Antriebe hochpräzise regeln ohne Modulatorstufe

Elektrische Antriebe Antriebe hochpräzise regeln ohne Modulatorstufe

30.07.2014Autor: Stefanie Michel

Die meisten drehzahlgeregelten Antriebe nutzen einen Modulator zur Erzeugung des Pulsmusters der Frequenzumrichter-Ausgangsspannung. Der erzeugt aber eine zusätzliche Verzögerung in der Regelung. Deshalb war die direkte Drehmomentregelung ein Meilenstein, denn sie verbessert das Drehmomentverhalten des Motors.

Firmen zum Thema

ABB Automation Products GmbH

Ottemeier Werkzeug und Maschinentechnik GmbH

JAKOB Antriebstechnik GmbH

Die direkte Drehmomentregelung (DTC) ermöglicht eine präzise Motorregelung auch ohne Drehzahlrückführung.
(Bild: ABB)

Elektromotoren sind bei Produktionsanlagen oder in Gebäudeautomatisierungssystemen häufig die treibende Kraft. Die Speisung dieser Motoren übernehmen Frequenzumrichter mit einer modernen elektronischen Regelung und exakten Motormodellen, deren komplexe Regelungsalgorithmen von digitalen Hochleistungssignalprozessoren schnell ausgeführt werden.

In den 80er-Jahren arbeiteten die meisten Frequenzumrichter mit der Pulsweitenmodulation (PWM). Durch die verwendete Modulatorstufe kommt es jedoch zu einer Regelverzögerung und die gemessenen Ströme müssen bei der Ausführung der Motorregelungsbefehle gefiltert werden. Dadurch verlangsamt sich die Drehmomentantwort.

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Blockschaltbild DTC: Kern der direkten Drehmomentregelung ist der Drehmomentregelkreis (farbig hinterlegt).

Ursprünglich wurde die DTC für Asynchronmotoren (links) entwickelt. Inzwischen kann sie auch auf andere Motortypen, wie beispielsweise Synchronreluktanzmotoren (rechts), angewandt werden, mit denen sich zugleich die Verluste reduzieren lassen.

Ergänzendes zum Thema

Motorenregelung

Systeme mit und ohne Rückführung

Grundsätzlich unterscheidet man zwei Arten der Motorregelung. Bei Systemen mit Rückführung (Closed-loop) melden Drehgeber im Motor den Zustand des Motors, der dann als Rückkopplungsinformation für den Regelungsalgorithmus verwendet wird. Rückführungsfreie Systeme (Open-loop) verwenden keinen Geber und sind deshalb einfacher, aber auch ungenauer.

Die direkte Drehmomentregelung DTC von ABB erreicht die Regelgenauigkeit eines geschlossenen Regelkreises – allerdings ohne Geber. Ein zusätzlicher Vorteil ist das bessere Reaktionsvermögen, denn das ist mit DTC bis zu zehnmal so schnell.

Genau regeln ohne gesonderte Modulatorstufe

Im Gegensatz hierzu verfolgt ABB einen anderen Ansatz bei der Motorregelung mit hoher Performance: Bei Frequenzumrichtern für anspruchsvolle Anwendungen verwendet das Unternehmen die direkte Drehmomentregelung (Direct Torque Control, DTC). Bei diesem Verfahren wird das Drehmoment direkt geregelt, anstatt zu versuchen, über einen Umweg die Ströme ähnlich wie bei Stromrichtern zu regeln. Das erhöht die Genauigkeit bei der Regelung des angetriebenen Systems. Durch die von ABB entwickelte und Mitte der 80er-Jahre patentierte Technik ist keine gesonderte Modulatorstufe nötig, sodass sich eine Regelungsdynamik nahe dem theoretischen Maximum ergibt.

ABB brachte 1995 seinen ersten Frequenzumrichter für die Industrie mit direkter Drehmomentregelung auf den Markt. Zwischenzeitlich haben weitere Entwicklungen in der Verarbeitungsleistung von Prozessoren, bei Kommunikationsschnittstellen und der Anwendungsprogrammierung eine höhere Performance ermöglicht, die zu einer verbesserten Motorregelung in einem breiten Anwendungsspektrum führte.

Wie sich die Technik für Antriebe bei ABB entwickelt hat

Motorfluss und Drehmoment direkt und präzise regeln

Ziel der DTC ist, den Motorfluss und das Drehmoment direkt zu regeln, im Gegensatz zur indirekten Regelung wie bei Stromrichtern und vektorgeregelten Antrieben. Separate Drehmoment- und Drehzahlregelkreise bilden das DTC-System, arbeiten aber auf integrierte Weise zusammen.

Der Kern der DTC ist der Drehmomentregelkreis, in dem ein komplexes, adaptives Motormodell mathematische Algorithmen zur Vorhersage des Motorstatus verwendet. Die primären Regelgrößen Statorfluss und Drehmoment werden von dem Motormodell anhand der Motorphasenströme und der DC-Zwischenkreisspannung sowie des Status der Leistungshalbleiter im Frequenzumrichter exakt berechnet. Das Motormodell kalkuliert auch die Motordrehzahl der Welle. Durch die Temperaturkompensation kann die Genauigkeit der Berechnung auch ohne Drehgeber-Rückführung verbessert werden. Weitere Motorparameter werden bei der Inbetriebnahme während des Motoridentifikationslaufs automatisch ermittelt und im adaptiven Modell gespeichert.

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