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Elektrische Antriebe

Antriebe hochpräzise regeln ohne Modulatorstufe

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Ständerwiderstand als Hauptquelle eines Berechnungsfehlers

Der wichtigste und einfach messbare Parameter, der für die Berechnung des Magnetflusses des Motors benötigt wird, ist der Ständerwiderstand (Spannungsabfall). Das Motordrehmoment kann dann als Kreuzprodukt der Statorfluss- und Statorstromvektoren berechnet werden. Während der Ständerwiderstand die Hauptquelle eines Berechnungsfehlers ist, sinkt sein Einfluss mit zunehmender Motordrehzahl und Spannung. Somit zeichnet sich die DTC durch eine äußerst hohe Drehmomentgenauigkeit über einen weiten Drehzahlbereich aus. Außerdem verfügt sie über weitere Möglichkeiten, um den Berechnungsfehler bei niedriger Motordrehzahl zu minimieren.

Die Ausgangssignale des Motormodells, die den Statorfluss- und Drehmoment-Istwert wiedergeben, gehen in den Fluss- beziehungsweise in den Drehmomentkomparator ein. Diese separaten Regelungseinheiten vergleichen ihre Eingänge mit dem Fluss- und Drehmomentsollwert. Bereits Mitte der 90er-Jahre führten die ersten DTC-Antriebe diese Funktionen alle 25 µs mithilfe eines digitalen Hochgeschwindigkeitsprozessors aus. Bei der neuesten Regelungsgeneration wurde das Intervall auf 12,5 µs verkürzt und so die Regelungsperformance weiter verbessert.

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Leistungsstärke der DTC auch ohne Geberrückführung

Da DTC ein geberloses Regelungsverfahren ist, sind in den meisten Fällen keine kostenintensiven Drehzahl- oder Positionsgeber notwendig. In Abhängigkeit von der Motorgröße wird typischerweise eine statische Drehzahlgenauigkeit von ± 0,1 % erreicht. Bei höherer Anforderung der Anwendung wird ein DTC-Frequenzumrichter mit einem Standard-Inkrementalgeber (1024 Impulse pro Umdrehung) ausgestattet und erreicht dann üblicherweise eine Drehzahlgenauigkeit von ± 0,01 %.

Bei einer typischen mit einem Asynchronmotor angetriebenen Maschine liegt die dynamische Drehzahlgenauigkeit (Zeitintegral der Drehzahlabweichung bei 100 % Lastaufschaltung) bei 0,3 bis 0,4 %s. Wird ein Inkrementalgeber verwendet, verbessert sich die Drehzahlgenauigkeit typischerweise auf 0,1 %s und erreicht die Genauigkeit eines Servoantriebs.

Die Drehmomentansprechzeit auf einen 100%-Drehmoment-Sollwertsprung beträgt typischerweise 1 bis 5 ms, was der physikalischen Grenze des Motors entspricht. Bei einer Regelung von sehr niedrigen Motordrehzahlen liefert DTC 100 % Drehmoment bis hinunter zur Nulldrehzahl – ohne oder mit Drehzahlrückführung – und bietet bei Verwendung eines Drehgebers eine Lageregelung. Die genannten Leistungswerte beziehen sich speziell auf die Asynchronmotorregelung.

Drehmomentregelung ohne Geberrückführung

Die Drehmomentregelung und Drehmomentbegrenzung ohne Geberrückführung im kompletten Drehzahlstellbereich bietet einen zuverlässigen Schutz der Mechanik beispielsweise von Extruderschnecken. Aufgrund der Dynamik der Regelung versorgt sich der Antrieb auch bei einem Netzausfall durch die Nutzung der mechanischen Energie im System selbst mit Energie und bleibt voll funktionsfähig. Dies gewährleistet eine hohe Verfügbarkeit, beispielsweise bei Ventilatorantrieben in Kraftwerken. Durch die Funktion „Fliegender Start“ ist ein Zuschalten auf einen drehenden Motor in wenigen Millisekunden kein Problem.

Die direkte Drehmomentregelung wurde ursprünglich für Asynchronmotoren entwickelt, die in der Industrie und gewerblichen Anwendungen stark verbreitet sind. Bei den Bemühungen um eine höhere Leistungsdichte und der Erfüllung internationaler Wirkungsgradvorschriften wird sich das Interesse verstärkt auf andere Motortopologien richten, wie beispielsweise auf die Permanentmagnet- (PM-) und Synchronreluktanzmotoren. Diese Synchronmotoren arbeiten nach einem anderen Prinzip als die Asynchronmotoren. Die Unterschiede liegen beim Anlauf des Motors: Im Gegensatz zu Asynchronmotoren erfordern PM-Synchronmotoren und Synchronreluktanzmotoren, dass das Motormodell die Rotorposition beim Anlauf aus der Lage der Pole im Rotor ermittelt, wenn kein Positionssensor verwendet wird. Deshalb hat ABB eine modifizierte Version der DTC speziell für Permanentmagnetmotoren entwickelt.

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Über den Autor

 Stefanie Michel

Stefanie Michel

Journalist, MM MaschinenMarkt