Bis in die 1970er Jahre bildete der Gleichstrommotor praktisch die einzige Möglichkeit, in Industrieanwendungen Drehzahl und Drehmoment stufenlos zu regeln. Aus regelungstechnischer Sicht ist er eigentlich der ideale Antrieb – wenn der mechanische Kommutator nicht wäre. Dadurch ist der klassische Gleichstrommotor verschleißanfällig und hat Servicekosten zur Folge. Wesentlich robuster und praktisch wartungsfrei zeigt sich dagegen der Asynchronmotor. Er ließ sich jedoch bei weitem nicht so einfach regeln. Vor allem, als die (Drehstrom-)Regelungstechnik und Leistungselektronik noch in den Kinderschuhen steckten: Zu einer Zeit, 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.
Einfach Spannung sowie Frequenz verstellen
Unkomplizierte Anwendungen wie Pumpen, Lüfter oder einfache Fördertechnik bilden die Domäne für Umrichter mit Spannungs-/Frequenz-Steuerung. Das ist das traditionelle Verfahren zum Antreiben von Drehstrommotoren mit mittlerer Dynamik. Durch die proportionale Verstellung von Spannung und Frequenz bleibt der Fluss in der Maschine konstant und das maximale Moment erhalten.
Das U/f-Verfahren ist auch in alle Geräte der aktuellen Umrichterplattform Movi-C von SEW-Eurodrive 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.
Feldorientierung für optimales Betriebsverhalten
Genügt eine einfache Drehzahlverstellung für die Antriebsaufgabe nicht, weil hohe Dynamik oder ein großes Drehmoment gefordert sind, kommt eine feldorientierte Regelung in Betracht. Diesem, bereits Ende der 1960er Jahre erfundenen 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. Weil jede Änderung der in einem Magnetfeld gespeicherten Energie Zeit benötigt, erhält man das schnellste Momenten-Anregelverhalten, wenn man den Fluss über den Magnetisierungsstrom (im Grunddrehzahlbereich) drehzahlunabhängig konstant hält und nur den momentbildenden Strom verändert. Die Flusskonstanz verlangt einen unveränderlichen Erregerstrom. Und zur Erzielung des Maximalmoments muss der Winkel zwischen Drehmoment und Magnetfluss 90° betragen. Das gilt gleichermaßen für Gleichstrom- und für Drehstrommotoren.
Stromgeführte Flussregelung für hohe Anforderungen
Dabei ist grundsätzlich festzuhalten, dass bei allen Regelverfahren der Betrieb mit einem Drehgeber am genauesten ist. Vor allem bei typischen Servoanwendungen mit hohen Anforderungen an Drehzahlkonstanz, Dynamik und Spitzenmoment, wie bei Verpackungs- und Füllmaschinen, Wicklern und Handlinganwendungen, ist der Einsatz eines Drehgebers zwingend erforderlich. Das stromgeführte Flussregelverfahren CFC in der Gerätegeneration Movi-C hat eine besonders hohe Regelgüte und bietet die Möglichkeit der Positionierung. Die Verfahren U/f, VFCPLUS und ELSM hingegen benötigen keine Information über die Rotorlage durch ein Gebersystem.
Es geht auch ohne Drehzahlmessung
Weil die Kosten für einen Drehgeber für den Anwender zusätzlichen Aufwand bedeuten, war die Forderung nach einfacheren Lösungen die logische Konsequenz. SEW-Eurodrive entwickelte das spannungsgeführte Flussregelverfahren VFC (Voltage Flux Control) für dynamisch und präzise gesteuerte Drehstromantriebe mit großer Drehzahlkonstanz.
In der Umrichtergeneration Movi-C wurde das Verfahren weiter verbessert und mündete in dem Verfahren VFCPLUS. Dieses bietet durch die Berechnung zusätzlicher Parameter die Möglichkeit, neben der Drehzahlregelung auch das Drehmoment relativ genau und sogar ohne Geber zu regeln. Damit sind beispielsweise auch Wickelapplikationen geberlos möglich, bei der Material auf Spannung gehalten werden muss. Außerdem wurde eine Stromflussoptimierung implementiert, die dafür sorgt, dass der Asynchronmotor das maximale Drehmoment mit minimalem Strom erzeugen kann, wodurch sich – je nach Anwendung – erhebliche Energiemengen einsparen lassen.
Neue Motortypen für höhere 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 inzwischen meist nötig, konstruktiv zusätzliche permanentmagnetische Materialien in den Rotor einzubringen. Diese können entweder zusätzlich zum Asynchronkäfig eingefügt werden, wie bei dem Line Start Permanent Magnet Motor (LSPM), oder diesen komplett entbehrlich machen, wie bei dem Interior Permanent Magnet Motor (IPM). Diese Maschinen verhalten sich dann praktisch wie Synchronmotoren. Es gibt also keinen Schlupf, d. h. keine Drehzahldifferenz der Rotordrehzahl gegenüber dem Drehfeld des Stators. Derartige Motoren können mit Regelverfahren betrieben werden, die üblicherweise für synchrone Maschinen eingesetzt werden.
Permanenterregte Synchronmotoren ohne Geber
Das Regelverfahren ELSM bietet die Möglichkeit, Synchronmotoren auch ohne Geber zu betreiben. Dieses Verfahren und die zugehörigen Berechnungen sind komplex und erfordern aufwändige Regelstrukturen. Um die Lage des Rotors und die Drehzahl für die Regelung zu bestimmen, kommen die für die Berechnung wichtigen Werte nun von einem virtuellen Geber aus dem mathematischen Modell des Antriebs.
Besonders schwierig hierbei ist das Ermitteln der Drehzahlposition bei sehr kleinen Drehzahlen. Aus diesem Grund kommt hier ein gesteuertes Verfahren zum Einsatz. Noch schwieriger ist das Regeln bei stillstehender Maschine. Bei diesen Manövern ist es wichtig, die Motoreigenschaften genau zu kennen und nötigenfalls eine simultane Messung der Motorströme im Umrichter vorzunehmen. Hierzu ist es erforderlich, dass entsprechend empfindliche Sensorik sowie ein ausreichend leistungsfähiger Mikrocontroller im Antrieb für die Berechnungen bereitsteht. Die Elektronik der Movi-C-Umrichter sind für diese Aufgabe mit entsprechender Elektronik ausgestattet.
