Phasen - E. KRETZSCHMAR
Phasen - E. KRETZSCHMAR
Phasen - E. KRETZSCHMAR
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S R Drives ®<br />
Eine Einführung Einf hrung in geschaltete<br />
Reluktanzmotoren und Regler
• Einfacher, einphasiger Motor<br />
• <strong>Phasen</strong>strom erzeugt<br />
magnetischen Fluss im Stator<br />
• Magnetische Anziehung<br />
versucht den Rotor in seine<br />
vollständig ausgerichtete<br />
Position zu drehen<br />
• Drehmoment im Urzeigersinn<br />
wird erzeugt (grüner Feil)<br />
Wie funktioniert’s?<br />
funktioniert<br />
• Dies ist das Funktionsprinzip<br />
des „regelbaren Reluktanzmotors“<br />
Drehmoment<br />
Geblechter<br />
Stahl-Stator<br />
Geblechter<br />
Stahl-Rotor<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom
Das <strong>Phasen</strong>drehmoment ist Null bei<br />
vollständiger vollst ndiger Ausrichtung<br />
• Abgebildete Rotorposition<br />
zeigt Rotor bei minimalem<br />
magnetischem Widerstand<br />
„Reluktanz“<br />
• Die elektrische <strong>Phasen</strong>-<br />
induktion ist auf ihrem<br />
Maximum (L max )<br />
• Diese Position wird häufig<br />
bezeichnet als “Oberer<br />
Todpunkt” (OT)<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom
Null – Drehmoment ebenfalls bei<br />
vollständig<br />
vollst ndig nicht-ausgerichteter<br />
nicht ausgerichteter Position<br />
• Der Rotor gibt in dieser<br />
Position maximalen mag.<br />
Widerstand (Reluktanz) ab<br />
• Die elektrische <strong>Phasen</strong>-<br />
induktion ist auf ihrem<br />
Minimum (L min )<br />
• Diese Position wir häufig<br />
bezeichnet als “Unterer<br />
Todpunkt” (UT)<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom
Das Drehmoment kann umgekehrt<br />
werden ohne die Stromrichtung<br />
umzukehren<br />
• Wenn <strong>Phasen</strong>strom noch fließt<br />
im Intervall nach OT und bevor<br />
UT erreicht wird, wird ein Dreh-<br />
moment gegen den Uhrzeiger-<br />
sinn erzeugt (orange Pfeile).<br />
• Rotiert der Rotor noch im<br />
Urzeigersinn, bremst dieses<br />
Drehmoment die Last.<br />
• Positive und negative Dreh-<br />
momente erhältlich durch<br />
einfache, zeitliche Anpassung der<br />
Wicklungsansteuerung<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom
Betrieb als geschalteter<br />
Reluktanzmotor<br />
Reluktanzmotor<br />
• Annahme: Rotation im Uhrzeigersinn<br />
• Rotor gezeigt am UT<br />
• Erzeugt Drehmoment im<br />
Uhrzeigersinn sobald der<br />
Rotor an UT vorbei ist<br />
• Schaltet man die Phase<br />
ein, bevor UT erreicht wird<br />
erhält man ein Drehmoment<br />
gegen den Uhrzeigersinn<br />
• Fazit: Idealerweise einschalten<br />
bei UT – aber nicht vorher! (um max.<br />
motorisches Drehmoment zu erhalten)<br />
Drehsinn<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom
Abschalten des <strong>Phasen</strong>stroms am<br />
korrekten Rotorwinkel<br />
• Wenn OT erreicht wird fällt das<br />
augenblickliche Drehmoment auf<br />
Null ab.<br />
• Erzeugt ein Bremsmoment<br />
gegen den Uhrzeigersinn<br />
sobald der Rotor an OT vorbei<br />
ist. – außer der <strong>Phasen</strong>strom<br />
wird abgeschaltet<br />
• Fazit: Idealerweise abschalten<br />
bei OT (um max. motorisches<br />
drehmoment zu erhalten)<br />
Drehsinn<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom
Es folgt eine einfache<br />
Animation des motorischen<br />
Betriebs ……<br />
– Annahme: Drehrichtung im Uhrzeigersinn<br />
– Einschalten am unteren Todpunkt<br />
– Ausschalten am oberen Todpunkt
CW<br />
Drehung<br />
Kein<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
= NULL
CW<br />
Drehung<br />
Kein<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
= NULL
CW<br />
Drehung<br />
Kein<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
EIN
CW<br />
Drehung<br />
CW<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
EIN
CW<br />
Drehung<br />
CW<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
EIN
CW<br />
Drehung<br />
Kein<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
EIN
CW<br />
Drehung<br />
Kein<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
= NULL
CW<br />
Drehung<br />
Kein<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
= NULL
CW<br />
Drehung<br />
Kein<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
= NULL
CW<br />
Drehung<br />
Kein<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
= NULL
CW<br />
Drehung<br />
Kein<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
EIN
CW<br />
Drehung<br />
CW<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
EIN
CW<br />
Drehung<br />
CW<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
EIN
CW<br />
Drehung<br />
Kein<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
EIN
CW<br />
Drehung<br />
Kein<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
= NULL
CW<br />
Drehung<br />
Kein<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
= NULL
Betrieb als Bremse oder<br />
elektrischer Generator<br />
• Exakt vergleichbar mit motorischem Betrieb<br />
• Das Bremsmoment wird erzeugt, wenn Rotor- Rotor und Statorpole<br />
„auseinander auseinander gezogen“ gezogen werden – z.B. wenn die Induktivität Induktivit t abfällt abf llt<br />
• Einschalten des <strong>Phasen</strong>stromes (und mag. Fluss) bei OT (optimal)<br />
• Ausschalten des <strong>Phasen</strong>stromes (und mag. Fluss) bei UT (optimal)
CW<br />
Drehung<br />
Kein<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
= NULL
CW<br />
Drehung<br />
Kein<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
= NULL
CW<br />
Drehung<br />
Kein<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
EIN
CW<br />
Drehung<br />
CCW<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
EIN
CW<br />
Drehung<br />
CCW<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
EIN
CW<br />
Drehung<br />
Kein<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
EIN
CW<br />
Drehung<br />
Kein<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
= NULL
CW<br />
Drehung<br />
Kein<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
= NULL
CW<br />
Drehung<br />
Kein<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
= NULL
CW<br />
Drehung<br />
Kein<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
= NULL
CW<br />
Drehung<br />
Kein<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
EIN
CW<br />
Drehung<br />
CCW<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
EIN
CW<br />
Drehung<br />
CCW<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
EIN
CW<br />
Drehung<br />
Kein<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
EIN
CW<br />
Drehung<br />
Kein<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
= NULL
CW<br />
Drehung<br />
Kein<br />
Drehmoment<br />
<strong>Phasen</strong>-<br />
strom<br />
= NULL
Zusammenfassung bisher… bisher<br />
• Ein SR-Motor SR Motor ist ein drehzahlregelbarer Reluktanzmotor<br />
• Betrieben durch ein- ein und ausschalten der <strong>Phasen</strong> unter<br />
Berücksichtigung Ber cksichtigung des Rotorwinkels– Rotorwinkels daher “geschalteter<br />
geschalteter”<br />
(switched switched) ) Reluktanzmotor”!<br />
Reluktanzmotor<br />
• Das Drehmoment wird erzeugt als Ergebnis aus der<br />
Veränderung Ver nderung der <strong>Phasen</strong>induktivität <strong>Phasen</strong>induktivit t unter Berücksichtigung<br />
Ber cksichtigung<br />
des Rotorwinkels<br />
• Erregte <strong>Phasen</strong> in Verbindung mit einer steigenden induktiven<br />
Region erzeugt ein treibendes Drehmoment<br />
• Erregte <strong>Phasen</strong> in Verbindung mit einer fallenden induktiven Region Region<br />
erzeugt ein bremsendes Drehmoment
Betrieb eines “echten echten” SR-Motors<br />
SR Motors<br />
in der Praxis<br />
• Einphasige Motoren erzeugen ein Drehmoment nur für f r die<br />
Hälfte lfte der Zeit (Die Induktion steigt nur über ber die Hälfte H lfte einer<br />
Umdrehung)<br />
– Spezielle Vorkehrungen um den Anlauf sicherzustellen notwendig<br />
– Gut geeignet für hohe Drehzahlen (z. B. Lüfter, Staubsauger etc)<br />
• Mehrphasige Motoren beliebt für f r Industrielle Anwendungen<br />
– Üblicherweise zwei, drei oder vier <strong>Phasen</strong><br />
– Ermöglicht den Anlauf und erzeugt gleichmäßigeres Drehmoment<br />
• Die <strong>Phasen</strong> werden so erregt, dass sie überlappen berlappen<br />
– z.B. 120 Grad Abstand (elektrisch) bei 3-phasigen Motoren,<br />
90 Grad Abstand (elektrisch) bei 4-phasigen Motoren<br />
• Die bisherige Darstellung unterstellt, dass <strong>Phasen</strong>ströme<br />
<strong>Phasen</strong>str me<br />
ohne Verzögerung Verz gerung ein- ein und ausgeschaltet werden können k nnen<br />
– In der Praxis nicht wahr<br />
– Der Umrichter hat ein wenig mehr zu tun, um dies zu gewährleisten
Summierung des Drehmoments<br />
eines dreiphasigen Motors<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40<br />
A<br />
B<br />
C<br />
Total
Anstiegs- Anstiegs und Abfallzeit des Stroms<br />
und des magnetische Flusses sind<br />
begrenzt<br />
• Die Anstiegsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses φ ist<br />
durch das Faradaysche Gesetz vorgegeben:<br />
dφ V wobei V der Spannung entspricht<br />
dt =<br />
N N der Drehzahl entspricht<br />
• Betrachtung des motorischen Betriebs: Betriebs<br />
1) Bei UT wird eine Verzögerung auftreten, bevor der Strom und der<br />
magnetische Fluss den Betriebswert erreicht.<br />
2) Nach dem Ausschalten am OT wird der Strom und der magnetische<br />
Fluss noch für eine Weile anstehen<br />
• Ergebnis ist ein Verlust bzgl. Leistung und Wirkungsgrad, was<br />
folgendes bewirkt:<br />
1) Reduzierung der treibenden Drehmomentkomponente<br />
2) Erzeugung einer zusätzlichen Bremsmomentkomponente und Verlängern<br />
der <strong>Phasen</strong>bestromungszeit (=> höhere Wicklungserwärmung)<br />
• Erfreulicherweise können k nnen wir das durch eine clevere Ansteuerung<br />
vermeiden! …
Wie kann der Wirkungsgrad bei<br />
hoher Drehzahl beibehalten<br />
werden? werden<br />
• Bei niedriger Drehzahl sind Anstiegs- Anstiegs und Abfallzeiten nebensächlich<br />
nebens chlich<br />
verglichen mit der benötigten ben tigten Zeit für f r einen elektrischen Zyklus<br />
• Bei steigender Drehzahl werden Verzögerungen Verz gerungen bedeutsam<br />
• Kompensation der Verzögerung Verz gerung durch Veränderung Ver nderung des Ein- Ein und<br />
Ausschaltzeitpunktes in Abhängigkeit Abh ngigkeit des Rotorwinkels<br />
– Früheres Einschalten, bringt den mag. Fluss auf die Betriebswerte während<br />
steigender Induktion.<br />
– Früheres Ausschalten, reduziert den mag. Fluss auf niedrige Werte bevor die<br />
Induktion abfällt.<br />
• Optimiertes Ein- Ein und Ausschaltwinkel höchste h chste Wirkungsgrade<br />
• Sehr hohe Wirkungsgrade über ber einen sehr großen gro en Drehzahl- Drehzahl und<br />
Drehmomentbereich<br />
Vergleich – Zündzeitpunktsanpassung ndzeitpunktsanpassung bei Verbrennungsmotoren<br />
• Vergleich
• Keine Wicklung<br />
• Kein Kollektor<br />
• Keine Rotorstäbe<br />
• Keine Magnete<br />
• Minimale Verluste – “kalter Rotor”<br />
• Keine Probleme bei hoher Drehzahl<br />
und / oder hohen Beschleunigungen<br />
• EXTREM RPOBUST<br />
“Einfachster Rotor”<br />
Welle<br />
Blechpaket<br />
(auf Welle gepresst oder geschrumpft )
• Keine Überlappung der<br />
<strong>Phasen</strong> – reduziert das<br />
Risiko der Isolationsfehler<br />
• Einfach zu kühlen<br />
• Einfach zu wickeln, robust<br />
• Hoher dV/dt Widerstand<br />
“Einfacher, robuster Stator”<br />
• Niedrige Aufnahmefähigkeit<br />
des Gehäuses reduziert<br />
EMV-Störungen<br />
Wicklung<br />
Blechpaket<br />
Isolation
Kühle Lager<br />
Kühler Rotor<br />
SR Motoren<br />
Von Grund auf zuverlässig<br />
Einfaches Temperaturmanagement<br />
Hohe dV/dt Widerstandsfähigkeit<br />
Niedrige Aufnahmefähigkeit des<br />
Gehäuses reduziert EMV-Störungen<br />
Einfacher Rotor:<br />
• Keine Schleifringe<br />
• Kein Kollektor<br />
• Keine Magnete<br />
• Kein Kollektor<br />
Rotor Mechanisch<br />
Robust<br />
Keine<br />
<strong>Phasen</strong>überlappung<br />
Geringer Wickelkopfüberstand<br />
• Geringe Wärmestauung<br />
• Geringere Bewegungen
• Bürstenloser rstenloser Motor<br />
Wesentliche Vorteile der<br />
SR Motoren Konstruktion<br />
• Einfache, geschichtete Bleche mit überstehenden berstehenden Polen<br />
– keine Rotorstäbe, keine Wicklung am Rotor, keine Magnete<br />
– Eine einfache Wicklung je Satorpol (ggf. Vorgewickelt auf Wickelvorrichtung)<br />
• Einfaches Wärmemanagement<br />
W rmemanagement<br />
– Verluste überwiegend im Stator<br />
– Kühler Rotor bedeutet längere Lagerlebensdauer<br />
• Hohe Überlast berlast-Drehmomente Drehmomente leicht zu realisierbar (z.B. 1.000 %)<br />
• Geringe Rotorträgheitsmoment Rotortr gheitsmoment (konstruktionsbedingt)<br />
• Kleine Wickelköpfe<br />
Wickelk pfe – Gute Nutzung des Aktiven Materials<br />
– kompakte, kurze Baulänge<br />
– hohe Leistungsdichte in „Pancake“ – Ausführung möglich.
SR Drive ® : Typische Architektur<br />
eines Regelkreises
SR Umformer<br />
“<strong>Phasen</strong>strang<br />
<strong>Phasen</strong>strang”<br />
Verwendung von Halbleiter “Schaltern Schaltern”, , z.B.. IGBT, GTO Thyristoren
Dreiphasiger Umformer für f r PM und<br />
AC Motoren – Zum Vergleich<br />
Hinweis: Transistoren in Reihe geschaltet, die Spannungsversorgung brückend<br />
(= Möglichkeit eines Kurzschlusses) und parallel zu den Freilaufdioden<br />
(= dV/dt Beanspruchung der Bauteile)
Vorteile des SR Umformers<br />
• Wicklung in „Serie Serie“ mit den IGBT‘s IGBT - Kein Kurzschluss möglich m glich<br />
– Vereinfacht den Schutz, erhöht die Zuverlässigkeit<br />
• Kleinere Thyristoren notwendig verglichen zu AC-Umformern<br />
AC Umformern<br />
– Höhere Drehmomente von SR Motoren bei gleichem Strom erhältlich<br />
– Gute Performance bei hohen Drehzahlen ohne die Anzahl der Windungen<br />
reduzieren zu müssen<br />
• Geringer Schaltfrequenz – Keine Sinusform notwendig<br />
– reduziert Schaltverluste und EMV<br />
• Einpolige Ströme Str me im Motor (sogar beim regen. Bremsen)<br />
– Vereinfacht die Anforderungen der Gatter-Ansteuerung<br />
• Betrieb bei “mittleren mittleren Spannungen” Spannungen (z. B. 3.3kV AC) vereinfacht<br />
durch “gestapelte gestapelte” Umformer (schwierig bei Umrichtern)<br />
• Die IGBT’s IGBT werden nicht verwendet, um die Überspannungen berspannungen der<br />
Freilaufdioden aufzufangen (Im Gegensatz zu Frequenzumrichtern)<br />
Frequenzumrichter<br />
– Vereinfacht die Anforderungen der Gatter-Ansteuerung
Geringe<br />
Wärmeverluste,<br />
kleinere IGBT’s<br />
Unbegrenzte Anzahl<br />
der Anläufe / Stunde<br />
Sofortiger,<br />
fliegender Start<br />
Hoher Wirkungsgrad über<br />
weiten Drehzahl- und<br />
Drehmomentbereich<br />
Großer Spannungsbereich<br />
Hohe Versorgungs-<br />
spannungen möglich<br />
Vorteile des SR Umformers<br />
Fehlertolerant, robust<br />
1500<br />
run<br />
Reduzierte<br />
EMV<br />
Einfache<br />
Inbetriebnahme,<br />
einfacher,<br />
stabiler Betrieb<br />
Zuverlässig, hohe Dynamik<br />
Lange Blockierfestigkeit<br />
Geringe Abhängigkeit von<br />
der Motortemperatur<br />
�<br />
�<br />
�
SR Stator und Rotor
S R Drive ® Ansteuerungssystem<br />
• Direkte Ansteuerung des Drehmoments über ber den Strom und den Kommutierungswinkel<br />
– Betrieb mit konstantem (geregeltem) Drehmoment<br />
– Optimierter Wirkungsgrad für großen Drehmoment- und Drehzahlbereich<br />
– Anpassbares Drehzahl-Drehmomentverhalten um Anforderungen zu erfüllen<br />
• Zuverlässiger Zuverl ssiger Betrieb ohne komplexe Inbetriebnahme oder<br />
Programmierung<br />
– Einfach zu handhaben, nur wenige Parameter notwendig (vergleichbar DC-Motor)<br />
– Extrem flexibel , programmierbare Bedienung möglich falls erwünscht<br />
• Sensorlose Regelung nun möglich m glich falls erforderlich<br />
– Impulsgeber häufig verwendet (vergleichbar mit BPM & Vektor Reglern)<br />
• Robust und Fehlertolerant<br />
– schnelle Lastwechsel und Störungen der Versorgungsspannung sind problemlos<br />
– exzellente Fehlerdiagnose<br />
• Tolerant bzgl. raschen Lastwechseln und Spannungsschwankungen<br />
• Exzellente Fehlerdiagnose<br />
– Automatischer Neustart nach einem Fehler falls gewünscht<br />
• Geräuschentwicklung Ger uschentwicklung kontrollierbar durch elektronische Hilfsmittel<br />
– mechanische Methoden zur geräuscharmen Motorkonstruktion
SYSTEM Wirkungsgrad:<br />
Wirkungsgrad<br />
SR vs. AC-Vector AC Vector bei 7.5kW<br />
Gleiche Baugröße: 132, Gleiche Bauelemente : 50A IGBT, Volllastdrehmoment<br />
Efficiency (%)<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
Konstant 50Nm bei 1500 min -1 ,<br />
Konstant 7.5kW bei Feldschwächung<br />
0 1000 2000 3000 4000<br />
rev/min<br />
• SR Wirkungsgrad ist annähernd gleichbleibend über den Drehzahlbereich<br />
• Geringe Wirkungsgradunterschiede über denn Drehzahlstellbereich stellen<br />
gleichbleibende Drehmoment bis hin zu niedrigen Drehzahlen sicher<br />
SR<br />
AC IM
SRDML Diamant Antrieb<br />
Drehmoment und Wirkungsgrad<br />
SR measured efficiency<br />
IM + inverter typically 89% efficient
System efficiency (%)<br />
100<br />
95<br />
90<br />
85<br />
80<br />
75<br />
70<br />
65<br />
60<br />
55<br />
50<br />
Bemerkenswert konstanter Wirkungsgrad bei<br />
wechselnder Belastung: Z.B. IEC D250 Motor (90kW)<br />
Drive system comprising motor type 03-00017 operated with controller 02-00017<br />
Measured system efficiency plotted vs. speed at 380V AC SR Drives Manufacturing Ltd<br />
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000<br />
Speed (rev/min)<br />
Maximum load (280Nm/90kW)<br />
100% nominal load (240Nm/75kW)<br />
67% nominal load (160Nm/50kW)<br />
33% nominal load (80Nm/25kW)
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