Für Drehstrommotoren wurden schon viele Regelverfahren entwickelt, für die es zahlreiche Begriffe gibt. Um Klarheit in die Vielfalt der Bezeichnungen zu bringen, beleuchtet dieser Beitrag die grundlegenden Eigenschaften von Frequenzumrichtern und deren Regelverfahren.

Bis in die 1970er Jahre bildete der Gleichstrommotor praktisch die einzige Möglichkeit, in Industrieanwendungen Drehzahl und Drehmoment stufenlos zu regeln. Aus regelungstechnischer Sicht wäre er der ideale Antrieb, wenn der mechanische Kommutator nicht wäre, denn damit ist der klassische Gleichstrommotor verschleißanfällig. Wesentlich robuster und praktisch wartungsfrei zeigt sich dagegen der Asynchronmotor. Aber er ließ sich bei weitem nicht so einfach regeln, vor allem, als es noch keine digitalen Signalprozessoren, Power-Mosfets und IGBTs gab. Heute sind gesteuerte und geregelte Drehstromantriebe nicht mehr wegzudenken. Nach wie vor weisen sie die höchsten Zuwachsraten innerhalb der elektrischen Antriebstechnik auf.

Umrichter mit U/f-Steuerung

Unkomplizierte Anwendungen wie Pumpen, Lüfter oder einfache Fördertechnik bilden die Domäne für Umrichter mit Spannungs-/Frequenz-Steuerung. Sie ist das traditionelle Verfahren zum Antreiben von Drehstrommotoren mit mittlerer Dynamik. Ihr Kerngedanke ist die proportionale Verstellung von Spannung und Frequenz. So bleibt der Fluss in der Maschine konstant und das maximale Moment erhalten. Weil der Nennfluss das höchste Drehmoment je kg Maschine entwickelt, kommen die eingesetzten Rohstoffe (Stahl, Kupfer, Isoliermaterialien) am effektivsten zur Geltung. Aus Sicht des Motors erscheint der gesteuerte Umrichter als eine „verstellbare Steckdose“ hinsichtlich der Netzspannung und -frequenz. Deshalb kann man mit dieser Variante auch mehrere kleinere Motoren gleichzeitig an einem Umrichter betreiben. Dank ihrer leichten Handhabbarkeit sind Frequenzumrichter mit der U/f-Steuerung nach kurzer Zeit einsatzbereit. Sie hat sich daher als Standardverfahren ohne Drehzahlrückführung für einfache Anwendungen durchgesetzt.

Daher ist das U/f-Verfahren bei SEW-Eurodrive auch in alle Geräte der aktuellen Umrichterplattform Movi-C eingegangen. Das betrifft die Applikationsumrichter Movidrive – Einachs- und Mehrachssysteme mit Ein- und Doppelachsmodulen – sowie den kompakten Allround-Umrichter Movitrac Advanced. Für dynamische Bewegungen bieten sie bis zu 250 Prozent Überlastfähigkeit. Sowohl als Einachs-Applikationsumrichter als auch in der Modularausführung überwacht die Umrichtertechnik von SEW-Eurodrive die verschiedenen Motorarten, synchrone und asynchrone Drehstrommotoren mit und ohne Geber ebenso wie Asynchronmotoren mit LSPM-Technologie (Line Start Permanent Magnet) und synchrone und asynchrone Linearmotoren.

Die feldorientierte Regelung

Genügt eine einfache Drehzahlverstellung für die Antriebsaufgabe nicht, weil hohe Dynamik oder ein großes Drehmoment gefordert sind, kommt eine feldorientierte Regelung in Betracht. Diesem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Magnetfeld im Luftspalt und die Rotorgeometrie das Betriebsverhalten der Asynchronmaschine bestimmen. Ihr Drehmoment verhält sich proportional zum Strom und somit zum magnetischen Fluss. Zur Erzielung des Maximalmoments muss der Winkel zwischen Drehmoment und Magnetfluss 90° betragen. Das gilt gleichermaßen für Gleichstrom- und für Drehstrommotoren.

Um das Rechnen mit komplexen Ausdrücken der Form ej2/3 zu vereinfachen, lässt sich ein Drehstromsystem mit drei um 120° versetzten Wicklungen (a, b und c) durch ein zweiphasiges, orthogonales Ersatzschaltbild mit α- und β-Koordinaten darstellen. Derart kann man den im Motor rotierenden Ständerstrom IS in seine Komponenten Iα und Iβ zerlegen. Wenn man ihn – bezogen auf das Drehfeld – in Feldkoordinaten umrechnet, lässt er sich in die Komponenten Id und Iq aufspalten, auch D(irekt)- und Q(uer)-Achse genannt. Sie stehen in Bezug zum rotierenden System still – ähnlich wie die Mitfahrer auf einem Karussell. Id (in Flussrichtung) entspricht dem Erregerstrom der Gleichstrommaschine und Iq (orthogonal dazu) dem momentbildenden Ankerstrom. Gelingt es, Id konstant zu halten und Iq nach Vorgabe des gewünschten Drehmoments zu variieren, kann man einen Asynchronmotor ähnlich gut regeln wie einen fremderregten Gleichstrommotor. Jetzt benötigt man noch eine Information über die Lage des Feldes im Motor, also den Drehwinkel δ. Damit kann man Id und Iq aus den Ständerkoordinaten Iα und Iβ berechnen. Somit lässt sich das Feld indirekt über die Klemmengrößen, das heißt den Ständerstrom, beeinflussen.

Die stromgeführte Flussregelung

Grundsätzlich gilt: Bei allen Regelverfahren ist der Betrieb mit einem Drehgeber am genauesten. Vor allem bei typischen Servoanwendungen mit hohen Anforderungen an Drehzahlkonstanz, Dynamik und Spitzenmoment ist der Einsatz eines Drehgebers zwingend erforderlich. In der Gerätegeneration Movi-C hat das stromgeführte Flussregelverfahren CFCPlus (Current Flux Control) eine hohe Regelgüte und bietet die Möglichkeit der Positionierung. Die Spannungs-/Frequenz-Steuerung U/f sowie die Verfahren, VFCPlus (Voltage Flux Control) und ELSM (EncoderLess Synchronous Machine) hingegen benötigen keine Information über die Rotorlage durch ein Gebersystem.

Motoren mit hoher Energieeffizienz

Aufgrund der hohen Anforderungen an die Energieeffizienz werden auch die Drehstrommotoren ständig weiterentwickelt. Um den Wirkungsgrad der Maschine zu verbessern und damit die Energieeffizienzklasse IE5 gemäß der Norm IEC 60034-30-2 zu erfüllen, ist es nötig, konstruktiv zusätzliche permanentmagnetische Materialien in den Rotor einzubringen. Diese können entweder zusätzlich zum Asynchronkäfig eingefügt werden (beim Line Start Permanent Magnet-Motor, LSPM) oder diesen komplett entbehrlich machen (beim Interior Permanent Magnet-Motor, IPM). Diese Maschinen verhalten sich dann wie Synchronmotoren.

Das Regelverfahren ELSM bietet die Möglichkeit, Synchronmotoren auch ohne Geber zu betreiben. Dieses Verfahren und die zugehörigen Berechnungen sind komplex und erfordern aufwändige Regelstrukturen. Besonders schwierig hierbei ist das Ermitteln der Drehzahlposition bei sehr kleinen Drehzahlen. Aus diesem Grund kommt ein gesteuertes Verfahren zum Einsatz. Noch schwieriger ist das Regeln bei einer stillstehenden Maschine. Bei diesen Manövern ist es wichtig, die Motoreigenschaften genau zu kennen und nötigenfalls eine simultane Messung der Motorströme im Umrichter vorzunehmen. Deshalb muss eine empfindliche Sensorik sowie ein ausreichend leistungsfähiger Mikrocontroller im Antrieb für die Berechnungen bereitstehen.

Fazit

Bei der Projektierung eines elektrischen Antriebssystems ist es wichtig, die erforderliche Regelgenauigkeit der Anwendung zu identifizieren. Sind die Anforderungen spezifiziert, kann das Antriebssystem aus den notwendigen Komponenten (Getriebe, Motor, Geber, Umrichter, Steuerung) zusammengestellt werden. Ziel dabei ist, hinsichtlich der Anforderungen an die Regelgüte und die Erfüllung aktueller Energiesparverordnungen eine kostenoptimierte Auswahl zu treffen. Werden die Anforderungen von Anfang an zu hoch oder zu niedrig eingeschätzt, entsteht unnötiger Mehraufwand.