckig wird, ist die Motorspannung fast sinusförmig. Es gibt je-doch jedesmal Spannungsspitzen, wenn der Strom ein- oderausgeschaltet wird.

Die Dioden trennen die Kondensatoren vom Belastungsstromdes Motors.

I (ƒ)

t

I

t

I

Abb. 2.14 Wechselrichter für variablen Zwischenkreisstrom

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64 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

Dieser Wechselrichter besteht aus sechs Thyristoren, Transisto-ren oder anderen elektronischen Schaltelementen. Unabhängigvom eingesetzten Halbleitertyp ist die Funktion im Prinzipgleich. Der Steuerkreis schaltet die Halbleiter nach verschiede-nen Prinzipien (Modulation) aus und ein und ändert damit dieAusgangsfrequenz des Frequenzumrichters.

Ein Prinzip arbeitet mit der variablen Spannung oder Strom imZwischenkreis.

Die Intervalle, während der einzelne Halbleiter leiten odersperren, werden in ein Muster gelegt, das abhängig zu dergewünschten Ausgangsfrequenz durchfahren wird.

Das Schaltmuster der Halbleiter wird von der Größe der vari-ablen Spannung oder Strom des Zwischenkreises gesteuert. Miteinem spannungsgesteuerten Oszillator folgt die Frequenzimmer der Amplitude der Spannung. Diese Steuerung desWechselrichters wird als Puls-Amplituden-Modulation bezeich-net.

Ein anderes Prinzip arbeitet mit einer festen Zwischenkreis-spannung. Die Motorspannung wird dadurch variabel gemacht,daß die Zwischenkreisspannung über längere oder kürzere Zeit

U

tU

t

t

I

t

I

t

I

Abb. 2.15 Wechselrichter für variable oder konstante Zwischenkreis-spannung und der Ausgangsstrom in Abhängigkeit vonder Schaltfrequenz des Wechselrichters

Schaltfrequenz: niedrig

Schaltfrequenz: mittel

Schaltfrequenz: hoch

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KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 65

auf die Motorwicklungen gelegt wird. Die Änderung der Fre-quenz erfolgt dadurch, daß die Spannungspulse der einen Halb-periode positiv und der anderen negativ in der Zeitachse vari-iert werden können.

Dieses Prinzip ändert somit die Breite der Spannungspulse(englisch: Width) und wird daher als »Puls-Width-Modulation«bezeichnet. Traditionell findet der Steuerkreis die Ein- und Aus-schaltpunkte der Halbleiter als Schnittpunkte zwischen einerDreieckspannung und einer überlagerten sinusförmigen Refe-renzspannung (sinusgesteuerter PWM).

Es gibt andere Möglichkeiten die Ein- und Ausschaltpunkte derHalbleiter zu finden. Das Danfoss VVC- und VVCplus-Steuerprin-zip arbeitet auf der Basis der Berechnungen eines Mikroprozes-sors, um die optimalen Schaltpunkte der Halbleiter des Wech-selrichters zu finden. Die beiden Prinzipien sind ab Seite 83beschrieben.

Transistoren Transistoren, die es heute für große Ströme, hohe Spannungenund Schaltfrequenzen gibt, ersetzen die früher im Wechsel-richter des Frequenzumrichters verwendeten Thyristoren. ImGegensatz zum Thyristor und zur Diode ist der Transistor unab-hängig vom Nulldurchlauf des Stroms. Transistoren könnenjederzeit durch eine Änderung der Polarität der Steuerklem-men leiten oder sperren. Die Entwicklung der letzten Jahre inder Halbleitertechnik hat die Schaltfrequenz der Transistorenwesentlich erhöht. Die obere Schaltgrenze beträgt heute mehre-re hundert Kilohertz.

Die magnetischen Störungen durch die »Puls«-Magnetisierungim Motor werden so vermindert.

U

UZ UZ

t

U

PAM PWMt

Abb. 2.16 Modulation von Amplitude und Breite des Puls

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66 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

Ein anderer Vorteil der hohen Schaltfrequenz ist die variableModulation der Ausgangsspannung des Frequenzumrichters.Ein sinusförmiger Motorstrom kann damit erreicht werden. DerSteuerkreis des Frequenzumrichters muß nur die Transistorendes Wechselrichters nach einem passenden Muster aus- undeinschalten.

Die Schaltfrequenz des Wechselrichters ist ein Kompromiß zwi-schen den Verlusten im Motor (Sinusform des Motorstroms) undden Verlusten im Wechselrichter. Bei einer größeren Schalt-frequenz steigen die Verluste im Wechselrichter nach der Zahlder Halbleiterschaltungen.

Die hochfrequenten Transistoren können in drei Haupttypenunterteilt werden: • Bipolare (LTR) • Unipolare (MOS-FET) • Insulated-Gate-Bipolare (IGBT)

0

0

0

IN

Abb. 2.17 Einfluß der Schaltfrequenz auf den Motorstrom

fp = 1,5 kHz

fp = 3 kHz

fp = 12 kHz

IN

0

0

0

ωt

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KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 67

Der IGBT Transistor kombiniert die Eigenschaften der MOS-FET Transistoren mit den Ausgangseigenschaften der LTRTransistoren.

Heute werden sowohl die Elemente als auch die Steuerung desWechselrichters in einem Modul gegossen. Diese werden »Intel-ligent Power Module« (IPM) genannt.

Untenstehende Tabelle zeigt die wesentlichen Unterschiede.

Halbleiter MOS-FET IGBT LTREigenschaft

Symbol

Aufbau

LeitverhältnisseStromleiteigenschaft Niedrig Hoch HochVerluste Hoch Gering Gering

SperrverhältnisseObere Grenze Niedrig Hoch Mittel

SchaltverhältnisseEinschaltzeit Kurz Mittel MittelAuschaltzeit Kurz Mittel NiedrigVerluste Gering Mittel Groß

SteuerverhältnisseLeistung Niedrig Niedrig HochGröße Spannung Spannung Strom

S

N+ N+P

P+N–

SG

D

S

N+ N+P

N+N–

SG

D

B

C

N+ N+P

N+N–

E

Abb. 2.18 Vergleich der Leistungstransistoren

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68 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

Der IGBT Transistor paßt gut zum Frequenzumrichter. Das giltsowohl für den Leistungsbereich, die gute Leitfähigkeit, diehohe Schaltfrequenz als auch für die leichte Ansteuerung.

kVA

kHz

IGBT

LTR

MOS-FET

Abb. 2.19 Leistung und Frequenzbereich der Leistungs-transistoren

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KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 69

Puls-Amplituden-Modulation (PAM) Das PAM-Verfahren wird bei Frequenzumrichter mit variablerZwischenkreisspannung verwendet. Die Amplitude der Aus-gangsspannung wird entweder von dem Zwischenkreischopperbei Frequenzumrichtern mit ungesteuertem Gleichrichter oderdirekt bei Frequenzumrichtern mit gesteuertem Gleichrichtererzeugt. Nachfolgend wird die Spannungserzeugung bei Frequenzum-richtern mit Zwischenkreischopper erläutert.

Der Transistor (Chopper) in Abb. 2.20 wird von dem Steuer- undRegelkreis ein- und ausgeschaltet. Die Schaltzeitpunkte sindvon dem Sollwert (Eingangssignal) und dem gemessenen (Ist-wert) Spannungssignal abhängig. Der Istwert wird an demKondensator gemessen. Spule und Kondensator sind als Filter,um die Welligkeit der Spannung zu glätten, zu sehen. Die Span-nungshöhe ist von den Öffnungszeiten des Transistors abhän-gig. Bei unterschiedlichen Soll- und Istwerten wird der Choppersolange nachgeregelt, bis die gewünschte Spannungshöhe nachdem Chopper eingetreten ist.

Steuerung der FrequenzDie Frequenz der Ausgangsspannung wird im Wechselrichterdurch die Änderung der Periodenlänge variiert. Innerhalb einerPeriode werden die Halbleiterschaltelemente mehrmals ge-schaltet.

Abb. 2.20 Spannungsregelung

?

+

+

Chopper

Istwert

FesteGleichspannung

VariableGleichspannung

Steuer- und Regelkreis

Eingangssignal

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70 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

Die Periodenlänge kann1. direkt vom Eingangssignal oder2. von der variablen Gleichspannung, die proportional dem Ein-

gangssignal ist, gesteuert werden.

Puls-Weiten-Modulation – (PWM)Das meistverbreitete Verfahren zur Erzeugung einer Drei-phasenspannung mit entsprechender Frequenz ist die Puls-Weiten-Modulation.

Bei diesem Verfahren wird die volle Zwischenkreisspannung(~√2

— × Unetz) über die leistungselektronischen Bauelementeein- und ausgeschaltet. Das Tastverhältnis zwischen Ein- undAusschaltzeit ist variabel und bewirkt die Spannungsverstel-lung.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Bestimmung der Ein-und Ausschaltzeiten des Wechselrichters. Nachfolgend wird aufdas sogenannte sinusbewertete PWM-Verfahren (auch tradi-tionelle PWM genannt) eingegangen, und außerdem auf weite-re Möglichkeiten der heutigen Technologie, die Schaltzeitpunk-te des Wechselrichters zu bestimmen.

Abb. 2.21 Frequenzsteuerung über die Zwischenkreisspannung

+

Wechselrichter

VariableGleichspannung Motor

3~

Steuer- und Regelkreis

Spannung Frequenz

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KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 71

Sinusgesteuerte Puls-Weiten-Modulation Das Steuerprinzip arbeitet mit einer sinusförmigen Referenz-spannung (US) für jeden Frequenzumrichterausgang. Die Peri-odenlänge der Sinusspannung entspricht der gewünschtenGrundfrequenz der Ausgangsspannung. Die drei Referenz-spannungen sind von einer Dreieckspannung (U∆) überlagert(siehe Abb. 2.22).

In den Schnittpunkten der Dreieckspannung und der Sinusre-ferenzen werden die Halbleiter des Wechselrichters ein- oderausgeschaltet.

Die Schnittpunkte werden von der Elektronik der Steuerkarteverglichen. Wenn die Dreieckspannung größer als die Sinus-spannung ist, wird der Ausgangspuls negativ bzw. positiv beikleinerer Dreieckspannung. Die maximale Ausgangsspannungdes Frequenzumrichters wird somit von der Zwischenkreis-spannung bestimmt. Die Ausgangsfrequenz wird verändert,indem der Motor kürzere oder längere Zeit an die halbe Zwi-

USU∆

U1–U2

U2

U1

ωt

ωt

ωt

ωt

US1 US2U∆

Abb. 2.22 Prinzip der sinusgesteuerten PWM (mit zwei Referenz-spannungen; US1, US2)

Umrichter-Ausgang

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72 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

schenkreisspannung gelegt wird. Die Ausgangsspannung wirdverändert, indem die Spannungsimpulse der Ausgangsklem-men des Frequenzumrichters in eine Folge schmalerer Einzel-impulse mit dazwischenliegenden Pausen aufgelöst werden.Dieses Verhältnis von Impuls zu Pause kann je nach gewünsch-ter Spannung verändert werden. Die Amplitude der negativenund positiven Spannungspulse entspricht damit immer der hal-ben Zwischenkreisspannung.

Bei niedrigen Statorfrequenzen steigt die Periodenzeit. Siekann so groß werden, daß es nicht möglich ist, die Frequenz derDreieckspannung zu halten.

Hierbei werden die spannungsfreien Perioden zu groß und derMotorlauf ungleichmäßig. Um dies zu vermeiden, kann dieFrequenz der Dreieckspannung bei niedrigen Frequenzen ver-doppelt werden.

Durch die niedrige Schaltfrequenz nehmen die akustischen Mo-torgeräusche zu. Um die Geräusche zu begrenzen, kann dieSchaltfrequenz erhöht werden. Dies wurde durch die Weiterent-wicklung der Halbleiter möglich. Eine annähernd sinusförmigeAusgangsspannung zu modulieren und einen angenähert sinus-

0,00

0,50

1,00

–0,50

–1,00

U-V V-W W-U0,866

–0,866

3600 60 120 180 240 300

Abb. 2.23 Ausgangsspannung bei sinusgesteuerter PWM

Schaltmuster der Phase UPhasenspannung, (0-Punkt = halbe Zwischenkreisspannung)Leiterspannung zum Motor

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KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 73

förmigen Strom zu erzeugen, ist somit möglich. Ein PWM-Frequenzumrichter, der ausschließlich mit einer sinusförmigenReferenzmodulation arbeitet, kann bis zu 86,6% der Nennspan-nung liefern (s. Abb. 2.23).

Die Phasenspannung der Ausgangsklemmen des Frequenzum-richters entspricht der halben Zwischenkreisspannung geteiltdurch √2

—und ist damit gleich der halben Versorgungsnetz-

spannung. Die Netzspannung der Ausgangsklemmen ist gleich√3—

mal die Phasenspannung, und ist daher gleich 0,866 mal dieVersorgungsnetzspannung.

Die Ausgangsspannung des Frequenzumrichters kann nichtmittels einer reinen Sinusmodulation die Motorspannung er-reichen. Die Ausgangsspannung wird ca. 13% zu niedring sein.

Die benötigte zusätzliche Spannung läßt sich durch das Herab-setzen der Pulszahl erreichen, wenn die Frequenz ca. 45 Hzübersteigt. Die Methode hat den Nachteil, daß die Spannungstufenförmig wechselt und der Motorstrom instabil wird. Wenndie Pulszahl verringert wird, steigt der Inhalt an Überharmoni-schen am Frequenzumrichterausgang. Dadurch steigen die Ver-luste im Motor.

Bei einer anderen Methode werden andere Referenzspannun-gen anstelle der drei Sinusreferenzen benutzt. Das können z.B.trapezförmige Spannungen, treppenförmige Spannungen oderSpannungen mit einem anderen Zeitverlauf sein.

Eine einfach herzustellende Referenzspannung nutzt die 3.Harmonische der Sinusreferenz. Durch die Erhöhung der Am-plitude der Sinusreferenz um 15,5% und der Addition der 3.Harmonischen wird ein Schaltmuster für die Halbleiter desWechselrichters erreicht, das die Ausgangsspannung des Fre-quenzumrichters erhöht.

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74 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

Synchrones PWM-VerfahrenBei dem sinusbewerteten PWM-Verfahren war es notwendig,die Spannungsausnutzung zu optimieren und das Oberschwin-gungsspektrum zu minimieren. Wenn die Taktfrequenz (d.h. dieFrequenz der Dreieckspannung) sehr groß gegenüber der Fre-quenz des Referenzsignals wird, können beide Signale asyn-chron zueinander verlaufen. Spätestens bei Frequenzverhält-nissen in der Nähe von 10 und kleiner entstehen störendeUnterschwingungen. Dadurch war es notwendig, die beiden Si-gnale zu synchronisieren. Die Synchronisierung macht sich beider sogenannten »Gangschaltung« bemerkbar.

Durch die günstige Entwicklung des Preis-/Leistungsverhält-nisses der Mikroprozessortechnik, der integrierten Schaltungensowie der Bauelementen der Leistungselektronik (BipolarTransistoren und IGBT’s), wurde die Bestimmung der Schalt-zeitpunkte für den Wechselrichter bei einfachen Geräten durcheinen Mikroprozessor (Computer) ausgeführt.

Die Spezifikationen der Software zur Berechnung der Schalt-zeitpunkte sind firmenspezifisch und werden hier nicht erläu-tert.

Bei höheren Anforderungen an den Drehzahlstellbereich undRundlaufeigenschaften des Antriebes erfolgen die Schaltzeit-punkte der Puls-Weiten-Modulation nicht mehr durch denMikroprozessor sondern durch einen zusätzlichen digitalenSchaltkreis z.B. ein ASIC (Application Specific Integrated Cir-cuit). In diesem Baustein steckt das »Know-How« der einzelnenFirmen. Die Mikroprozessoren übernehmen weitere Aufgaben.

Ein grundsätzliches Problem bei dem PWM-Verfahren ist dieBestimmung der optimalen Schaltzeitpunkte und Winkel fürdie Spannung über eine Periode hinaus. Diese Schaltzeitpunktemüssen so bestimmt werden, daß die Oberwellen minimal auf-treten. Ein so erhaltenes Schaltmuster gilt nur für einenbestimmten (begrenzten) Frequenzbereich. Der Betrieb außer-halb dieses Bereichs macht ein neues Schaltmuster erforder-lich. Solche Modulationstechniken (synchron) mit »Gangschal-tungen« sind gut für Drehstrom-Antriebe mit niedrigendynamischen Eigenschaften, bei denen Spannung und Fre-quenz (normale U/f-Steuerung) langsam verändert werdenkann.

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KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 75

Asynchrones PWM-VerfahrenDie Anforderung für eine schnelle Systemreaktion bei Dreh-moment – bzw. Drehzahl-Steuerung von Drehstromantrieben(außer Servoantrieben) mit feldorientierter Steuerung macht esnotwendig, die Amplitude und Winkel der Spannung des Wech-selrichters stufenweise zu ändern. Mit dem »normalen« bzw.»synchronen« PWM-Schaltmustern ist es nicht möglich dieAmplitude und Winkel der Spannung des Wechselrichters stu-fenweise zu ändern.Eine Möglichkeit, dieser Anforderung gerecht zu werden, bietetdas asynchrone PWM-Verfahren, bei dem keineSynchronisierung der Taktfrequenz und die eingestelltenMotorfrequenz stattfindet.

Nachfolgend werden zwei asynchrone PWM-Verfahren; • der SFAVM (Ständer Flußorientierte Asynchrone Vektor

Modulation) und • der 60°-AVM (Asynchrone Vektor Modulation) beschrieben. Diese machen es möglich, die Amplitude und Win-kel der Spannung des Wechselrichters stufenweise zu ändern.

SFAVMDie SFAVM ist ein Raum-Vektormodulationsverfahren, das esmöglich macht, die Spannung des Wechselrichters willkürlich,aber stufenweise innerhalb der Schaltzeit zu ändern (asyn-chron).

Hauptziel dieser Modulation besteht darin, den Statorfluß opti-mal (kleine Drehmomentenripple) über die Statorspannung zuhalten. Verglichen mit der Netzversorgung, ergibt sich bei der»normalen« PWM-Versorgung eine Abweichung in der Stator-flußvektor-Amplitude und dem Flußwinkel. Diese Abweich-ungen beeinflußen das Drehfeld (Drehmoment) im Luftspaltdes Motors und verursachen ein Ripple im Drehmoment. DerEffekt der Abweichung der Amplitude ist vernachläßigbar kleinund kann durch Erhöhung der Schaltfrequenz reduziert wer-den. Die Abweichung des Winkels ist abhängig von der Schalt-folge und kann zu höherem Drehmomentripple führen. Dahermuß die Schaltfolge so berechnet werden, daß die Abweichungder Vektorwinkel minimal gehalten wird.

Jeder Wechselrichterzweig eines 3-phasigen PWM-Wechsel-richters kann zwei Schalterzustände (Ein oder Aus) annehmen.

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76 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

Die drei Schalter erzeugen acht mögliche Schalterkombinatio-nen (23) und damit acht diskrete Spannungsvektoren am Aus-gang des Wechselrichters bzw. an der Ständerwicklung desangeschlossenen Motors. Wie in Abb. 2.24a dargestellt, sinddiese Vektoren 100, 110, 010, 011, 001, 101 an die Ecken eineraufgespannten Sechseck mit 000 und 111 als Nullvektoren.

Bei den Schaltkombinationen 000 und 111 entsteht an allen dreiAusgangsklemmen des Wechselrichters das gleiche Potential,entweder das Plus- oder das Minuspotential aus dem Zwischen-kreis (s. Abb. 2.24b). Für den Motor kommt dies der Wirkungeines Klemmenkurzschlusses gleich, es wird also die Spannung0 V an den Motorwicklungen eingeprägt.

Erzeugung der MotorspannungBetrachtet man den stationären Betrieb, so entspricht dieseiner Führung des Maschinen-Spannungszeigers Uωt auf eineKreisbahn, wie in Abb. 2.25b dargestellt.

Die Länge des Spannungszeigers ist ein Maß für den Wert derMotorspannung und die Umlaufgeschwindigkeit entspricht deraugenblicklichen Betriebsfrequenz.Die Erzeugung der Motorspannung entsteht durch die Mittel-wertbildung durch kurzes Pulsen benachbarter Zeiger.

Die Danfoss SFAVM hat unter anderem folgende Eigenschaften:• Der Spannungsvektor kann in Bezug auf den eingestellten

Sollwert in Amplitude und Winkel ohne Abweichung gesteu-ert werden.

V

U

U V W

W

000111

101

1

+

0 0

0 1 1

010

110 100

011 001

Abb. 2.24a Abb. 2.24bSpannungsvektoren Darstellung des Wechsel-

richters als Schalter

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KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 77

• Eine Schaltfolge beginnt immer von 000 oder 111. Dadurchkann jeder beliebiger Spannungsvektor mit drei Schalt-zuständen generiert werden.

• Eine Mittelwertbildung des Spannungsvektor wird durchkurzes Pulsen der benachbarten Vektoren sowie der Null-Vektoren 000 und 111 erreicht.

Die Erzeugung der Motorspannung wird anhand der nachfol-genden Beispiele in Abb. 2.25 und Abb. 2.26 erläutert:

U

V

W

c) Zeitlicher Verlauf der Ansteuersignale für drei Wechselrichter-stränge U,V,W

Abb. 2.25 Momentaufnahme PWM nach der Raumvektor Modulation(SFAVM) für 50% Motornennspannung

1,0

0,5

UMotor

0

V

ωtU ωt

U

W

101010

110 100

011 001

a) Eingestellte Ausgangs-spannung (50% Nenn-spannung)

b) Nachbildung des idealen Span-nungszeigers Uωt durch PWMzwischen benachbarten, einstell-baren Spannungsvektoren

Grundwelle

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Der eingestellte Sollwert (Uωt) in Abb. 2.25a ist 50%. Die Aus-gangsspannung wird durch kurzes Pulsen der benachbartenZeiger, in diesem Falle 011 und 001 sowie 000 und 111, als Mit-telwert nachgebildet (Abb. 2.25b).

Abb. 2.26 zeigt die Erzeugung einer Motorspannung von 100%.

Die SFAVM stellt die Verbindung zwischen Steuersystem unddem Leistungskreis des Wechselrichters dar. Die Modulationverläuft synchron zur Steuerfrequenz der Steuerung (s. KapitelVVCplus) und asynchron zur Grundfrequenz der Motorspannung.

78 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

1,0

0

UMotor

V

U

W

101010

110 100

011 001

U

V

W

a) Eingestellte Ausgangsspan-nung (100% Nenn-spannung)

c) Zeitlicher Verlauf der Ansteuersignale für drei Wechselrichter-stränge U,V,W

Abb. 2.26 Momentaufnahme PWM nach der Raumvektor Modulation(SFAVM) für 100% Nennspannung

b) Nachbildung des idealen Span-nungszeigers Uwt durch PWMzwischen benachbarten, einstell-baren Spannungsvektoren

Grundwelle

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KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 79

Die Synchronisierung zwischen Steuerung und Modulation istfür die Hochleistungssteuerung (Spannungsvektor, Flußvektor)von Vorteil, da das Steuersystem den Spannungsvektor direktund ohne Einschränkung kontrollieren kann (Amplitude, Win-kel und Winkelgeschwindigkeit steuerbar).

Um die »on-line« Berechnungszeit drastisch reduzieren zu kön-nen, werden die Spannungswerte für verschiedene Winkel ineiner Tabellen abgelegt. Abb. 2.27 zeigt einen Auszug der VektorModulationstabelle für die SFAVM der Firma Danfoss und dieAusgangsspannung (zum Motor).

1500

1000

500

060 120 180 240 300 360–500

–1000

–1500

–2000

2000

–2500

2500

Abb. 2.28 Ausgangsspannung (Motor) – (Phase-Phase)

U-W

V-W

U-VSpannungswinkelA

uflö

sung

[Bit

s]

1500

1000

500

060 120 180 240 300 360

–500

–1000

–1500

Abb. 2.27 Ausgang der Vektor Modulationstabelle (SFAVM)

Phase U-0

Phase W-0

Phase V-0SpannungswinkelA

uflö

sung

[Bit

s]

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80 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

60°-AVMBei der 60°-AVM (Asynchron Vektor Modulation) werden, imGegensatz zu dem SFAVM-Verfahren, die Spannungsvektorenwie folgt bestimmt:• Innerhalb einer Schaltperiode wird nur ein Null-Vektor (000

oder 111) verwendet.• Eine Schaltfolge beginnt nicht immer von einem Null-Vektor

(000 oder 111).• Innerhalb 1/6 Periode (60°) wird der Wechselrichter in einer

Phase nicht geschaltet. Der Schalterzustand (0 oder 1) bleibterhalten. In den zwei anderen Phasen wird normal geschal-tet.

Abb. 2.29 zeigt eine Gegenüberstellung der Schaltfolge bei dem60°-AVM-Verfahren und dem SFAVM-Verfahren für eine kurzeIntervalle (a) und für mehrere Periode (b).

0.2450 0.2452 0.2454 0.2456

t (s)

U

V

W

U

V

W

60°-AVM

SFAVM

Abb. 2.29a Schaltfolge der 60°-AVM und SFAVM für einige 60° Intervalle

Abb. 2.29b Schaltfolge der 60°-AVM und SFAVM für mehrere Periode0.23 0.24 0.25 0.26 0.27

t (s)

U

V

W

U

V

W

60°-AVM

SFAVM

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KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 81

Steuerkreis Der Steuerkreis, auch Steuerkarte genannt, ist der vierteHauptblock im Frequenzumrichter. Er hat vier Hauptaufgaben:• die Steuerung der Halbleiter des Frequenzumrichters,• Datenaustausch zwischen dem Frequenzumrichter und der

Peripherie,• Störmeldungen erfassen und anzeigen und• Ausführung von Schutzfunktionen für Frequenzumrichter

und Motor

Durch den Einsatz der Mikroprozessortechnik konnte dieGeschwindigkeit im Steuerkreis verbessert werden, indem fer-tige und im Speicher bereitstehende Pulsmuster verwendetwerden. Dadurch wird die Zahl der notwendigenRechenoperationen erheblich reduziert.

Mit dieser Art der Steuerung kann der im Frequenzumrichtereingebaute Computer für jeden Betriebszustand das optimalePulsmuster für den Motor ermitteln.

Abb. 2.30 zeigt einen PAM gesteuerten Frequenzumrichter mitZwischenkreischopper. Der Steuerkreis steuert Chopper (2) undWechselrichter (3).

Uf

1 2 3

Abb. 2.30 Das Prinzip im Steuerkreis für einen choppergesteuertenZwischenkreis

Steuerkreis fürChopperfrequenz

PI-Spannungsregler

Sequenz-generator

Steuerkreis für PAM-Frequenzumrichter

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Dies erfolgt nach dem Augenblickswert der Zwischenkreisspan-nung.

Die Zwischenkreisspannung steuert einen Kreis, der alsAdreßzähler im Datenspeicher arbeitet. Im Speicher liegenAusgangssequenzen für das Pulsmuster des Wechselrichters.Bei steigender Zwischenkreisspannung erfolgt die Zählungschneller, die Sequenz wird schneller durchlaufen und die Aus-gangsfrequenz steigt.

Für die Choppersteuerung wird die Zwischenkreisspannungzuerst mit dem Sollwert des Referenzsignals, einem Span-nungssignal, verglichen. Von diesem Spannungssignal wirderwartet, daß es eine korrekte Ausgangsspannung undFrequenz ergibt. Bei unterschiedlichen Referenz- undZwischenkreissignalen meldet ein PI-Regler einem Kreis, daßdie Zykluszeit geändert werden muß. Dadurch wird die Zwi-schenkreisspannung dem Referenzsignal angepaßt.

Danfoss SteuerungenDas Steuerverfahren der Fa. Danfoss für den Wechselrichterwird in Abb. 2.31 dargestellt.

Über den Steueralgorithmus werden die PWM-Schaltmusterfür den Wechselrichter berechnet. Das Steuerverfahren ist eineSpanungsvektorsteuerung (englisch: Voltage Vector Control;abgekürzt: VVC) für spannungsgeführte Frequenzumrichter.

82 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

Abb. 2.31 Steuerungsprinzipien der Fa. Danfoss

Software Hardware (ASIC) Wechselrichter

VVC Synchrone60° PWM Motor

VVCplus Asynchrone• SFAVM • 60° PWM

Steuer-algorith-

musPWM

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Das VVC-Steuerungsprinzip steuert die Amplitude und dieFrequenz des Spannungsvektors mit Last- und Schlupfkom-pensation. Der Winkel des Spannungsvektors wird in Abhän-gigkeit der eingestellten Motorfrequenz (Sollwert) sowie derTaktfrequenz festgelegt.

Einige Eigenschaften dieses Verfahrens:• volle Motornennspannung bei Motornennfrequenz, sodaß

keine Leistungsreduzierung notwendig wird• Drehzahlverstellbereich: 1:25 ohne Rückführung• Drehzahlgenauigkeit: ±1% der Nenndrehzahl ohne

Rückführung• robust gegen Lastsprünge

Bei dem VVCplus-Steuerungsprinzip werden die Amplitude undder Winkel des Spannungsvektors, sowie die Frequenz direktgesteuert. Zusätzlich zu den Eigenschaften des VVC-Prinzip bietet diesesSteuerverfahren unter anderem folgendes:Verbesserte dynamische Eigenschaften im niedrigen Drehzahl-bereich (0 Hz-10 Hz)• Verbesserte Motormagnetisierung• Drehzahlverstellbereich: 1:100 ohne Rückführung• Drehzahlgenauigkeit: ±0,5% der Nenndrehzahl ohne

Rückführung• Aktive Resonanzdämpfung• Drehmomentsteuerung• Betrieb in der Stromgrenze

KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 83

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Danfoss VVC-Steuerungsprinzip Das Danfoss VVC-Steuerungsprinzip verwendet ein synchrones60°-PWM Verfahren.

Der Steuerkreis arbeitet nach einem mathematischen Modell,das:• die optimale Motormagnetisierung bei variierenden

Belastungen des Motors über Kompensationsparameterberechnet.

Das synchrone 60°-PWM-Verfahren, das in einem ASIC-Kreisangeordnet ist, bestimmt• den optimalen Schaltzeitpunkten für die Halbleiter (IGBT’s)

des Wechselrichters.

Die Schaltzeitpunkte werden folgendermaßen bestimmt:• Die numerisch größte Phase wird in 1⁄6 Periodenzeit (60°) auf

dem positiven oder negativen Potential gehalten.• Die beiden anderen Phasen werden überproportional ver-

ändert damit die resultierenden Ausgangsspannungen(Phase-Phase) wieder sinusförmig werden und die gewün-schte Amplitude erhalten (Abb. 2.32b).

84 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

0,00

–0,5 UDC

0,5 UDC

3600 60

60°

120 180 240 300

Abb. 2.32a Synchrone 60° PWM (Danfoss VVC-Steuerung) einerPhase

UDC = Zwischenkreisspannung

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KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 85

Im Gegensatz zum sinusgesteuerten PWM-Prinzip basiert dasVVC-Steuerungsprinzip auf einer digitalen Herstellung der ge-wünschten Ausgangsspannung. Dies gewährleistet, daß dieAusgangsspannung des Frequenzumrichters die volle Höhe derVersorgungsspannung erreicht. Der Motorstrom wird sinusför-mig und die Motorverhältnisse entsprechen denen bei direktemNetzanschluß.

Die optimale Motormagnetisierung wird erreicht, indem derFrequenzumrichter die Motorkonstanten (Ständerwiderstandund -induktivität) berücksichtigt. Der Frequenzumrichter be-rechnet mit diesen Daten die optimale Ausgangsspannung.

Da der Frequenzumrichter ständig den Belastungsstrom mißt,kann er die Ausgangsspannung zu der Belastung nachregeln.Die Motorspannung wird so dem Motortyp angepaßt und folgtden Belastungsänderungen.

0,00

0,50

1,00

–0,50

–1,00

U-V V-W W-U

3600 60 120 180 240 300

Abb. 2.32b Mit dem synchron 60°-PWM-Prinzip wird die volleAusgangsspannung direkt erreicht

Schaltmuster der Phase UPhasenspannung, (0-Punkt = halbe Zwischenkreisspannung)Leiterspannung zum Motor

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Danfoss VVCplus SteuerungsprinzipDas Danfoss VVCplus-Steuerungsprinzip verwendet ein Vektor-modulationsprinzip für konstante spannungsgeführte-PWMWechselrichter.

Das Schaltmuster für den Wechselrichter wird nach demSFAVM-, oder 60°-AVM Prinzip berechnet, daß das pulsierendeDrehmoment im Luftspalt sehr klein (gegenüber Frequenzum-richter nach der synchronen PWM) gehalten wird. Der Anwen-der kann eines der obengenannten Prinzipien selbst auswählenoder in Abhängigkeit der Kühlkörper-temperatur zwischen bei-de Prinzipien von der Steuerung (AUTO) wählen lassen. Beieiner Temperatur unter 75°C wird nach der SFAVM-Prinzipund über 75°C wird nach der 60°-AVM-Prinzip gesteuert.

Tabelle 2.01 gibt eine kurze Überblick über die beiden Prinzi-pien

Das Steuerungsprinzip wird in dem Ersatzschaltbild (Abb. 2.33)und dem Prinzipschaltbild (Abb. 2.34) dargestellt.

Es werden zwei Betriebszustände unterschieden:

• LeerlaufIm Leerlauf fließt in dem Läufer kein Strom (iw = 0) undsomit ist die Leerlaufspannung:

U = U L = (RS + jωSLS) × is

86 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

Tabelle 2.01 Überblick SFAVM gegenüber 60°-AVM

Max. Schalt-Auswahl frequenz des Eigenschaften

Wechselrichters

SFAVM Max. 8 kHz 1. niedrige Momentenripple gegenüber der synchronen 60°-PWM (VVC)

2. keine »Gangschaltung«

3. Hohe Schaltverluste im Wechselrichter

60°-AVM Max. 14 kHz 1. Reduzierte Schaltverluste im Wechselrichter (um 1⁄3 gegenüber SFAVM)

2. niedrige Momentenripple gegenüber der synchronen 60°-PWM (VVC).

3. relativ hohe Momentenripple gegenüber der SFAVM

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dabei ist:RS der Ständerwiderstand, is der Motormagnitisierungsstrom,LSσ die Ständerstreuinduktivität,Lh die Hauptinduktivität,LS (= LSσ + Lh) die Ständerinduktivität und ωs (= 2πfs) die Winkelgeschwindigkeit des Drehfeldes im

Luftspalt. Die Leerlaufspannung (U L) wird anhand der Motordaten(Nennspannung, -strom, -frequenz, -drehzahl) bestimmt.

• BelastungUnter Belastung fließt der Wirkstrom (iw) in den Läufer. Umdiesen Strom zu ermöglichen, wird eine Zusatzspannung(U Komp) dem Motor zu Verfügung gestellt:

U = U LAST = UL + U Komp

Die Zusatzspannung U Komp wird in Abhängigkeit von denLeerlauf- und Lastströmen sowie des Drehzahlbereiches(niedrige bzw. hohe Drehzahl) bestimmt. Der Spannungs-wert und der Drehzahlbereich wird anhand der Motordatenbestimmt.

KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 87

iw

LRσ

RrLh

is

LSσRS

+

UL

Uq

UKomp

Abb. 2.33b Ersatzschaltbild des Drehstrommotors (bei Belastung)

iw

LRσ

Rr

is

LSσ

Lh

RS

U = UL Uq

Abb. 2.33a Ersatzschaltbild des Drehstrommotors (im Leerlauf)

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88 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

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KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 89

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Wie in Abb. 2.34 dargestellt, berechnet das Motormodell dieLeerlauf-Sollwerte (Ströme und Winkel) für den Lastkompen-sator (ISX0, ISY0) und den Spannungsvektorgenerator (I0, θ0).

Der Spannungsvektorgenerator berechnet Leerlaufspannung(U L) und Winkel (θL) des Spannungsvektors, ausgehend vonLeerlaufstrom, Ständerwiderstand und -induktivität (sieheAbb. 2.33a).

Aus den gemessenen Motorströmen (Iu, Iv und Iw) werden dieBlindstrom- (ISX) und Wirkstromkomponente (ISY) berechnet.

Der Lastkompensator schätzt ausgehend von den berechnetenStrömen (ISX0, ISY0, ISX, ISY) und den Spannungsvektor-Istwertendas Luftspaltdrehmoment und berechnet, wieviel zusätzlicheSpannung (U Komp) erforderlich ist, um die magnetische Feld-stärke auf dem Sollwert zu halten. Er korrigiert die Winkel-abweichung (∆θ), die durch die Belastung der Motorwelle zuerwarten ist. Der Ausgangsspannungsvektor wird in Polarform(p) dargestellt. Dies ermöglicht eine direkte Übermodulationund erleichtert die Ankopplung an den PWM-ASIC.

Die Spannungsvektorsteuerung kommt besonders bei niedrigenDrehzahlen zum Tragen, wo die dynamische Leistung desAntriebs durch richtige Kontrolle des Spannungsvektorwinkelsgegenüber der U/f-Steuerung deutlich verbessert werden kann.Außerdem erhält man ein besseres stationäres Verhalten, dadas Steuersystem durch die Vektorwerte für Spannung undStrom das Lastdrehmoment besser erfassen kann, als dies aufBasis der skalaren Signale (Amplitudenwerte) möglich ist.

SchutzfunktionenEin Schutzschema, das dem Zweck, einen robusten und intelli-genten Leistungskreis aufzubauen und gleichzeitig die Kostenfür den Frequenzumrichter- und Motorschutz möglichst geringzu halten dient, bietet das VVCplus-System.Erreicht wird dies durch eine digitale Schutzstrategie, ba-sierend auf einer Wiederverwendung der vom Steuersystembenötigten Signale und dem Einsatz einer schnellen digitalenSignalverarbeitung (ASIC) anstelle passiver Leistungskom-ponenten (z.B. Wechselstromspulen).

90 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

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Der Wechselrichter ist gegen alle Störungen mit Ausnahme derZweigdurchzündung geschützt. In diesem Fall kann auf eineangemessene Pausenzeitsteuerung und einen richtig ausgeleg-ten Gate-Antrieb zurückgegriffen werden. Jeder IGBT ist durchGate-drive-Trafos sowohl von der Versorgungsspannung alsauch von dem Steuersignal galvanisch getrennt.

Eine Fehlerüberwachungsfunktion bearbeitet die registriertenStörungen. Im folgenden wird beschrieben, wie Überstrom undzu hohe Temperaturen gehandhabt werden.

Strom und Temperatur werden entweder durch einen Analog-Digital-Wandler oder einen Komparator zum ASIC übertragen.Die »Fehlerüberwachung« im ASIC verarbeitet die Signaledann entsprechend, um die gewünschten Schutzfunktionen zuaktivieren [Strom Stufe 1 und 2 (Abb. 2.35)]. Um die Größe desASIC zu begrenzen, findet im Mikroprozessor eine Fehlerüber-wachung auf zweiter Ebene [Strom Stufe 3 und 4 (Abb. 2.35)]statt.

Überstromschutz:Aus Abb. 2.35 geht hervor, wie sich durch unterschiedlicheStröme verschiedene »Filterzeiten« (Zeit vor dem Abschaltendes Frequenzumrichters) ergeben. Auslöseniveau und »Filter-zeit« lassen sich so einstellen, daß maximale Geräuschimmuni-tät für den jeweiligen Wechselrichter-Schalter (IGBT) sicherge-stellt ist (Unempfindlichkeit gegen Überstrom). Geräusch kannhier im weiteren Sinne sowohl als echtes Geräusch (Überlage-

KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 91

T1 T2 T3 T4

Strom

Zeit

ASIC+

Komparator

AD+

µC

Stufe 1

Stufe 2

Stufe 3

Stufe 4

Abb. 2.35 Überstromstufen

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92 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

rungen) als auch als kurze Überlasten wie das Zuschalten desWechselrichters auf lange Motorkabel verstanden werden.Um den Wechselrichter noch unempfindlicher zu machen, wur-de eine zweite »Filterzeit« hinzugefügt. Diese »Filterzeit«bestimmt, mit welcher Frequenz und wie oft hintereinandersich der Wechselrichter einschalten kann, bevor er schließlichverriegelt wird (Strom Stufe 1). Der Anwender bestimmt die Fil-terzeit T4 und die Stromstufe 4.

Beispiel:Ein 4-poliger 1,5kW Motor darf aus anlagetechnischen Grün-den höchstens 4 A für 5 Sek. ziehen. Damit ist T4 = 5 Sek. unddie Stromstufe 4 = 4 A.

Den Rest bestimmt die Steuerung und die Hardware-Strom-grenze des Frequenzumrichters.

Durch ein solches Überstromschutzschema, in das die Robust-heit von IGBTs der neuen Generation bei der Berechnung miteingeflossen ist, erhält man einen sehr robusten Wechselrichter,ohne zusätzliche Passivkomponenten, wie Motorspulen, ver-wenden zu müssen.

Schutz gegen hohe Temperaturen:Die Temperatur des Kühlkörpers (TC) (s. Abb. 2.34) wird direktgemessen und daraus die Wechselrichter-Verluste (Pverl., WR) be-rechnet. Man geht davon aus, daß die Temperatur des Kühlkör-pers durch die Umgebungstemperatur, die Kühlbedingungenund die Wechselrichter-Verluste bestimmt wird, und daß dieSchalter (IGBTs) des Wechselrichters die begrenzende Kompo-nente bilden.

Durch Kombination der Meßwerte für TC und Pverl., WR ist esmöglich, den Antrieb optimal auf die tatsächlichen Arbeitsbe-dingungen einzustellen. Dabei handelt es sich in der Regel umeine Veränderung der Schaltfrequenz und des Ausgangsstromsin Abhängigkeit von den Kühlbedingungen, der Netzspannungund der Umgebungstemperatur.

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KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 93

Abb. 2.36 zeigt ein Beispiel, in dem das Temperatursignal soverwendet wird, daß der Anwender die Möglichkeit und Zeithat, auf einen Fehler zu reagieren. Er kann z.B. einen irrtüm-lich nicht angeschlossen Frequenzumrichter-Lüfter korrektanklemmen und einschalten.

Zum Zeitpunkt T1 wird die Taktfrequenz für den Wechselrichterherabgesetzt; der Geräuschpegel (Überlagerungen) nimmt zu,und zur Anzeige wird ein Warnsignal zurückgemeldet. Bei T2

wird die Ausgangsspannung vermindert, das Höchstdrehmo-ment begrenzt und ein weiteres Signal gegeben. Bei T3 ist einvorher definierter Mindeststrom erreicht; es wird eine dritteWarnung angezeigt. Der Anwender hat jetzt die Wahl, denMotor kontrolliert anzuhalten oder ihn mit der Gefahr laufen zulassen, daß der Wechselrichter sich bei T4 endgültig ausschaltet.

Das beschriebene »intelligente Schutzschema« (Fehlerüber-wachung) macht es möglich, den Wechselrichter-Chip effizientzu nutzen. Auf diese Weise wird ein robuster und sehr »fehler-toleranter« Antrieb gewährleistet. Der Anwender erhält außer-dem die Möglichkeit, bereits im vorhinein den Frequenzum-richter zu programmieren, wie er auf eine bestimmteFehlersituation zu reagieren hat.

T1

TC

T2 T3 T4

Kühlkörpertemperatur

Stufe 4

Stufe 3

Stufe 2

Stufe 1

Zeit

Abb. 2.36 Übertemperaturstufen

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Allgemeines über den Computer Der Computer besteht aus drei Grundeinheiten. Jede Einheithat eine spezielle Aufgabe.

Der Mikroprozessor ist das Herz des Computers. Wenn demProzessor die richtige Sequenz an Instruktionen (Programmen)zugeführt wird, kann dieser eine Reihe von Funktionen imSpeicher des Computers durchführen. Der Mikroprozessorsteuert auch die anderen Einheiten entsprechend dem Pro-gramm.

Im Speicher des Computers wird das Programm und die Datenabgelegt. Das Programm wird häufig in einem EPROM (Eras-able Programmable Read Only Memory) oder in einem PROMgespeichert. EPROM’s speichern ihren Inhalt auch, wenn dieSpannung zum Kreis unterbrochen wird. Informationen ineinem EPROM lassen sich nur mit ultraviolettem Licht löschen,danach ist eine erneute Programmierung möglich. Im Gegen-satz zu EPROM’s werden PROM’s nur einmal programmiert.Der Mikroprozessor bekommt Informationen aus dem EPROModer PROM.

RAM ist der Speicher, aus dem der Mikroprozessor Daten holtund nach abgeschlossener Verarbeitung wieder speichert. RAM(Random Access Memory) verliert seine Informationen, wenndie Spannung unterbrochen wird. Der Inhalt ist undefiniert,wenn die Spannung wieder anliegt.

Die dritte Einheit ist mit I/O gekennzeichnet und beinhaltet dieEin- und Ausgänge, die der Computer für seine Kommunikationbenötigt. Das können beispielsweise Verbindungen mit Bedie-

94 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

RAM ROM I/O

Abb. 2.37 Prinzipieller Aufbau des Computers

Mik

ropr

ozes

sor

Datenbus

Kontrollbus

Adressenbus

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nungsfeldern, Druckern oder anderen elektronischen Aus-rüstungen sein.

Der Bus ist ein paralleler Leiter, der die Einheiten mit einemComputer verbindet. Der Datenbus überträgt Daten zwischenden Einheiten. Der Adressenbus gibt an, woher die Daten zunehmen sind und wohin sie sollen. Der Kontrollbus überwacht,daß die Übertragung in der richtigen Reihenfolge erfolgt.

Computer des Frequenzumrichters Neben den bisher genannten drei Einheiten beinhaltet derComputer des Frequenzumrichters einige zusätzliche Einhei-ten. Eine davon ist ein EEPROM (Electrically Erasable PROM)-Speicher, der dem Benutzer die Programmierung des Compu-ters ermöglicht und sich mit elektrischen Signalen program-mieren oder umprogrammieren läßt. Dies ist notwendig für dieProgrammierung der Frequenzumrichter (Anlagedaten) unddie Speicherung spezieller Aufgaben.

Des weiteren kann der Computer des Frequenzumrichters miteinem ASIC versehen werden. Es ist ein integrierter Schalt-kreis, bei dem einige Funktionen vom Halbleiterherstellerbestimmt werden. Die restlichen Funktionen lassen sich nachspeziellen Wünschen des Frequenzumrichterherstellers pro-grammieren. Hier wird beispielsweise das Danfoss VVCplus

Steuerprinzip angeordnet.

Ein- und Ausgänge der Steuerkarte Die Anlage, für die der Frequenzumrichter vorgesehen ist, be-stimmt den Bedarf an Ein- und Ausgängen. Frequenzumrichterin automatischen Anlagen müssen sowohl analoge als auch digi-tale Steuersignale empfangen. Analoge Signale können alleWerte innerhalb eines bestimmten Bereiches annehmen. Digi-tale Signale können zwei Werte (0 oder 1) annehmen.

KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 95

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96 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

Es gibt keine eigentliche Norm für Steuersignale. Einige Signa-le werden heute als Standard angesehen, bei analogen Signalenz.B. 0-10 V oder 0 bzw. 4-20 mA. Da Halbleiter in den digitalenSignalausgängen verwendet werden, muß der digitale Ausgangmit einem Mindeststrom belastet werden, damit das Signal»sicher« ist. Ein typischer Signalbereich ist 20-30 V und 10-500 mA.

Die digitalen Ausgänge einer SPS (Speicher ProgrammierbareSteuerung) sind mit den digitalen Eingängen des Frequenzum-richters abgestimmt. Als Minimum akzeptieren diese z.B. Span-nungen zwischen 10 und 30 V und haben eine Stromaufnahmevon mindestens 10 mA bei 20 V. Der innere Widerstand desSignaleingangs darf daher maximal 2 kOhm sein.

RAMEPROM(PROM) EEPROM

VVCplus

ASIC

Abb. 2.38 Computer des Frequenzumrichters

U

t b)a)

U

t

Abb. 2.39 Analoges Signal (a) und digitales Signal (b)

Mik

ropr

ozes

sor

Datenbus

Kontrollbus

Leistungsteil

Bedienung

Anzeige

DigitaleEin-/ Ausgänge

AnalogeEin-/Ausgänge

Adressenbus

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KommunikationDigitale Frequenzumrichter können grundsätzlich über dreiSchnittstellen mit der Peripherie Daten austauschen (s. Abb.2.40). Dies sind • die konventionelle Steuerklemmenleiste für digitale und

analoge Ein- und Ausgänge, • das Bedienteil mit Display und Tastern, • eine serielle Schnittstelle für Service und Diagnose sowie

Steuerungsaufgaben.

Je nach Anwendung kann die Kommunikation zusätzlich übereine intelligente serielle Schnittstelle für einen leistungsfähi-gen Automatisierungsbus (z.B. PROFIBUS) ergänzt werden.Hierbei kann es sich um eine eigene Baugruppe handeln, diezur Entlastung der Grundgeräteelektronik einen eigenenMikroprozessor und Peripherie (z.B. Dual Port Ram) enthaltenkann.

Bei der Steuerklemmenleiste sind für n-Verknüpfungen minde-stens (n + 1) Datenleitungen notwendig, die Anzahl der Leitun-gen hängt also von den Aufgaben und der Klemmenzahl ab. Dieeinzelnen Klemmen können für verschiedene Funktionen pro-grammiert werden. Ein Bedienteil mit Display und Tasternkann an fast jedem digitalen Frequenzumrichter eingebaut

KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 97

Abb. 2.40 Grundkonzept – Kommunikation (Frequenzumrichter)

ServiceSerielle Schnittstelle (RS 485/RS 232)

SteuerklemmeDigitale und analogeEin- und Ausgänge

PC/SPS

IntelligenteSchnitt-stellen

Baugruppez.B. Profibus

Technolog.Regelungenz.B. Ablauf-steuerung

Grund-geräte-

elektronik

Leistungs-teil

Geräte-bedienenteilmit Displayund Tastern

Lokale Steuereinheit

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werden. Am Display ist es möglich die Funktionen der Steuer-klemmen auszuschalten. Dies bietet bei bestimmten Störfällen(Leitungsbruch, fehlendes Steuersignal) eine Diagnosehilfe.

In einem Prozeß wird der Frequenzumrichter als aktiver Aus-rüstungsteil betrachtet. Er ist ein Bauteil eines Systems ohneRückmeldung (Steuerung) oder eines Systems mit Rückmel-dung (Regelung) vom Prozeß.

Ein System ohne Rückmeldung kann mit einem einfachenPotentiometer betrieben werden. Ein System mit Rückmeldungist aufwendiger und wird in der Regel mit einem programmier-baren Steuer- und Regelsystem (z.B. SPS/DDC) ausgeführt.

Allgemeines über SPSDie SPS kann sowohl Steuersignale (Geschwindigkeit) undBefehle (Start, Stop, Reversierung) liefern. Die Ausgangssignale des Frequenzumrichters, wie z.B. Motor-strom oder Motorfrequenz, werden häufig von Zeigerinstru-menten o.ä. abgelesen. Ein SPS kann jedoch auch Ausgangssig-nale ablesen. Hierdurch ist eine kontinuierliche Erfassungdieser Daten möglich.

Ein SPS-System besteht aus drei Grundelementen: • Zentraleinheit, • Ein- und Ausgangsmodule,• Programmiereinheit.

98 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

Abb. 2.41 Lokale Steuereinheit eines Frequenzumrichters

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KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 99

Mit der Programmiereinheit wird der Zentraleinheit ein Steuer-programm zugeordnet. Die Zentraleinheit ordnet die Eingangs-signale und aktiviert die Ausgangssignale nach dem Programm.Die Zentraleinheit kann nur mit digitalen Signalen arbeiten.Diese Signale wechseln zwischen zwei Werten, z.B. zwischen24 V und 0 V. Die hohe Spannung wird mit »1« oder »ON«bezeichnet und die niedrige Spannung mit »0« oder »OFF«.

Ein Frequenzumrichter und eine SPS können grundsätzlich aufzwei Arten zusammengeschaltet werden. Die einzelnen Ein- und Ausgänge der SPS werden mit separa-ten Leitungen mit den Ein- und Ausgängen des Frequenzum-richters verbunden. Die Ein- und Ausgänge der SPS ersetzen soseparate Komponenten wie Potentiometer, Steuerkontakte undZeigerinstrumente.

Serielle KommunikationBei der zweiten Möglichkeit werden zeitlich verschobene Signa-le über Leiterpaare übertragen. In der Periode t1-t2 wird dieInformation A, in der Zeit t2-t3 die Information B usw. übertra-gen. Diese Form der Informationsübertragung wird als serielleKommunikation bezeichnet (s. Abb. 2.44).

U

»1«

»0«t

Abb. 2.43 Das digitale Signal kann »ON« oder »OFF« über kürzereoder längere Zeit sein

Abb. 2.42 Der prinzipielle Aufbau der SPS

Zentral-einheitEin Aus

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100 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

Es gibt unterschiedliche Prinzipien für die serielle Kommuni-kation. Entscheidend ist, wie viele Geräte miteinander kommu-nizieren sollen.

Ein Prinzip erfordert mehrere Leiter, wenn jedes Gerät sowohlInformationen senden als auch empfangen soll. Bei einem ande-ren Prinzip ist die Kommunikation mit mehreren Geräten mitnur zwei Leitern möglich. Es ist hier möglich, mehrere Empfän-ger an nur einen Sender (S) anzuschließen. Bei einem drittenPrinzip können alle angeschlossenen Geräte mit nur zwei Lei-tern senden und empfangen. Diese Kommunikationsverbin-dung wird als Bus bezeichnet.

Die Geräte müssen ein gemeinsames Signalniveau haben, da-mit gewährleistet ist, daß Geräte verschiedener Fabrikate dasserielle Signal empfangen können.

Die Geräte müssen außerdem einen gemeinsamen Signalauf-bau haben, damit der Empfänger die Information des Signalsversteht. Aufbau und Zusammensetzung der Signale unter-liegen einer Reihe von Normen.

A

S

S

SP

SS

PS

D/A

D/D

D/D

A/D

S

S

S

A A

A B C D

D D

t1 t2 t3 t4 t5 t1 t2 t3 t4 t5

Abb. 2.44 Serielle Kommunikation gewährleistet eine schnellereSignalübertragung und eine vereinfachte Installation

D/D = Wandler Digital/DigitalD/A = Wandler Digital/AnalogA/D = Wandler Analog/DigitalS = Sender serielle Daten

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Immer komplexere Systemaufbauten lassen deren Anzahl stei-gen.

Das gemeinsame Signalniveau unterliegt keinem bestimmtenWert. Daher ist die Software der Geräte in der Regel aufein-ander abzustimmen, damit das gemeinsame Signalniveau fest-gelegt wird.

RS 232 ist die bekannteste Norm. Die Anwendung ist auf einenkurzen Übertragungsabstand und geringe Übertragungsge-schwindigkeit begrenzt. RS 232 wird daher dort eingesetzt, wonur gelegentlich Signale gesendet werden. Das kann zusammenmit Terminalen und Druckern sein.

RS 422 und 423 lösen das Problem mit dem Abstand und derÜbertragungsgeschwindigkeit. Sie werden daher häufig bei derProzeßautomatik eingesetzt, z.B. zusammen mit einer SPS,wenn die Signalübertragung kontinuierlicher ist.

RS 485 ist die einzige Norm, die eine Zusammenschaltung undBedienung einer größeren Gerätezahl bzw. die Kommunikation

KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 101

Prinzip Standard Anzahl Max. Anzahl Signal-(Anwendung) Geräte Ab- Leiter niveau

je standLeitungs- m

satz

RS 232 1 Sender Duplex:(Punkt 1 Emp- 15 min. 3 ±5 V min.zu Punkt) fänger + div.

Status- ±15 V max.signale

RS 423 1 Sender Duplex:(Punkt 10 Emp- 1200 min. 3 ±3,6 V min.zu Punkt) fänger + div. ±6 V max.

Status-signale

RS 422 1 Sender Duplex:(Punkt 10 Emp- 1200 4 ±2 V min.zu Punkt) fänger

RS 485 32 Sender Semi(Bus) 32 Emp- 1200 duplex: ±1,5 V min.

fänger 2

: Sender : Empfänger

Abb. 2.45 Normen für serielle Verbindungen

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zwischen mehreren Geräten über ein gemeinsames Leiterpaarermöglicht. Die Installation erfordert nur zwei Leiter, damit dieGeräte im Wechsel über die gemeinsame Leitungsverbindung(Bus) senden. Ein bekanntes Bus-System ist z.B. der PROFI-BUS.

Für die Kommunikation zwischen einer SPS/PC und Frequenz-umrichtern gibt es drei Signaltypen: • Steuersignale (Geschwindigkeit, Start/Stop/Reversierung) • Statussignale (Motorstrom, Motorfrequenz, Frequenz er-

reicht) • Alarmsignale (Motorstop, Übertemperatur)

Der Frequenzumrichter empfängt Steuersignale von der SPSund steuert danach den Motor. Der Frequenzumrichter sendetStatussignale an die SPS und informiert über die Auswirkun-gen der Steuersignale auf den Motor/Prozeß. Wenn der Fre-quenzumrichter durch außergewöhnliche Betriebsbedingungenausgeschaltet wird, werden Alarmsignale an die SPS gesendet.

RS 485 ermöglicht den unterschiedlichen Aufbau von Prozeß-systemen. Die SPS kann beispielsweise in einem Schaltschrankinstalliert werden und von dort aus mehrere Frequenzum-richter in einem anderen Schaltschrank steuern.

102 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

SPS

Abb. 2.46 Drei Signaltypen zwischen einer SPS und Frequenz-umrichtern

Steuersignale

Statussignale

Alarm/Warnsignale

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Mit dem Übergang von der analogen zur digitalen Technik wer-den in den Frequenzumrichtern zunehmend serielle Schnitt-stellen bei• der Geräteprüfung • der Inbetriebsetzung• den Serviceleistungen• der automatischen Betriebsführung und• der Visualisierungeingeführt.

Für den Informationsaustausch zwischen den Frequenzum-richtern und für die Steuerung (SPS/PC) über die serielleSchnittstelle ist ein Protokoll notwendig. Das Protokoll legt festwie lang die Information (Telegramm) sein darf und an welcherStelle der Informationskette welche Daten stehen müssen.

Weiterhin bietet das Protokoll im Allgemeinen folgende Funk-tionen:• Anwahl (Adressieren) der beteiligten Geräte• Datenanforderungen von den Geräte (z.B. Istwerte von

Strom/Spannung)• Datenübermittlungen an einzelne Geräte (z.B. Sollwerte,

Grenzwerte von Ströme/Frequenzen) über deren Adressenund

• Datenübermittlungen an alle Geräten (BROADCAST) umzum Beispiel ein gleichzeitiges Stoppen/Starten zu ermög-lichen. Hier ist eine Rückmeldung von den Geräten nichtnotwendig.

KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 103

Abb. 2.47 Der Bus ermöglicht viele verschiedene Anlagenaufbauten

SPS

RS 485

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Jeder Hersteller legt sein eigenes Protokoll fest. Dies bedeutetdaß der Anwender beim Einsatz von Geräten verschiedenerHersteller sich immer wieder mit Programmierungen beschäf-tigen muß. Um die Parametrierung, Fehlerdiagnose oder ein-fache Steuerungsaufgabe per PC zu ermöglichen, bieten vieleHersteller Software an. Dabei ist die meistverwendete Über-tragungsrate 9600 Bit/sek. Bei komplexen Anwendungen oderAnwendungen für die diese Geschwindigkeit nicht ausreicht,empfiehlt sich eine intelligente leistungsfähigere Schnitt-stellenbaugruppe wie PROFIBUS (s. Abb. 2.40).

Herstellerunabhängige KommunikationBussysteme ermöglichen den Einsatz von verschiedenen Ein-richtungen wie SPS, PC, Frequenzumrichter, Sensoren undAktoren zur Automatisierung technischer Prozesse. Für denInformationsaustausch dieser Feldgeräte mit übergeordnetenSystemen sowie untereinander werden bitserielle Feldbusse alsKommunikationsmedium eingesetzt. HerstellerspezifischeProtokolle werden zu Insellösungen führen. Aus der Sicht desAnwenders ist ein herstellerunabhängiges Protokoll notwendig.Ein offenes und bewährtes Protokoll ist das PROFIBUS Proto-koll.

PROFIBUS ermöglicht den Datenaustausch zwischen Geräteunterschiedlicher Hersteller ohne spezielle Schnittstellen-anpassung. Er hat sich in vielen Anwendungen im Bereich derGebäude- und Fertigungsautomatisierung, der Antriebs- undVerfahrenstechnik bewährt.

Entsprechend den möglichen Anwendungsgebieten werden dreiVarianten unterschieden:

FMS (Fieldbus Message Service)-ProtokollDies ist die universelle Lösung für Kommunikationsaufgaben.Die FMS Dienste ermöglichen es wegen ihre große Flexibilität,umfangreiche Kommunikationsaufgaben bei einer mittlerenDatengeschwindigkeit zu bewältigen. Das FMS Protokoll wirdzB. in der Textilindustrie, Gebäudeleit- und Antriebstechnik,Aktorik und Sensorik sowie bei Niederspannungs-Schalt-geräten eingesetzt.

104 KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER

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DP (Dezentrale Peripherie)-ProtokollDiese auf Geschwindigkeit optimierte Variante ist speziell aufdie Kommunikation zwischen Automatisierungssystemen undden dezentralen Peripheriegeräten zugeschnitten. Sie ist geeig-net als Ersatz für die kostenintensive parallele Signalübertra-gung mit 24 V und die Meßwertübertragung mit 20 mA.Das DP Protokoll wird meistens bei der Fertigungsautomatisie-rung eingesetzt.

PA (Process Automation)PROFIBUS-PA ist die PROFIBUS-Variante für Anwendungenin der Prozeßautomatisierung. PROFIBUS-PA verwendet die inIEC 1158-2 festgelegte eigensichere Übertragungstechnik undermöglicht die Fernspeisung der Teilnehmer über den Bus.

Außer PROFIBUS gibt es andere Kommunikationssysteme fürFrequenzumrichter auf dem Markt zu finden wie• Modbus +• Interbus-S• Device Net• Lonworks.

KAPITEL 2: FREQUENZUMRICHTER 105

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1. Drehstrommotor Der erste Elektromotor, ein Gleichstrommotor, wurde 1833gebaut. Die Geschwindigkeitsregelung dieses Motors ist einfachund erfüllt die Forderungen der vielen verschiedenen Anlagen-typen.

1889 wurde der erste Drehstrommotor konstruiert. Verglichenmit dem Gleichstrommotor ist dieser wesentlich einfacher undrobuster. Drehstrommotoren haben jedoch eine feste Drehzahlund Momentcharakteristik. Daher waren sie lange Zeit für ver-schiedene spezielle Anlagen nicht einsetzbar. Drehstrommo-toren sind elektromagnetische Energieumformer. Sie wandelnelektrische Energie in mechanische Energie (motorisch) undumgekehrt (generatorisch) mittels der elektromagnetischenInduktion um.

Das Prinzip der elektromagnetischen Induktion:In einem quer durch ein Magnetfeld (B) bewegten Leiter wirdeine Spannung induziert. Ist der Leiter in einem geschlossenenStromkreis, fließt ein Strom (I). Auf den bewegten Leiter wirkteine Kraft (F) senkrecht zum Magnetfeld und zum Leiter.

a) Generatorprinzip (Induktion durch Bewegung)Beim Generatorprinzip erzeugen Magnetfeld und Bewegungeines Leiters eine Spannung (Abb.1.01a).

b) Motorprinzip In Motoren wird das Induktionsprinzip in »umgekehrter Rei-henfolge« verwendet: Ein stromführender Leiter wird in einem

KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR 13

N

S

N I

I

I ⇒ FF ⇒ I

F

B B

F

S

Abb. 1.01 Prinzip der elektromagnetischen Induktion

a) Generator Prinzip b) Motorprinzip

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Magnetfeld angeordnet. Der Leiter wird dann von einer Kraft(F) beeinflußt, die versucht, den Leiter aus dem Magnetfeld zubewegen.Beim Motorprinzip erzeugen Magnetfeld und stromdurchflosse-ner Leiter Bewegung (Abb. 1.01b).

Das Magnetfeld wird im Motor im feststehenden Teil (Stator)erzeugt. Die Leiter, die von den elektromagnetischen Kräftenbeeinflußt werden, befinden sich im rotierenden Teil (Rotor).Die Drehstrommotoren unterteilen sich in die beiden Haupt-gruppen asynchrone und synchrone Motoren.

Bei beiden Motoren ist die Wirkungsweise der Statoren im Prin-zip gleich. Der Unterschied liegt im Rotor. Hier entscheidet dieBauweise und wie sich der Rotor im Verhältnis zum Magnetfeldbewegt. Synchron bedeutet »gleichzeitig« oder »gleich«, undasynchron »nicht gleichzeitig« oder »nicht gleich«. Mit anderenWorten sind die Drehzahlen vom Rotor und Magnetfeld gleichoder unterschiedlich.

14 KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR

Abb. 1.02 Unterteilung: Drehstrommotoren

Drehstrommotoren

synchron asynchron

Rotor mit ausgeprägten Polen Schleifringrotor Vollpolrotor Kurzschlußrotor

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Asynchronmotor Der Asynchronmotor ist der meistverbreitete Motor. Er erfor-dert fast keine Instandhaltung. Der mechanische Aufbau istgenormt, damit ein geeigneter Lieferant immer schnell ver-fügbar ist. Es gibt mehrere Typen von Asynchronmotoren, diejedoch alle nach dem gleichen Grundprinzip arbeiten.

Die beiden Hauptbauteile des Asynchronmotors sind Stator(Ständer) und Rotor (Läufer).

Stator (Ständer)

Der Stator ist ein Teil des feststehenden Motors. Der Statorbesteht aus Statorgehäuse (1), Kugellagern (2), die den Rotor (9)tragen, Lagerböcken (3) für die Anordnung der Lager und alsAbschluß für das Statorgehäuse, Ventilator (4) für die Motor-kühlung und Ventilatorkappe (5) als Schutz gegen den rotieren-den Ventilator. Auf der Seite des Statorgehäuses sitzt einKasten für den elektrischen Anschluß (6).

Im Statorgehäuse befindet sich ein Eisenkern (7) aus dünnen,0,3 bis 0,5 mm starken Eisenblechen. Die Eisenbleche habenAusstanzungen für die drei Phasenwicklungen.

KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR 15

5 4 3 2 10 9 2 1

6 7 3

Abb. 1.03 Der Aufbau des Asynchronmotors

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Die Phasenwicklungen und der Statorkern erzeugen das Mag-netfeld. Die Anzahl der Polpaare (oder Pole) bestimmt dieGeschwindigkeit, mit der das Magnetfeld rotiert. Wenn einMotor an seine Nennfrequenz angeschlossen ist, wird die Dreh-zahl des Magnetfeldes als synchrone Drehzahl (n0) des Motorsbezeichnet.

Magnetfeld Das Magnetfeld rotiert im Luftspalt zwischen Stator und Rotor.Nach Anschluß einer der Phasenwicklungen an eine Phase derVersorgungsspannung wird ein Magnetfeld induziert.

Die Anordnung dieses Magnetfeldes im Statorkern ist fest, aberdie Richtung ändert sich. Die Geschwindigkeit, mit der dieRichtung sich ändert, wird von der Frequenz der Versorgungs-spannung bestimmt. Bei einer Frequenz von 50 Hz ändert dasWechselfeld die Richtung 50 mal in jeder Sekunde.

Beim Anschluß von zwei Phasenwicklungen gleichzeitig an diejeweilige Phase werden zwei Magnetfelder im Statorkern indu-ziert. In einem zweipoligen Motor ist das eine Feld 120 Grad imVerhältnis zum anderen verschoben. Die Maximalwerte der Fel-der sind auch zeitmäßig verschoben.

16 KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR

ωt

N S N

S N S

360°180°

I1 Φ1

Φ IL1

I10 V

Abb. 1.04 Eine Phase ergibt ein Wechselfeld

Polpaar (p) 1 2 3 4 6

Polzahl 2 4 6 8 12

n0 [1/min] 3000 1500 1000 750 500

Tabelle 1.01 Polpaar (p) bzw. Polzahl und synchrone Drehzahl desMotors

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KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR 17

Hiermit entsteht ein Magnetfeld, das im Stator rotiert. Das Feldist jedoch sehr asymmetrisch, bis die dritte Phase angeschlos-sen wird.

Nach Anschluß der dritten Phase gibt es drei Magnetfelder imStatorkern. Zeitmäßig sind die drei Phasen 120 Grad im Ver-hältnis zueinander verschoben.

Der Stator ist nun an die dreiphasige Versorgungsspannungangeschlossen. Die Magnetfelder der einzelnen Phasenwicklun-gen bilden ein symmetrisches und rotierendes Magnetfeld.Dieses Magnetfeld wird als Drehfeld des Motors bezeichnet.

Die Amplitude des Drehfeldes ist konstant und beträgt das1,5fache vom Maximalwert der Wechselfelder. Dies rotiert mitder Geschwindigkeit

(f × 60)n0 = [1/min]p

ωt

0° 360°180°120°60° 300°240°

I1 Φ1 I2 Φ2 I3 Φ3

Φ I

N

S

N

S

N

S

N

S

S

N

S

N

S

N

f = Frequenzn0 = Synchrondrehzahlp = Polpaarzahl

ωt

0° 360°180°120° 300°

I1 Φ1 I2 Φ2

Φ I

N

S

S

N

S

N

N

S

N

S

Abb. 1.05 Zwei Phasen ergeben ein asymmetrisches Drehfeld

L1

I1

L2

I2

0 V

0 V

L1

I1

L2

L3 I2

I3

Abb. 1.06 Drei Phasen ergeben ein symmetrisches Drehfeld

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Die Geschwindigkeit ist somit von der Polpaarzahl (p) und derFrequenz (f) der Versorgungsspannung abhängig. Die unten-stehende Abbildung zeigt die Größe der magnetischen Felder(Φ) zu drei verschiedenen Zeiten.

Bei der Abbildung des Drehfeldes mit einem Vektor und einerentsprechenden Winkelgeschwindigkeit beschreibt dies einenKreis. Als Funktion der Zeit in einem Koordinatensystembeschreibt das Drehfeld eine Sinuskurve. Das Drehfeld wirdelliptisch, wenn sich die Amplitude während einer Umdrehungändert.

Rotor (Läufer)Der Rotor (9) ist auf der Motorwelle (10) montiert (siehe Abb.1.03). Der Rotor wird wie der Stator aus dünnen Eisenblechenmit ausgestanzten Schlitzen gefertigt. Der Rotor kann einSchleifringrotor oder ein Kurzschlußrotor sein. Sie unterschei-den sich dadurch, daß die Wicklungen in den Schlitzen unter-schiedlich sind.

Der Schleifringrotor besteht wie der Stator aus gewickeltenSpulen, die in den Schlitzen liegen. Es gibt Spulen für jede Pha-se, die an die Schleifringe geführt werden. Nach Kurzschluß derSchleifringe arbeitet der Rotor wie ein Kurzschlußrotor.

Der Kurzschlußrotor hat in den Schlitzen eingegossene Alumi-niumstäbe. An jedem Ende des Rotors erfolgt ein Kurzschlußder Stäbe über einen Aluminiumring.

Der Kurzschlußrotor wird am häufigsten verwendet. Da beideRotoren im Prinzip die gleiche Wirkungsweise haben, wird imfolgenden nur der Kurzschlußrotor beschrieben.

18 KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR

ϕ3 = 1/2 Φmax.

ϕ1 = Φmax.

ϕ3 = Φmax.

ϕ2 = 1/2 Φmax.

ϕ1 = 1/2 Φmax.

ϕ2 = 1/2 Φmax.

ϕ = 3/2 Φmax.

ϕ = 3/2 Φmax.

ϕ = 3/2 Φmax.ϕ3 = √3

2 Φmax.

ϕ1 = √32 Φmax.

Abb. 1.07 Die Größe des Magnetfeldes ist konstant

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KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR 19

Bei Anordnung eines Rotorstabes im Drehfeld wird dieser voneinem magnetischen Pol durchwandert. Das Magnetfeld desPols induziert einen Strom (IW) im Rotorstab, der nun durcheine Kraft (F) beeinflußt wird (s. Abb. 1.08 und 1.09a). DieseKraft wird durch die Flußdichte (B), den induzierten Strom (IW),die Länge (l) des Rotors sowie die Phasenlage (θ) zwischen derKraft und Flußdichte bestimmt

Nimmt man an daß θ = 90° ist, dann ist die Kraft

Der nächste Pol, der den Rotorstab durchwandert, hat die ent-gegengesetzte Polarität. Dieser induziert einen Strom in dieentgegengesetzte Richtung. Da sich aber die Richtung des Mag-netfeldes auch geändert hat, wirkt die Kraft in die gleicheRichtung wie zuvor (Abb. 1.09b). Bei Anordnung des ganzen Rotors im Drehfeld (s. Abb. 1.09c)werden die Rotorstäbe von Kräften beeinflußt, die den Rotordrehen. Die Drehzahl (2) des Rotors erreicht nicht die des Dreh-feldes (1), da bei gleicher Drehzahl keine Ströme in den Rotor-stäben induziert werden.

I W

lS

N

NF

S

B

a) b) c)

SF

N

1 N

2

S

B

Magnetischer Fluß (Φ)

Drehfeld

Kraft (F)

Hebelarm (r)

Abb. 1.08 Drehfeld und Kurzschlußrotor

Abb. 1.09 Induktion in den Rotorstäben

F = B × IW × l × sin θ

F = B × IW × l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.01

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Schlupf, Moment und Drehzahl Die Drehzahl nn des Rotors ist unter normalen Umständenetwas niedriger als die Drehzahl n0 des Drehfelds.

Der Schlupf s ist der Unterschied zwischen den Geschwindig-keiten des Drehfeldes und des Rotors:

Der Schlupf wird häufig in Prozent der synchronen Drehzahlangegeben:

Normalerweise liegt der Schlupf zwischen 4 und 11 Prozent. DieFlußdichte (B) ist definiert als der Fluß (Φ) pro Querschnitt (A).Damit ergibt sich aus der Gleichung 1.01 die Kraft

Die Kraft, mit der sich der stromführende Leiter bewegt, ist pro-portional zum magnetischen Fluß (Φ) und der Stromstärke (IW)im Leiter.

In den Rotorstäben wird durch das Magnetfeld eine Spannunginduziert. Diese Spannung läßt in den kurzgeschlossenenRotorstäben einen Strom (IW) fließen. Die einzelnen Kräfte derRotorstäbe werden zusammen zu dem Drehmoment M auf derMotorwelle.

20 KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR

Abb. 1.10 Das Motormoment ist »Kraft mal Hebelarm«

rF

n0 – nns = × 100[%]n0

Φ × IW × lF = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.02A

(f × 60)n0 = [1/min]p p = Polpaar des Motors

s = n0 – nn

F ~ Φ × IW

M

0 1 n0

n

s0

s

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Die Zusammenhänge zwischen Motormoment und Drehzahlhaben einen charakteristischen Verlauf. Der Verlauf variiertjedoch nach der Schlitzform im Rotor.

Das Moment des Motors, Drehmoment, gibt die Kraft oder das»Drehen« an, das an der Motorwelle entsteht.

Die Kraft entsteht beispielsweise am Umfang eines Schwung-rades, das auf der Welle montiert ist. Mit den Bezeichnungenfür die Kraft (F) und für den Radius (r) des Schwungrades istdas Moment des Motors M = F × r.

Die vom Motor ausgeführte Arbeit ist: W = F × d.

d ist die Strecke, die ein Motor eine gegebene Belastung zieht,und n ist die Anzahl der Umdrehungen: d = n × 2 × π × r.

Arbeit kann auch als Leistung mal die Zeit, in der die Leistungwirkt, beschrieben werden: W = P × t.

Das Moment ist somit:

Die Formel zeigt den Zusammenhang zwischen Drehzahl n[Umdr/min], Moment M [Nm] und der vom Motor abgegebeneLeistung P [kW].

Bei Betrachtung von n, M und P im Verhältnis zu denentsprechenden Werten in einem bestimmten Arbeitspunkt (nr,Mr und Pr) ermöglicht die Formel einen schnellen Überblick.Der Arbeitspunkt ist in der Regel der Nennbetriebspunkt desMotors und die Formel kann wie folgt umgeschrieben werden:

Die Konstante 9550 entfällt in dieser Verhältnisrechnung.

KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR 21

W (P × t × r)Μ = F × r = × r =d n × 2 π ×r

P × 9550M = (t = 60 sek.)n

PrMr = und zu Pr = Mr × nr,nr

M P nwobei Mr = , Pr = und nr =Mn Pn nn

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Beispiel: Belastung = 15% des Nennwerts, Drehzahl = 50% des Nenn-werts. Die abgegebene Leistung wird 7,5% der abgegebenenNennleistung, da Pr = 0,15 × 0,50 = 0,075

Neben dem normalen Betriebsbereich des Motors gibt es zweiBremsbereiche.

Im Bereich wird der Motor von der Belastung über diesynchrone Drehzahl gezogen. Hier arbeitet der Motor als Gene-rator. Der Motor erzeugt in diesem Bereich ein Gegenmomentund gibt gleichzeitig Leistung zurück ins Versorgungsnetz.

Im Bereich wird das Bremsen als Gegenstrombremsungbezeichnet.

Wenn plötzlich zwei Phasen eines Motor vertauscht werden,ändert das Drehfeld die Laufrichtung. Unmittelbar danachwird das Drehzahlverhältnis sein.

22 KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR

nK, MK

nN, MN

nN, IN

M0, I0

0, Ma

0, Ia

01

I

M

10

01

10

n0, 0

n0

ns0

s

n0

ns0

s

≥ 8 × In

Abb. 1.11 Strom- und Momentencharakteristik des Motors

n > 1n0

n < 0n0

n = 1n0

(Kippunkt)

(Nennpunkt)

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KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR 23

Der Motor, der vorher mit dem Moment M belastet war, bremstnun mit einem Bremsmoment. Wenn der Motor nicht bei n = 0ausgeschaltet wird, läuft der Motor weiter in der neuen Dreh-richtung des Drehfelds.

Im Bereich wird der Motor in seinem normalen Ar-beitsbereich betrieben.

Der Motorbetriebsbereich läßt sich in zwei Bereiche unterteilen:

Anlaufbereich und Betriebsbereich

Es gibt einige wichtige Punkte im Arbeitsbereich des Motors:

Ma ist das Startmoment des Motors. Es ist das Moment, das derMotor aufbaut, wenn im Stillstand Nennspannung und Nenn-frequenz angelegt werden.

Mk ist das Kippmoment des Motors. Es ist das größte Moment,das der Motor leisten kann, wenn Nennspannung undNennfrequenz anliegen.

MN ist das FF des Motors. Die Nennwerte des Motors sind diemechanischen und elektrischen Größen, für die der Motor nachder Norm IEC 34 konstruiert wurde. Diese sind auf demTypenschild des Motors angegeben und werden auch als Typen-werte und Typendaten des Motors bezeichnet. Die Nennwertedes Motors geben an, wo der optimale Betriebspunkt des Motorsbei direktem Anschluß an das Versorgungsnetz liegt.

Wirkungsgrad und Verlust Der Motor nimmt eine elektrische Leistung aus dem Versor-gungsnetz auf. Diese Leistung ist bei einer konstanten Bela-stung größer als die mechanische Leistung, die der Motor an derWelle abgeben kann. Ursache hierfür sind verschiedene Ver-luste im Motor. Das Verhältnis zwischen der abgegebenen undder aufgenommenen Leistung ist der Motorwirkungsgrad η

Der typische Wirkungsgrad eines Motors liegt zwischen 0,7 und0,9 je nach Motorgröße und Polzahl.

nk n< < 1n0 n0

n0 < < 1n0

n nk0 < < n0 n0

P2 abgegebene Leistungη = = P1 aufgenommene Leistung

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Die Verluste im Motor sind:

Kupferverluste in den ohmschen Widerständen der Stator- undRotorwicklungen.

Eisenverluste, die aus Hystereseverlusten und Wirbelstromver-lusten bestehen. Die Hystereseverluste entstehen, wenn dasEisen von einem Wechselstrom magnetisiert wird. Das Eisenmuß ständig ummagnetisiert werden, bei einer 50 Hz Versor-gungsspannung 100 mal in der Sekunde. Das erfordert Energiefür die Magnetisierung und für die Entmagnetisierung. Der Motor nimmt eine Leistung auf, um die Hystereseverlusteabzudecken. Diese steigen mit der Frequenz und der magneti-schen Induktion.

Die Wirbelstromverluste entstehen, weil die Magnetfelder elek-trische Spannungen im Eisenkern wie in jedem anderen Leiterinduzieren. Diese Spannungen verursachen Ströme, dieWärmeverluste verursachen. Die Ströme verlaufen in Kreisenum die Magnetfelder.

Durch die Aufteilung des Eisenkerns in dünne Bleche lassensich die Wirbelstromverluste deutlich verringern.

24 KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR

Abb. 1.13 Die Wirbelströme werden durch die Lamellenform desMotoreisens verringert

P2

P1

KupferverlustEisenverlustLüfterverlustReibungsverlust

Wellenleistung

Abb. 1.12 Verluste im Motor

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KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR 25

Lüfterverluste entstehen durch den Luftwiderstand des Ventila-tor des Motors.

Reibungsverluste entstehen in den Kugellagern des Rotors. Bei Bestimmung von Wirkungsgrad und der abgegebenenMotorleistung werden in der Praxis die Verluste im Motor vonder zugeführten Leistung abgezogen. Die zugeführte Leistung wird gemessen, die Verluste werdenberechnet oder experimentell bestimmt.

Magnetfeld Der Motor ist für die feste Spannung und Frequenz des Ver-sorgungsnetzes konstruiert. Die Magnetisierung des Motorswird vom Verhältnis zwischen Spannung und Frequenz be-stimmt.

Wenn das Spannungs/Frequenzverhältnis steigt, wird derMotor übermagnetisiert. Bei einem fallenden Verhältnis wird eruntermagnetisiert. Das Magnetfeld eines untermagnetisiertenMotors ist geschwächt. Das Moment, das der Motor entwickelnkann, verkleinert sich. Das kann dazu führen, daß der Motornicht anläuft oder stehen bleibt. Die Hochlaufzeit kann sich ver-längern und der Motor dabei überlastet werden.

Ein übermagnetisierter Motor wird während des normalen Be-triebs überlastet. Die Leistung für diese zusätzliche Magneti-sierung setzt sich als Wärme im Motor um und beschädigt imschlimmsten Fall die Isolation. Drehstrommotoren und beson-ders Asynchronmotoren sind sehr robust. Das Problem derFehlmagnetisierung mit daraus entstehenden Belastungsschä-den ist erst bei Dauerbetrieb zu berücksichtigen. Der Motorlauf zeigt, ob die Magnetisierungsverhältnisseschlecht sind (fallende Drehzahl bei variierender Belastung,instabiler oder stotternder Motorlauf usw.).

ErsatzsschaltbildAsynchronmotoren bestehen prinzipiell aus sechs Spulen. DreiSpulen im Stator sowie drei Spulen im Kurzschlußrotor (dermagnetisch so auftritt, als ob er aus drei Spulen besteht). Durchdie Betrachtung eines Satzes dieser Spulen ist es möglich, einelektrisches Diagramm aufzustellen und dadurch die Wir-

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kungsweise des Motors verständlich zu machen, z.B. wenn sichdie Frequenz der Versorgungsspannung ändert.

Der Strom der Statorspule wird nicht nur vom ohmschen Wider-stand der Spule begrenzt. In jeder Spule, die an eine Wechsel-spannung angeschlossen wird, entsteht ein Wechselstrom-widerstand. Dieser Widerstand wird als Reaktanz bezeichnet(XL = 2 × π ×f × L) und in Ohm [Ω] gemessen

f ist die Frequenz und 2 × π ×f bezeichnet die Kreisfrequenz ωin .

L ist die Induktanz der Spule und wird in Henry [H] gemessen.Durch die Abhängigkeit von der Frequenz wird der Effektiv-strom begrenzt.

26 KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR

L2

L3

L1

I1

B

L1

R1

X1

X1

I1L1 I2

R2

X2

I1

L1

R1

RFe Xh

I2

I2

R2/sX2

B

Abb. 1.14b Das Ersatzschaltbild des Motors (gilt für die Phase L1)

Abb. 1.14a Darstellung des Stators und Rotors

1s

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Die Spulen beeinflussen sich gegenseitig mit einer magneti-schen Induktion (B). Die Rotorspule erzeugt einen Strom in derStatorspule und umgekehrt (Abb. 1.14b). Diese gegenseitigeBeeinflussung bedeutet, daß die beiden elektrischen Kreiseüber ein gemeinsames Glied zusammengeschaltet werden kön-nen. Das gemeinsame Glied besteht aus RFe und Xh die alsGegenwiderstand und Gegenreaktanz bezeichnet werden. Siewerden von dem Strom durchflossen, den der Motor für dieMagnetisierung von Stator und Rotor aufnimmt. Der Span-nungsabfall über das »Gegenglied« wird als Induktionsspan-nung bezeichnet.

Betriebsbedingungen des MotorsEine Belastung des Motors wird bisher nicht berücksichtigt.Wenn der Motor in seinem normalen Betriebsbereich arbeitet,ist die Rotorfrequenz kleiner als die Frequenz des Drehfelds. Hierbei wird X2 um den Faktor s (Schlupf) verringert.

Im Ersatzschaltbild wird die Wirkung durch die Veränderungdes Rotorwiderstandes R2 um den Faktor beschrieben.

kann umgeschrieben werden in wobei

die mechanische Belastung des Motors angibt.

Die Größen R2 und X2 stellen den Rotor dar.

Die Größe R2 ist die Ursache für den Wärmeverlust, der in denRotorstäben entsteht, wenn der Motor belastet wird.

Im Leerlauf ist der Schlupf s klein (annähernd Null).

Das bedeutet, daß groß wird.

KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR 27

R2s

1 – sR2 + R2 × s1 – sR2 × s

1s

X1σI1R1

Xh

I2 R2X2σ

1 – s × R2sU1 Uq

Abb. 1.15 Ersatzschaltbild für einen belasteten Motor

1 – sR2 × s

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Es kann somit fast kein Strom im Rotor fließen. Ideal gesehenist dies damit gleichzusetzen, daß der Widerstand, der diemechanische Belastung darstellt, aus dem Ersatzdiagrammentfernt wird.

Bei Belastung des Motors steigt der Schlupf. Das führt dazu,daß klein wird.

Der Strom I2 im Rotor steigt also, wenn die Belastung erhöhtwird.

Das Ersatzschaltbild stimmt somit mit den Verhältnissen über-ein, die in der Praxis für den Asynchronmotor gültig sind. Eskann in vielen Fällen für die Beschreibung von Verhältnissenim Motor eingesetzt werden.

Die Induktionsspannung (Uq) wird häufig mit der Klemmen-spannung des Motors verwechselt. Ursache hierfür ist eineVereinfachung des Ersatzschaltbildes für einen besserenÜberblick über die verschiedenen Motorverhältnisse. Die In-duktionsspannung entspricht aber nur im Leerlauf annäherndder Klemmenspannung.

Wenn die Belastung steigt, wird I2 und damit I1 erhöht, und derSpannungsabfall ist zu berücksichtigen. Dies ist wichtig, spe-ziell bei einem frequenzumrichtergesteuerten Motor.

28 KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR

X1σI1R1

a)

Xh

R2X2σ

s → 0 : 1 – s × R2 → ∞s

U1 Uq

X1σI1 I2R1

Xh

R2X2σ

s → 1 : 1 – s × R2 → 0s

U1 Uq

b)

Abb. 1.16 Schema bei Leerlauf (a) und blockiertem Rotor (b)

1 – sR2 × s

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DrehzahländerungenDie Drehzahl n des Motors ist an die Drehzahl des Drehfeldsgebunden und kann wie folgt dargestellt werden:

wobei

Eine Änderung der Geschwindigkeit des Motors ist somit mög-lich durch das Ändern von:

• der Polpaarzahl p des Motors (z.B. Polumschaltbare Motoren)• dem Schlupf s des Motors (z.B. Schleifringläufer-Motoren)• der Frequenz f der Motorversorgungsspannung

Polzahländerung Die Drehzahl des Drehfeldes wird von der Polpaarzahl des Sta-tors bestimmt. Bei zweipoligem Motor ist die Drehzahl desDrehfelds 3000 Umdr/min, bei einer Motorversorgungsfrequenz

KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR 29

n0 – ns = n0

(1 – s) × fn = p

Abb. 1.17 Verschiedene Möglichkeiten für die Änderung der Dreh-zahl des Motors

M

n2 nn1

Abb. 1.18 Momentencharakteristik bei Polzahländerung

(1 – s) × fn =p

Polpaarzahl Schlupf

Rotor Statorspannung

Widerstand

Frequenz

Kaskadenschaltung

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30 KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR

von 50 Hz. Die Drehzahl des Drehfelds eines vierpoligen Motorsist 1500 Umdr/min.

Motoren können für zwei verschiedene Polpaarzahlen gebautwerden. Dies erfolgt durch das spezielle Einlegen der Stator-wicklungen in die Schlitze. Es kann wie eine Dahlander-wicklung oder als zwei getrennte Wicklungen erfolgen. Füreinen Motor mit meheren Polzahlen werden diese Wicklungs-typen kombiniert.

Die Geschwindigkeitsänderung erfolgt durch das Umschaltender Statorwicklungen, damit die Polpaarzahl im Stator geän-dert wird.

Durch Umschalten von einer kleinen Polpaarzahl (große Ge-schwindigkeit) auf die große Polpaarzahl (niedrige Geschwin-digkeit) wird die aktuelle Geschwindigkeit des Motors schlag-artig verringert z.B. (von 1500 auf 750 Umdrehungen/Min.). Beieinem schnellen Umschalten durchläuft der Motor denGeneratorbereich. Dies belastet den Motor und die Mechanikder Arbeitsmaschine erheblich.

Schlupfsteuerung Die Steuerung der Drehzahl des Motors mit dem Schlupf ist aufzwei Arten möglich, entweder durch die Änderung der Versor-gungsspannung des Stators oder durch einen Eingriff am Rotor.

Änderung der Statorspannung Die Geschwindigkeit von Asynchronmotoren kann durch dieÄnderung der Motorversorgungsspannung ohne Änderung der

M

n

Abb. 1.19 Momentencharakteristik bei Änderung der Stator-spannung und damit des Schlupfs

M

nn4 n3n2 nN

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Frequenz (zB. Softstarter) gesteuert werden. Dies ist möglich,weil das Motormoment mit dem Quadrat der Spannung fällt.

Wie die Momentencharakteristik andeutet, sind nur imBetriebsbereich (nk < n < n0) stabile Arbeitspunkte zu erreichen.Bei einem Schleifringläufermotor werden mit dieser Methodedurch das Zuschalten von Widerständen in die Rotorwicklungenauch im Anlaufbereich (0 < n < nk) stabile Arbeitspunkte erreicht.

Rotorsteuerung Es gibt zwei Möglichkeiten für einen Eingriff in den Rotor. Beider einen Methode werden ohmsche Widerstände in den Rotor-kreis geschaltet.

Bei der anderen Methode wird der Rotorkreis in Kaskaden-schaltungen mit anderen elektrischen Maschinen oder Gleich-richterkreisen verbunden.

Rotorsteuerungen sind daher nur bei Schleifringläufermotorenmöglich, da nur hier die Rotorwicklungen an den Schleifringenzugänglich sind.

Änderung der Rotorwiderstände Diese Steuerung der Geschwindigkeit des Motors erfolgt durchdas Verbinden der Schleifringe mit ohmschen Widerständen.Die Drehzahl des Motors wird durch die Vergrößerung derLeistungsverluste im Rotor geändert. Bei der Vergrößerung desLeistungsverlusts im Motor steigt der Schlupf und die Motor-drehzahl wird vermindert.

Wenn Widerstände in den Rotorkreis geschaltet werden, ändertsich die Momentencharakteristik des Motors.

KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR 31

n

M

Abb. 1.20 Momentencharakteristik bei Änderung der Rotorwider-stände und damit des Schlupfes

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Wie die Abbildung 1.20 zeigt, behält das Kippmoment seineGröße. Bei verschiedenen Einstellungen treten unterschied-liche Drehzahlen bei der gleichen Belastung auf. Eine einge-stellte Drehzahl ist damit belastungsabhängig. Sinkt dieBelastung vom Motor, steigt die Drehzahl annähernd auf dieSynchrondrehzahl. Die ohmschen Widerstände sind meist vari-abel und müssen thermisch den Betriebsverhältnissen ent-sprechen.

Kaskadenschaltungen Anstelle von ohmschen Widerständen wird der Rotorkreis überdie Schleifringe mit Gleichstrommaschinen oder gesteuertenGleichrichterkreisen verbunden.

Gleichstrommaschinen geben dem Rotorkreis des Motors einezusätzliche regulierbare Spannung. Eine Beeinflussung derDrehzahl und Magnetisierung des Rotors ist somit möglich.Diese Steuerung der Geschwindigkeit von Motoren fand haupt-sächlich bei der Versorgung von elektrischen EisenbahnnetzenAnwendung.

Gesteuerte Gleichrichterschaltungen können anstelle vonGleichstrommaschinen eingesetzt werden. Der Anwendungs-bereich wird dann auf Anlagen mit Pumpen, Ventilatoren usw.begrenzt.

FrequenzänderungMit einer variablen Versorgungsfrequenz kann eine verlustfreieSteuerung der Drehzahl des Motors erreicht werden. Bei Ände-rung der Frequenz ändert sich die Drehzahl des Drehfelds.

32 KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR

Μ3∼

Abb. 1.21 Typische Kaskadenschaltung

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KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR 33

Die Drehzahl des Motors ändert sich proportional mit demDrehfeld. Damit das Motormoment erhalten bleibt, muß die Motorspan-nung zusammen mit der Frequenz geändert werden.

Bei einer gegebenen Belastung gilt:

Bei einem konstanten Verhältnis zwischen der Motorversor-gungsspannung und Frequenz ist die Magnetisierung im Nenn-betriebsbereich des Motors auch konstant.

In zwei Fällen ist die Magnetisierung jedoch nicht optimal; beiStart und ganz niedrigen Frequenzen, wo eine zusätzliche Mag-netisierung erforderlich ist und bei Betrieb mit varierenderBelastung, wo eine Variation der Magnetisierung entsprechendder Belastung möglich sein muß.

Zusätzliche Startmagnetisierung Es ist wichtig den Spannungsabfall Us in Zusammenhang mitInduktionsspannungs Uq zu betrachten.

P × 9550 η × √ 3 × U × I × cos ϕ × 9550 UM = = = k × × Ιn 60 ff × pUM ∼ × Ιf

M

100 V/12,5 Hz

200 V/25 Hz

300 V/37,5 H

z

400 V/50 Hz

25% 50% 75% 100% nAbb. 1.22 Momentencharakteristik bei Spannungs/Frequenz-

steuerung

I1

Us

I’2R’2X’2X1

U1 Uq

R1

Xh 1 – s × R2s

Abb. 1.23 Ersatzschaltbild des Motors

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Klemmspannung: U1 = Us + Uq = UR1 + UX1 + Uq

Statorreaktanz: X1 = 2 × π × f × L

Der Motor ist für seine Nennwerte gebaut. Die Magnetisie-rungsspannung Uq kann beispielsweise 370 V für einen Motorsein, bei U1 = 400 V und f = 50 Hz. Hier hat der Motor seine opti-male Magnetisierung.

Das Spannungs-Frequenzverhältnis ist

Bei einer Absenkung der Frequenz auf 2,5 Hz beträgt die Span-nung 20 V. Durch die niedrigere Frequenz wird die Statorreak-tanz X1 kleiner. Der Spannungsabfall hat keinen Einfluß aufden gesamten Spannungsabfall im Stator. Der Spannungsabfallwird nun allein von R1 bestimmt. Das entspricht in etwa denNennwerten, ca. 20 V, da der Motorstrom von der Belastungbestimmt wird.

Die Klemmspannung entspricht jetzt dem Spannungsabfallüber dem Statorwiderstand R1. Es gibt keine Spannung für dieMagnetisierung des Motors. Der Motor kann kein Moment beiniedrigen Frequenzen abgeben, wenn das Spannungs-Frequenzverhältnis im ganzen Bereich konstant gehalten wird.Es ist daher erforderlich, den Spannungsabfall beim Start undbei niedrigen Frequenzen zu kompensieren.

Belastungsabhängige Magnetisierung Nach Anpassung des Motors mit der zusätzlichen Startmagne-tisierung bei niedrigen Frequenzen entsteht aber bei Betriebmit schwacher Belastung eine Übermagnetisierung. In dieserSituation fällt der Statorstrom I1 und die InduktionsspannungUq steigt an.

Der Motor nimmt einen zu großen Blindstrom auf und wirdunnötig heiß. Die Magnetisierung ist somit davon abhängig,daß sich die Spannung zum Motor automatisch in Abhängigkeitzur Motorbelastung ändert.

Die optimale Magnetisierung des Motors erfolgt unter Berück-sichtigung der Frequenz und der variierenden Belastung.

34 KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR

400 [V]= 850 [Hz]

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KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR 35

Motordaten Der Motor hat ein Typenschild, das fest mit dem Motor verbun-den ist. Das Typenschild beinhaltet alle wesentlichen Daten desMotors.Weitere Daten sind im Motorkatalog zu finden.

Beispiel Das Motorschild für einen zweipoligen 15 kW-Motor kann fol-gende Daten enthalten:

1. Der Motor hat drei Phasen und ist für ein Versorgungsnetzmit einer Frequenz von 50 Hz vorgesehen.

2. Die Nennleistung des Motors ist 15 kW, d.h. der Motorkann eine Wellenleistung von mindestens 15 kW liefern,wenn er an ein Versorgungsnetz wie angegeben ange-schlossen wird. Die Nennleistung der Asynchronmotorenist in einer Standardreihe festgehalten. Damit kann derVerbraucher beliebig zwischen den verschiedenen Motor-fabrikaten für bestimmte Anwendungen wählen. Die Stan-dardreihe hat z.B. folgende Leistungsstufen:

Tabelle 1.02 Leistungsreihe der Motoren

Pferdestärke (PS) ist eine alte Einheit für die von Motorenabgegebene Leistung. Sollte diese Einheit auftauchen, istein Umrechnen möglich: 1 PS = 0,736 kW.

123

8764

5

Abb. 1.24 Das Typenschild des Motors beinhaltet viele Daten

kW 0,06 0,09 0,12 0,18 0,25 0,37 0,55 0,75 1,10 1,50 2,20 3,00

kW 4,00 5,50 7,50 11,0 15,0 18,5 22,0 30,0 37,0 45,0 55,0 75,0

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36 KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR

3-4. Die Statorwicklungen können in »Stern« oder »Dreieck«geschaltet werden. Bei einer Anschlußspannung von 400 V müssen dieWicklungen in »Stern« geschaltet werden. Der Motorstrombeträgt dann je Phase 27,5 A. Bei einer Anschlußspannung von 230 V müssen dieWicklungen in »Dreieck« geschaltet werden. Der Motor-strom beträgt dann 48,7 A je Phase. Im Startaugenblick, wenn der Strom 4-10 mal größer alsder Nennstrom ist, kann das Leitungsnetz überbelastetwerden. Dies hat dazu geführt, daß die VersorgungsunternehmenVorschriften herausgegeben haben, den Startstrom fürgrößere Motoren zu reduzieren. Eine Verringerung des Startstroms ist beispielsweisedadurch möglich, daß der Motor in Sternschaltung ange-fahren und danach in die Dreieckschaltung umgeschaltetwird.

Leistung und Moment werden auf 1⁄3 verringert. Der Motorkann daher nicht bei voller Belastung anlaufen. Ein für die Dreieckschaltung vorgesehen Motor wird über-lastet, wenn bei Vollastbetrieb eine Umschaltung aufDreieckbetrieb nicht erfolgt.

M/Mn

M

U U

U

M

3

2

1

0,5

I

I

I

n/nN

I/In

3I

√3

I

√3U

Abb. 1.25 Moment und Strom des Motors bei Stern(Y)- undDreieck(∆)-schaltung

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KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR 37

5. Die Schutzart des Motors gibt an, wie groß der Schutzgegen das Eindringen von Flüssigkeiten und Fremdkörperist. Abb. 1.26 zeigt die Bezeichnungen aus der internationalenNorm IEC Publikation 34-5. Die Schutzart (Kapselung) wird mit zwei Buchstaben IP(International Protection) und zwei Kennziffern für denBerührungs- und Fremdkörperschutz (erste Ziffer) sowieden Wasserschutz (zweite Ziffer) angegeben. Bei Bedarfkönnen noch weitere Buchstaben (zusätzliche) und/oderergänzende Buchstaben) angehängt werden. Die grund-sätzliche Darstellung des IP-Codes ist damit

IP 2 3 C S

Code-Buchstaben

erste Kennziffer (von 0-6 reichend)Berührungs- und Fremdkörperschutz

zweite Kennziffer (von 0-8 reichend)Wasserschutz

zusätzlicher Buchstabe A, B, C, D(fakultativ)

ergänzender Buchstabe H, M, S, W(fakultativ)

Zum Aufbau und zur Anwendung des IP-Kurzzeichens istfolgendes zu bemerken• Wenn eine Kennziffer nicht angegeben werden muß,

ist sie durch den Buchstaben »X« zu ersetzen.• Zusätzliche und/oder ergänzende Buchstaben dürfen

ersatzlos entfallen.• Wenn mehr als ein ergänzender Buchstabe notwendig

ist, ist die alphabetische Reihenfolge einzuhalten.

Der Schutzumfang der verschiedenen Schutzarten ist inAbb. 1.26 in Kurzform dargestellt.

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38 KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR

Der zusätzliche (fakultative) Buchstabe hat eine Bedeu-tung für den Schutz von Personen und trifft eine Aussageüber den Schutz gegen den Zugang zu gefährlichen Teilenmit:• Handrücken Buchstabe A• Finger Buchstabe B• Werkzeug Buchstabe C• Draht Buchstabe D

Der ergänzende (fakultative) Buchstabe hat eine Bedeu-tung für den Schutz des Betriebsmittels und gibt ergänzen-de Informationen speziell für• Hochspannungsgeräte Buchstabe H• Wasserprüfung während des Betriebs Buchstabe M• Wasserprüfung bei Stillstand Buchstabe S• Wetterbedingungen Buchstabe W

Bei Betriebsmitteln, die staubgeschützt sind (erste Kenn-ziffer 5), ist das Eindringen von Staub nicht vollständig ver-hindert; Staub darf nur in begrenzten Mengen eindringen,so daß ein zufriedenstellender Betrieb des Geräts gewähr-leistet ist und die Sicherheit nicht beeinträchtigt wird.

Kenn- erste Ziffer zweite Zifferziffer

Berührungsschutz Fremdkörperschutz Wasserschutz0 kein Schutz kein Schutz kein Schutz1 Schutz gegen Berüh- Schutz gegen feste Schutz gegen senk-

rung mit Handrücken Fremdkörper 50 mm recht tropfendesDurchmesser Wasser

2 Schutz gegen Berüh- Schutz gegen feste Schutz gegen schrägrung mit Fingern Fremdkörper 12,5 mm (15°) tropfendes

Durchmesser Wasser3 Schutz gegen Berüh- Schutz gegen feste Schutz gegen Sprüh-

rung mit Werkzeugen Fremdkörper 2,5 mm wasser schräg bis Durchmesser 60°

4 Schutz gegen Berüh- Schutz gegen feste Schutz gegen Spritz-rung mit einem Draht Fremdkörper 1,0 mm wasser aus allen

Durchmesser Richtungen5 Schutz gegen Berüh- staubgeschutz Schutz gegen Strahl-

rung mit einem Draht wasser 6 Schutz gegen Berüh- staubdicht Schutz gegen starkes

rung mit einem Draht Strahlwasser7 – – Schutz gegen zeit-

weiliges Unter-tauchen in Wasser

8 – – Schutz gegen dauerndes Unter-tauchen in Wasser

Abb. 1.26 Angabe der Schutzart der Motoren nach IEC 34-5

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KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR 39

Beim Wasserschutz bis zur Kennziffer 6 bedeutet die Be-zeichnung, daß auch die Anforderung für alle niedrigerenKennziffern erfüllt sind. Ein Betriebsmittel mit der Kenn-zeichnung IPX7 (zeitweiliges Eintauchen) oder IPX8 (dau-erndes Untertauchen) muß nicht zwangsläufig auch dieForderungen an den Schutz gegen Strahlwasser IPX5 oderstarkes Strahlwasser IPX6 erfüllen. Sollen beide Forde-rungen erfüllt werden, so muß das Betriebsmittel mit derDopppelkennzeichnung beider Anforderungen versehensein z.B. IPX5/IPX7.

Beispiel: IP 65 gibt an, daß der Motor berührungssicher,staubdicht und strahlwasserdicht ist.

6. Der Nennstrom IS, den ein Motor aufnimmt, ist alsScheinstrom bezeichnet und kann in zwei Ströme aufgete-ilt werden: einen Wirkstrom IW und einen Blindstrom IB.Cos ϕ gibt an, wie hoch der Anteil des Wirkstroms amMotorstrom in Nennbetrieb ist. Der Wirkstrom wird in Wellenleistung umgesetzt, währendder Blindstrom die Leistung angibt, die für den Aufbau desMagnetfelds im Motor erforderlich ist. Wenn das Magnet-feld später abgebaut wird, wird die Magnetisierungslei-stung an das Versorgungsnetz zurückgeliefert. Das Wort »blind« deutet an, daß der Strom in den Leitun-gen hin- und herwandert, ohne einen Betrag zur Wellenlei-stung zu leisten.

Der Scheinstrom, den der Motor aus dem Netz aufnimmt,wird nicht durch einfaches Zusammenlegen des Wirk-stroms und des Blindstroms bestimmt, weil die beidenStröme zeitmäßig verschoben sind. Die Größe dieser Ver-schiebung ist von der Frequenz des Versorgungsnetzesabhängig. Bei einer Frequenz von 50 Hz ist die Verschie-bung zwischen den Strömen 5 Millisekunden. Eine geome-trische Addition ist daher notwendig:

Die Ströme können als Seiten in einem rechteckigen Drei-eck betrachtet werden. Hier ist die lange Seite gleich derQuadratwurzel der Summe der Quadrate der kurzen Sei-ten (nach Pythagoras).

IS = √ I2W + I2

B

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ϕ ist der Winkel zwischen dem Scheinstrom und demWirkstrom. Cos ϕ ist das Verhältnis zwischen der Größe der beidenStröme:

Cos ϕ kann auch als Verhältnis zwischen der WirkleistungP und der Scheinleistung S dargestellt werden:

Das Wort Scheinleistung bedeutet, daß nur ein Teil desScheinstroms Leistung erbringt, und zwar der Teil IW, derWirkstrom.

7. Die Nenndrehzahl des Motors ist die Drehzahl des Motorsbei Nennspannung, Nennfrequenz und Nennbelastung.

8. Elektromotoren sind für verschiedene Kühlformen gebaut. Normalerweise wird die Kühlform nach der internationa-len Norm IEC Publikation 34-6 angegeben. Abb. 1.28 zeigtdie Bezeichnungen dieser Norm, IC steht für InternationalCooling.

40 KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR

IC01EigenbelüftungDas Innere des Motorswird direkt durch dieumgebende Luft gekühlt

IC06FremdbelüftungMotor für getrennteKühlluftzufuhr

IC17FremdbelüftungMotor mit angebautemGebläse für die Kühl-luftzufuhr

IC37FremdbelüftungMotor für getrenntenKühlluftabgang undgetrennte Kühlluftzufuhr

Abb. 1.28 Angabe der Kühlform der Motoren nach IEC 34-6

ϕ

IS

IW

IB

Abb. 1.27 Zusammenhänge zwischen dem Schein-, Blind- undWirkstrom

IWcos ϕ = IS

Pcos ϕ = S

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Die Auswahl des Motors ist sowohl auf die Anwendung als, auchauf den Montageort abzustimmen.

Die internationale Norm IEC 34-7 gibt die Bauform des Motorsmit zwei Buchstaben IM (International Mounting) und vierZahlen an.

Abb. 1.29 zeigt einige der gebräuchlichsten Formgebungen. Mit den Daten des Typenschilds vom Motor können weitereMotordaten berechnet werden.

Nennmoment des Motors aus folgender Formel

KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR 41

P × 9550 15 × 9550M = = = 49 Nmn 2910

Maschinen mit Lagerschilden, waagerechte Anordnung

Bauform Erklärung

Kurzzeichen nachBild DIN 42 950 DIN IEC 34 Teil 7 Lager Ständer Allgemeine Befestigung

Code I Code II (Gehäuse) Ausführung oder Aufstellung

B 3 IM B 3 IM 1001 2 Lager- mit Füßen – Aufstellungschilde auf Unterbau

B 3/B 5 IM B 35 IM 2001 2 Lager- mit Füßen Befestigungs- Aufstellungschilde flansch auf Unterbau

mit zusätz-lichem Flansch

B 3/B 14 IM B 34 IM 2101 2 Lager- mit Füßen Befestigungs- Aufstellungschilde flansch auf Unterbau

mit zusätz-lichem Flansch

B 5 IM B 5 IM 3001 2 Lager- ohne Füße Befestigungs- Flansch-schilde flansch anbau

B 6 IM B 6 IM 1051 2 Lager- mit Füßen Bauform B 3, Befestigung schilde nötigenfalls an der Wand

Lagerschilde Füße aufum 90° Antriebseitegedreht gesehen links

Abb. 1.29 Angabe der Montageform des Motors nach IEC 34-7

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42 KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR

Der Wirkungsgrad η des Motors kann als Verhältnis zwischenNennwirkleistung und der zugeführten elektrischen Leistungbestimmt werden.

Der Schlupf des Motors kann berechnet werden, da das Typen-schild Nenndrehzahl und Frequenz angibt. Die beiden Datensagen aus, daß der Motor zweipolig ist. Ein zweipoliger Motorhat eine synchrone Drehzahl von 3000 Umdr/min.

Der Schlupfdrehzahl (ns) ist somit 3000 – 2910 = 90 Umdr/min.

Der Schlupf wird in der Regel in % angegeben,

Der Motorkatalog enthält selbstverständlich einen Teil derDaten des Typenschilds. Außerdem sind hier weitere Angabenzu finden:

Aus dem Typenschild gehen Wellenleistung, Drehzahl, cos ϕund Motorstrom hervor. Wirkungsgrad und Moment könnennach dem Typenschild berechnet werden.

Der Motorkatalog sagt weiterhin aus, daß der Anlaufstrom des15 kW Motors Ia = 6,2mal so groß wie der Nennstrom IN ist. Ia = 29 × 6,2 = 180 A.

P 15000 η = = = 0,87√ 3 × U × I × cos ϕ √ 3 × 380 × 29 × 0,9

ns 90s = = = 0,03 = 3%n0 3000

Bei Nennbetrieb

Typ Lei- Dreh- Wir- cos ϕ Strom Ia M Ma Mmax Trägheits- Ge-stung zahl kungs bei I M M moment wicht

grad 380 VkW min–1 % A Nm kgm2 kg

160 MA 11 2900 86 0.87 25 6.2 36 2.3 2.6 0.055 76

160 M 15 2910 88 0.90 29 6.2 49 1.8 2.0 0.055 85

160 L 18.5 2930 88 0.90 33 6.2 60 2.8 3.0 0.056 96

Abb. 1.30 Im Motorkatalog stehen weitere Daten

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Das Anlaufmoment (Ma) des Motors wird mit 1,8mal dem Nenn-moment angegeben Ma = 1,8 × 49 = 88 Nm. Dieses Anlaufm-oment erfordert den Anlaufstrom von 180 A. Das maximaleMoment des Motors, das Kippmoment (MK), wird zweimal sogroß wie das Nennmoment angegeben: Mk = 2 × 49 = 98 Nm.

Letztlich werden Trägheitsmoment und Gewicht des Motorsangegeben. Das Trägheitsmoment wird für Beschleunigungs-berechnungen verwendet und das Gewicht kann Bedeutung beiTransport und Montage haben.

Einige Motorenhersteller veröffentlichen nicht das Trägheits-moment sondern das Schwungmoment GD2. Diese Größe läßtsich jedoch umrechnen.

g ist die Erdbeschleunigung Die Einheit für das Schwungmoment GD2 ist [Nm2]Die Einheit für das Trägheitsmoment J ist [kgm2]

KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR 43

M [Nm]

88

98

49

nN = 2910 n [min–1]

Abb. 1.31 Drehmoment und Strom des Motors

IM

IA = 180

[A]

29

n [min–1]nN = 2910

GD2J = 4 × g

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44 KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR

Belastungscharakteristiken Der Zustand ist stationär, wenn das vom Motor geleisteteMoment und das Belastungsmoment gleich groß sind. In diesemZustand sind Moment und Drehzahl konstant.

Die Kennlinien für Motor und Arbeitsmaschine werden alsZusammenhang zwischen Drehzahl und Moment oder Leistungangegeben. Die Momentencharakteristik wurde bereits er-wähnt. Die Kennlinien der Arbeitsmaschinen lassen sich in vierGruppen unterteilen.

Die Gruppe (1) besteht aus Arbeitsmaschinen für das Aufrollenvon Material mit konstanter Zugkraft. Zu dieser Gruppegehören auch spanabhebende Maschinen, beispielsweise fürden Zuschnitt von Furnier aus Holzstämmen.

Abb. 1.32 Typische Belastungscharakteristiken

M

n

M (n)~n–1

V

r

P

n

M

n

M (n) = k

V

r

nP

n

m1m2

M

n

M (n)~n

V

n

n

P

n

M

n

M (n)~n2n

P

n

1

2

3

4

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KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR 45

Die Gruppe (2) besteht aus verschiedenen Maschinen. Das sindFörderbänder, unterschiedliche Kräne, Verdrängungspumpenund Werkzeugmaschinen.

Die Gruppe (3) setzt sich zusammen aus Maschinen wie Walzen,Glättmaschinen und andere Maschinen für die Werkstoffbear-beitung.

Die Gruppe (4) umfaßt Maschinen, die mit Zentrifugalkräftenarbeiten. Das sind z.B. Zentrifugen, Kreiselpumpen und Venti-latoren.

Der stationäre Zustand entsteht, wenn das Moment von Motorund Arbeitsmaschine gleich groß sind (Abb. 1.33). Die Kenn-linien schneiden sich im Punkt B.

Bei der Bemessung eines Motors für eine gegebene Arbeitsma-schine sollte der Schnittpunkt so nah wie möglich am Punkt Nfür die Nenndaten des Motors liegen. Hier wird der Motor ambesten genutzt.

Es ist wesentlich, daß im ganzen Bereich vom Stillstand bis zumSchnittpunkt ein Überschußmoment vorhanden ist. Wenn diesnicht der Fall ist, wird der Betrieb instabil und der stationäreZustand kann sich bei einer zu niedrigen Drehzahl einstellen.Dies u.a., weil das Überschußmoment für die Beschleunigungbenötigt wird.

Speziell für Arbeitsmaschinen der Gruppen 1 und 2 ist es not-wendig, diesen Startzustand zu beachten. Diese Belastungs-typen können ein Losbrechmoment in der gleichen Größe wiedas Anlaufmoment des Motors haben. Wenn das Losbrech-

M

B

N

n

Abb. 1.33 Der Motor benötigt ein Überschußmoment für die Beschleunigung

Überschußmoment

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moment der Belastung größer als das Anlaufmoment desMotors ist, kann der Motor nicht starten.

46 KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR

M

100%

n

Abb. 1.34 Der Anlaufzustand kann ein besonders hohes Momenterfordern

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SynchronmotorDer Statoraufbau von Synchron- und Asynchronmotoren sindgleich. Der Rotor des Synchronmotors (auch Polrad genannt)kann nach zwei verschiedenen Arten gebaut sein. Der Rotor hatausgeprägte magnetische Pole. Die Magnete können permanen-te Magnete (für kleinere Motoren) oder Elektromagnete sein.Der Rotor hat zwei oder mehrere Polpaare und ist somit auchfür Motoren mit niedrigen Drehzahlen einsetzbar. Der Syn-chronmotor kann am Netz nicht selbst anlaufen. Gründe dafürsind die Trägheit des Rotors und die große Geschwindigkeit desDrehfeldes. Der Rotor muß daher auf eine Geschwindigkeitentsprechend der des Drehfeldes gebracht werden.

Dies ist z.B. mit einem Anwurfmotor oder Frequenzumrichtermöglich. Kleine Motoren werden gewöhnlich mit Anlaßwick-lung (Dämpferwicklung) in Gang gesetzt. Der Motor verhältsich in diesem Fall wie einer Kurzschlußläufermotor.

Nach dem Anlaufen dreht sich der Motor synchron zu demDrehfeld. Wird er belastet, nimmt der Abstand der Pole desLäufers von den Polen des Drehfeldes zu. Der Läufer bleibt umden Lastwinkel (ν) hinter dem Drehfeld und damit hinter derLeerlaufstellung des Läufers zurück (Abb. 1.38).

Sychronmotoren haben eine konstante, von der Belastung un-abhängige Drehzahl. Der Motor ist nicht höher belastbar als dieAnzugskraft zwischen Rotor und Magnetfeld verkraften kann.

KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR 47

1

23

4

5

Abb. 1.35 (Läufer des Synchronmotors: permanenter Magnet)

1. Nutzfluß2. Staufluß3. Dauermagnet4. Distanzblech (unmagnetisch)5. Anlaufkäfig

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Überschreitet die Belastung diese Anzugskraft, so wird der Syn-chronismus unterbrochen und der Motor bleibt stehen.

Synchronmotoren werden z.B. für den Parallelbetrieb einge-setzt, wenn mehrere mechanisch unabhängige Anlagen syn-chron betrieben werden sollen.

48 KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR

N

I1

I2

Φ 1

Φ 1

Φ 2

S

0˚ 90˚ 180˚

M

MKb)

N

S

N

S

Abb. 1.36 Rotor mit ausgeprägten Polen und die Momenten-charakteristik

Abb. 1.37 Lastwinkel und Drehmoment geg. Läuferwinkel

Wicklung

Lastwinkel (ν)

Drehrichtung

StänderfeldVolleSpannung

HalbeSpannung

Polradwinkel

Querschnitt

Magnet Ständer

Läufer

MN

MK

M

0 nd n

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ReluktanzmotorDrehstrom-Reluktanzmotoren sind Drehfeldmotoren, die wienormale Drehstrom-Asynchronmotoren mit Käfigläufer hoch-laufen, anschließend in den Synchronismus gezogen werdenund dann als Synchronmotoren weiterlaufen. Da Reluktanz-motoren wie Käfigläufermotoren im Läufer eine einfache Kä-figswicklung haben, sind sie robust, betriebssicher, wartungs-,funkstörfrei und relativ billig in der Anschaffung. Von Nachteilsind der hohe induktive Blindleistungsbedarf und der ungün-stige wirkungsgrad. Deshalb haben Reluktanzmotoren eineWirtschaftliche Bedeutung nur bis zu einer Leistung von etwa15 kW.

AufbauDer Ständer eines Drehstrom-Reluktanzmotors unterscheidetsich nicht von dem eines normalen Drehstrom-Asynchronmo-tors mit Käfigläufer. Auch im Läufer ist eine einfache Käfig-wicklung untergebracht. Jedoch hat der Läufer eines Reluk-tanzmotors im Gegensatz zum normalen Käfigläuferausgeprägte Pole, deren Anzahl mit der Ständerpolzahl über-einstimmt. Die Pole entstehen durch Ausfräsen von Pollückenam Umfang des Läuferblechpakets oder entsprechende Gestal-tung des Blechschnitts (s. Abb. 1.38a).

Durch die Pollücken, die auch mit dem Werkstoff des Läufer-käfigs ausgefüllt sein können ergibt sich am Läuferumfang einveränderlicher magnetischer Widerstand (Reluktanz), der im

KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR 49

p = 2

Abb. 1.38a Reluktanzläufer

Querschnitt Läufer

»Lücke«

»Pol«

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Bereich der Pole am geringsten und im Bereich der Pollückenam größten ist.

Reluktanzmotoren entwickeln bei Anschluß an das Drehstrom-netz wie normale Käfigläufermotoren ein Drehmoment und lau-fen bis in die Nähe der Synchrondrehzahl hoch, sofern dasMotormoment während des gesamten Hochlaufvorgangs größerist als das Gegenmoment. Der Anlaufstrom ist meist etwasgrößer und das Anlaufmoment etwas geringer als bei ver-gleichbaren Käfigläufermotoren, da im Bereich der Pollückenein vergrößerter Luftspalt vorhanden ist. Hat der Läufer etwadie Geschwindigkeit des Drehfeldes erreicht, entsteht aufgrundder magnetischen Kopplung von Ständerdrehfeld und Läufer-polen ein Synchronisiermoment (Reaktionsmoment), das denLäufer in den Synchronismus zieht. Nach diesem Synchronisie-rungsvorgang läuft der Motor trotz fehlender Läufererregungmit synchroner Drehzahl.

Die Wirkungsweise eines synchronisierten Reluktanzmotorsentspricht etwa der eines Synchronmotors. Der Läufer drehtsich synchron mit der Geschwindigkeit des Ständerdrehfeldes.In ähnlicher Weise wie die Pole des umlaufenden Ständerdreh-feldes auf die Läuferpole einwirken, versucht beim Reluktanz-motor der magnetische Fluß des Ständerdrehfeldes den Läuferim Bereich der ausgeprägten Pole zu durchsetzen. Der kleineLuftspalt an diesen Stellen hat einen kleineren magnetischenWiderstand zur Folge als im Bereich der Pollücken. Das Bestre-

50 KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR

MA

MK Ms

Mks

Mn

M/Mn

00 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,0

3

2

1

nl/nf

Nennmoment

Synchro-nisierung

Außertrittfallen

Übe

r-la

stun

gE

ntla

stun

g

Anlauf

Abb. 1.38b Momentkurve eines Reluktanzmotors

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ben des magnetischen Flusses, nicht den größeren magneti-schen Widerstand im Bereich der Pollücken überwinden zumüssen, führt zur Entstehung eines synchronen Drehmomentsund zur Beibehaltung der synchronen Drehzahl bei Belastung.Wegen der fehlenden Gleichstromerregung im Läufer ist dassynchrone Drehmoment eines Reluktanzmotors wesentlichgeringer als das eines vergleichbaren Synchronmotors.

Nach erfolgter Synchronisierung zeigen Reluktanzmotoren einähnliches Betriebsverhalten wie normale Synchronmotoren.Der Läufer dreht sich mit der Geschwindigkeit des Ständer-drehfeldes, die von der Netzfrequenz und der Polpaarzahlabhängig ist. Bei Belastung bleiben die ausgeprägten Läufer-pole um dem Lastwinkel hinter dem Ständerdrehfeld zurück.Wird der Motor mit einem Drehmoment belastet, das größer istals sein synchrones Kippmoment, so fällt er außer Tritt undläuft wie ein Asynchronmotor mit einer belastungsabhängigenDrehzahl weiter (Abb. 1.38b). Das Synchronisieren erfolgterneut selbständig, sobald das Belastungsmoment das Synchro-nisiermoment unterschreitet. Wird der Motor jedoch mit einemDrehmoment belastet, das größer ist als sein asynchrones Kipp-moment, so kommt der Läufer zum Stillstand.

Aufgrund des vergrößerten Luftspalts im Bereich der Pollückenam Läuferumfang, haben Reluktanzmotoren eine verhältnis-mäßig große Streuung, die zu einem großen induktiven Blind-leistungsbedarf und einem entsprechenden anteil führt. Dieshat einen ungünstigen Leistungsfaktor zur Folge, der bei Nenn-betrieb etwa 0,4 bis 0,5 betragen kann. Bei der Projektierungvon Antrieben mit Reluktanzmotoren muß dieser Blindlei-stungsbedarf beachtet werden.

Drehstrom-Reluktanzmotoren werden hauptsächlich dort ein-gesetzt, wo eine Arbeitsmaschine an verschiedenen Stellen mitgenau der gleichen Drehzahl angetrieben werden soll und dieVerwendung eines einzigen Motors mit mechanischer Über-tragung des Drehmoments an die einzelnen Antriebsstellen zuumständlich oder teuer wäre.

Anwendungsbeispiele dafür sind der Antrieb von Spinnerei-maschinen, Pumpen und Förderanlagen.

KAPITEL 1: DREHSTROMMOTOR 51

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KAPITEL 0: EINLEITUNG 7

0. EinleitungEin statischer Frequenzumrichter ist ein leistungselektro-nisches Gerät, das die Drehzahl von Drehstrommotoren durchdie Umformung der festen Netzspannung und Frequenz in vari-able Größen stufenlos steuert. Es war ein langer Weg zurückzu-legen, von den ersten mit Thyristoren bestückten Frequenzum-richtern, zu den mikroprozessorgesteuerten, digitalen Gerätenvon heute.

Die Industrie benötigt durch den immer höheren Grad derAutomatisation mehr Automatik und ständig höhere Produk-tionsgeschwindigkeiten. Laufend werden bessere Methoden fürnoch effektivere Produktionsanlagen entwickelt. Elektromo-toren sind ein wichtiges Standardelement in diesen Anlagen.Konstruktiv sind diese Motoren für eine feste Drehzahl aus-gelegt und seit vielen Jahren wird an der optimalen Steuerungder Motordrehzahl gearbeitet. Es gibt verschiedene Methodenfür die stufenlose Änderung der festen Drehzahl von Dreh-strommotoren, wobei teilweise mit Leistungsverlusten odergrößeren Investitionen gerechnet werden muß.

Abb. 0.01

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8 KAPITEL 0: EINLEITUNG

Erst mit dem statischen Frequenzumrichter, der nach verschie-denen Prinzipien konstruiert sein kann, lassen sich Dreh-strommotoren mit variabler, stufenloser Geschwindigkeit sehreffizient einsetzen. Die heute überwiegend in der Industrie eingesetzten statischenFrequenzumrichter zur Steuerung oder Regelung der Drehzahlvon Drehstrommotoren sind hauptsächlich nach zwei verschie-denen Prinzipien konstruiert (s. Abb. 0.02):• der Frequenzumrichter ohne Zwischenkreis (auch Direkt-

Umrichter genannt) und• der Frequenzumrichter mit variablem oder konstantem Zwi-

schenkreis.

Bei den Frequenzumrichtern mit Zwischenkreis gibt es entwe-der einen Gleichstrom- oder einen Gleichspannungszwischen-kreis. Diese werden stromgeführter Frequenzumrichter oderspannungsgeführter Frequenzumrichter genannt.

Der Zwischenkreis-Umrichter hat einige Vorteile gegenüberdem Direkt-Umrichter z.B.:• das bessere Blindleistungsverhalten• die Entkopplung der Oberschwingungen und• die Freizügigkeit in der Ausgangsfrequenz. Diese wird nur

durch die Steuerung und die Eigenschaften der Bauelemen-te begrenzt. Frequenzumrichter für hohe Ausgangsfre-quenzen sind daher stets Zwischenkreisumrichter.

Frequenzumrichter

Frequenzumrichterohne Zwischenkreis

GleichstromZwischenkreis

Frequenzumrichtermit Zwischenkreis

Variablen Konstanten

GleichspannungZwischenkreis

GleichspannungZwischenkreis

Stromgeführter Spannungsgeführter SpannungsgeführterFrequenzumrichter Frequenzumrichter Frequenzumrichter

I-Umrichter U-Umrichter U-Umrichter

Abb. 0.02 Umrichterverfahren

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Von dem Gesamtaufwand her gesehen, ist der Direkt-Um-richter etwas vorteilhafter als der Zwischenkreis-Umrichter.Nachteilig ist z.B. die schlechtere Oberschwingungs-Entkopp-lung.

Der größte Teil dieser Frequenzumrichter arbeitet mit einemGleichspannungszwischenkreis. Daher widmet sich diesesBuch schwerpunktmäßig dieser Gruppe.

KAPITEL 0: EINLEITUNG 9

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Vorteile der stufenlosenGeschwindigkeitsänderung

Der frequenzumrichtergesteuerte Drehstrommotor ist heuteein Standard Bauelement in allen automatisierten Anlagen.Neben der Ausnutzung der guten Eigenschaften des Dreh-strommotors ist die stufenlose Steuerung der Geschwindigkeitoftmals anlagenbedingt eine Grundvoraussetzung, sie bietetdarüber hinaus aber eine Reihe von weiteren Vorteilen.

EnergieeinsparungEnergie wird dann gespart, wenn der Motor mit einer Drehzahlentsprechend dem augenblicklichen Bedarf läuft. Dies giltspeziell für Kreiselpumpen- und Lüfterantriebe. Hier geht derEnergieverbrauch mit der Drehzahl in der 3. Potenz zurück. EinAntrieb der mit halber Drehzahl läuft, wird dementsprechendnur 12,5% seiner Nennleistung aufnehmen.

ProzeßoptimierungDie Anpassung der Geschwindigkeit an den Produktionsprozeßergibt mehrere Vorteile. Die Produktion kann gesteigert wer-den, während Materialverbrauch und Verschleiß zurückgehenund die Ausschußquote gesenkt werden kann.

Schonender MaschinenbetriebDie Zahl der Start- und Stoppvorgänge mit voller Drehzahlän-derung kann drastisch reduziert werden. Durch sanfte Anlauf-und Stopprampen wird somit eine unnötig harte Behandlungder Maschinenteile vermieden.

10 KAPITEL 0: EINLEITUNG

Abb. 0.03 Energiesparung

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Geringerer WartungsaufwandDer Frequenzumrichter erfordert keine Wartung. Bei Betriebmit reduzierten Drehzahlen erhöhen sich die Anlagenstandzei-ten. Druckstöße, die beim direkten Zuschalten der Pumpenmo-tore entstehen, entfallen in Wasserversorgungsanlagen, eineBeschädigung der Wasserrohre wird vermieden.

Verbessertes ArbeitsumfeldDie Geschwindigkeit von Förderbändern kann der gefordertenArbeitsgeschwindigkeit exakt angepaßt werden. Flaschen aufden Förderbändern von Getränkeabfüllanlagen verhalten sichwesentlich geräuschärmer, wenn die Bandgeschwindigkeit beiStau in der Anlage gesenkt werden kann. Durch die Anpassung der Drehzahl eines Ventilators lassen sichunnötige akustische Geräusche (Lärm) im Umfeld reduzierensowie Zuglufterscheinungen vermieden werden.

Entlastung der ProzeßsteuerungDurch intelligente Frequenzumrichter können Teilaufgabenaus freiprogrammierbaren Steuerungen dezentral vor Ort inder Antriebseinheit gelöst werden. Kleinere Regelungs- undÜberwachungsaufgaben können am Antrieb selbst gelöst wer-den, dadurch benötigt die zentrale Steuerung weniger Speicher-platz, sie kann kleiner und auch schneller werden.

KAPITEL 0: EINLEITUNG 11

Abb. 0.04 Verbessertes Arbeitsumfeld

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Steuern oder Regeln?Die Wörter Steuerung und Regelung werden oftmals nach Be-lieben verwendet. Die Entwicklung in der Automatisierungs-und Antriebstechnik macht es erforderlich, die Bedeutung derbeiden Ausdrücke klar zu unterscheiden.

Der Aufbau einer Anlage entscheidet, ob eine Steuerung oderRegelung vorliegt. Steuern bedeutet, dem Antrieb ein Signalvorzugeben, von dem erwartet wird, daß es die gewünschteDrehzahl innerhalb zulässiger Grenzen ergibt. Regeln bedeutet,daß von dem Prozeß ein Istwertsignal zurückgemeldet wird,welches analog der aktuellen Drehzahl ist. Entsteht eineDifferenz zu der geforderten Sollwertvorgabe, wird das Systemautomatisch nachgeregelt bis die gewünschte Drehzahl vorliegt.

12 KAPITEL 0: EINLEITUNG

Abb. 0.05 Unterscheidung zwischen Steuern und Regeln

Steuerung

Regelung

Istwert

Prozess