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3.2 Kennliniendes DASMGleichung 11Das innere Drehmoment Mi des DASM läßt sich mit folgender Formelberechnen:Mi 32 π n1.Ui21.(X2σ'R2's . X2σ' s)X2σ'R2'.Gleichung 12Es gilt somit der Zusammenhang: Mi Ui2Gleichung 13Das maximal mögliche Moment des DASM wird als Kippmoment Mkbezeichnet. Auch hier gilt wieder: Mk Ui2Durch die sog. Kloss'sche Formel wird der Zusammenhang zwischenDrehmoment und Kippmoment dargestellt:Gleichung 14M Mk2.sks(sk : Kippschlupf)s skAus dieser Formel resultiert die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie desAsynchronmotors (-- Abb. 7).Aus Abb. 7 geht ebenfalls hervor, daß der Motorstrom mit steigendemSchlupf stetig zunimmt bis etwa zum 2,5 . . . 9fachen Nennstrom imAnlaufpunkt (s 1). Da der Motor auch im Leerlauf eine Magnetisierungsblindleistung benötigt, fließt in diesem Betriebspunkt ein Leerlaufstrom I0 0.MK : KippmomentArbeitsbereichM,P,IIcosϕMKIPelAbb. 7Kennlinien ,20,30,40,50,60,70,80,911,1-0,2 -0,31,2nnd1,3PmechPelVerlustePmechnormaler treibenBremsen

ANTRIEBSTECHNIKVernachlässigt man im Ersatzschaltbild (Abb. 5) alle Streu- und Verlustwiderstände, was für grobe Betrachtungen insbesondere bei größeren Motorleistungen durchaus zulässig ist, so ergibt sich das folgendestark vereinfachte Ersatzschaltbild:R1 0I1Abb. 8I2'UiU1.R2'1-ssXhR2' 0IµDer Ständerstrom I1 teilt sich somit in den konstanten Magnetisierungsstrom Iµ und einen schlupf- und damit lastabhängigen Läuferstrom I2auf. Da beide Ströme zueinander um 90 phasenverschoben sind, müssen sie geometrisch addiert werden (Abb. 9).I1Abb. 9U1I 2'Gleichung 15I12 Iµ2 I2'2IµFür kleine Schlupfwerte (schraffierter Bereich in Abb. 7)Gleichung 16gilt die Beziehung I2' s.Mit M φ.I2' und φ const. folgt daraus:Gleichung 17M s (linearer Bereich der Kennlinie).15

3.3 Motor- /GeneratorbetriebJe nach Richtung des Lastmomentes wird der Asynchronmotor motorisch oder generatorisch belastet. Es gilt:–Motorbetrieb:Drehmoment und Drehzahl haben gleichesVorzeichen (wirken in die gleiche Richtung);der Motor nimmt Leistung aus dem Netz auf.0 s 1n n1–Generatorbetrieb: Drehmoment und Drehzahl haben unterschiedliche Vorzeichen (wirken in entgegengesetzte Richtungen); der Motor speist Leistung in das Netz ein.s 0n n1Der Betriebsbereich s 1 wird als Gegenlauf-Bereich bezeichnet, daDrehfeld und Drehzahl unterschiedliche Richtungen haben. Eine Umkehrung der Drehrichtung erreicht man beim Asynchronmotor durchVertauschen von 2 Phasen. Dabei versteht man unter Rechtslauf Drehung im Uhrzeigersinn, unter Linkslauf Drehung gegen den Uhrzeigersinn (jeweils von der Antriebsseite her betrachtet).Die Betriebsbereiche des Motors lassen sich in den 4 Quadranten folgendermaßen darstellen:MMotorRechtslaufGeneratorLinkslaufAbb. 10-nIIIIIIIVMotorLinkslaufGeneratorRechtslauf-MMFn

ANTRIEBSTECHNIK3.4 Verhalten beiSpannungsabsenkungNach Gl. 12 gilt Mi Ui2. Vernachlässigt man den ohmschen Ständerwiderstand R1, so gilt Ui U1.Eine Absenkung der Eingangsspannung hat einen verringerten Fluß(Feldschwächung) und einen verringerten Läuferstrom I2' zur Folgeund wirkt sich somit quadratisch auf das Drehmoment aus: M φ . I2'.So hat z.B. eine Spannungsabsenkung um 10 % bereits einen Rückgang des Momentes um 19 % zur Folge.An Abb. 11 erkennt man den Einfluß einer Spannungsabsenkung aufdie Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des DASM.MU UnAbb. 11U UnU UnMLn1nAnlaufmoment und Kippmoment gehen quadratisch mit der Spannungzurück, im Bereich zwischen Kippunkt und Leerlaufpunkt verläuft dieKennlinie flacher als bei voller Netzspannung.Weiter wird aus Abb. 11 ersichtlich, daß bei konstantem Lastmomentder Schlupf des Motors mit abnehmender Spannung U zunimmt. Dieswird auch dadurch erklärlich, daß der für das Drehmoment verantwortliche Läuferstrom I2' bei geringerer Speisespannung U nur übereinen kleineren bezogenen Läuferwiderstand R2’/s und damit einengrößeren Schlupf s aufrechterhalten werden kann.Genauso, wie eine Spannungsabsenkung einen flacheren Kennlinienverlauf der M-n-Kennlinie zur Folge hat, erzeugt eine Spannungserhöhung eine steilere Kennlinie und damit einen reduzierten Schlupfbei konstantem Lastmoment. Dabei muß jedoch darauf geachtet werden, daß der Motor nicht übersättigt wird, da sich sonst eine Spannungserhöhung nur in Form zusätzlicher Eisenverluste (hoher Magnetisierungsstrom) auswirken würde. Die Auswirkungen der Spannungsanhebung werden später noch einmal beim Betrieb des Motors amFrequenzumrichter betrachtet (-- Boost, Generatorbetrieb).17

3.5 Charakteristische MotordatenFolgende Tabelle soll einen groben Überblick über charakteristischeDaten von 4poligen DASM unterschiedlicher Baugrößen geben:MotornennleistungMotordatenMF0,37 kW1,5 kW11 kWsn 8% 6%nn 1380 min-1 1410 min-1 1460 min-1 1480 min-1Mn 2,5 Nm 10,2 Nm 72 Nm 484 Nmη 62 % 75 % 86 % 95 %cosϕ 0,76 0,82 0,85 0,86R1 20 Ω 5Ω 0,8 Ω 0,1 ΩMAMn 1,5 . . . 3MkMn 1,8 . . . 3,5IAIn 2,5 . . . 9,0 2,7 %75 kW 1,5 %(mit der Leistung tη:Wirkungsgradcosϕ:LeistungsfaktorR1:ohmscher StänderwiderstandMA:AnlaufmomentMk:KippmomentI A:Anlaufstrom (bei Netzbetrieb)In:Nennstrom

ANTRIEBSTECHNIK4.Betriebsarten desMotorsMan unterscheidet beim Betrieb eines Motors vier Betriebsarten. Diese unterscheiden sich nach der Einschaltdauer (ED) und denMaschinenerwärmungs-Kennlinien.Die Einschaltdauer errechnet sich aus:BelastungsdauerED auer Pause.100 %Es gibt den Dauerbetrieb (DB), Kurzzeitbetrieb (KB), Aussetzbetrieb(AB) und den Dauerbetrieb mit Aussetzbelastung (DAB).Bei Dauerbetrieb (DB) S1 ist die Betriebsdauer bei Nennleistung solang, daß die Beharrungstemperatur erreicht wird. Dies ist bei normalen Motoren der Fall. Sie dürfen dauernd mit ihrem Nennmoment belastet werden.ϑPAbb. 12aDauerbetrieb(DB) S1ϑ PZeit tBei Kurzzeitbetrieb (KB) S2 ist die Betriebsdauer so kurz, daß dieBeharrungstemperatur nicht erreicht wird. In der anschließenden längeren Pause kühlt der Motor sich auf die Ausgangstemperatur ab.SpieldauerPAbb. 12bKurzzeitbetrieb (KB) S2Pauseϑ PϑZeit t19

Bei Aussetzbetrieb (AB) S3 sind die Pausen so kurz, daß der Motorsich nicht auf die Raumtemperatur abkühlen kann.SpieldauerPAbb. 12cAussetzbetrieb(AB) S3, S4, S5ϑϑ PZeit tBei Durchlaufbetrieb mit Aussetzbelastung (DAB) S6 kann sich derMotor in den Leerlaufpausen ebenfalls nicht auf die Umgebungstemperatur abkühlen.PAbb. 12dDurchlaufbetrieb mitAussetzbelastung(DAB) S6ϑϑ PZeit tMotoren, die über Frequenzumrichter angesteuert werden, arbeitenbei Dauerbetrieb in der Betriebsart S1, im Aussetzbetrieb in der Betriebsart S3.MF

ANTRIEBSTECHNIK5.WeitereMotorentypen undihre EigenschaftenStänderLäufer5.1 VerschiebeAnker-Bremsmotora)Abb. 13BremsbδelagFederb)Bei einem Verschiebe-Anker-Bremsmotor sind Ständer und Rotor konisch aufgebaut. Auf der einen Seite des Rotors befindet sich einBremsbelag, gegen die andere Seite drückt eine Feder.Ist der Motor spannungsfrei, so wird der Rotor durch die Feder gegeneine Bremsscheibe gedrückt und somit festgehalten.Beim Einschalten des Motors wird durch das Magnetfeld des Ständers der Rotor aus seiner Ruhelage herausgezogen. Nun ist ein normaler Motorbetrieb möglich (geringer Luftspalt).Um den Motor aus seiner Ruhelage zu bekommen, wird ein größererStrom benötigt als beim Anlauf eines normalen Asynchronmotors. Dieses kann bei Frequenzumrichterbetrieb durch Einstellen von Boosterreicht werden. Der Frequenzumrichter muß für den Betrieb von Verschiebe-Anker-Bremsmotoren in der Regel um zwei Größen überdimensioniert werden.21

Bei diesem Betrieb stößt man auf eine untere und obere Grenze imFrequenzbereich. Die untere Grenze liegt bei ca. 5 bis 10 Hz und wirddadurch begrenzt, daß der Anker wieder einfällt, da das Moment nichtmehr groß genug ist, um den Rotor gegen die Federkraft im gelüftetenZustand zu halten bzw. der Strom überproportional ansteigt. Die obere Grenze liegt bei ca. 55 bis 65 Hz und wird durch die Feldschwächungund das Lastmoment bestimmt (Rotor fällt wieder ein) -- Abb. 14.UVAbb. 14fmaxfmin105.2 Bremsmotoren2030405060fHzAls Bremsmotoren werden Motoren mit einer Federdruckbremse ausgestattet. Sie haben folgende Aufgaben: Begrenzung des Nachlaufes nach dem Abschalten,Halten des Antriebes in einer definierten Position,Erhöhung der Schalthäufigkeit des Motors.Für die Ansteuerung bei Umrichterbetrieb gibt es zwei Möglichkeiten:Zum einen kann die Bremse vom Umrichter bei abgeschalteter Modulation oder frequenzabhängig und bei Fehlermeldungen angesteuertwerden. Zum anderen besteht die Möglichkeit, durch gleichzeitigesSchalten von Reglerfreigabe und Bremse den Motor zu stoppen.Bremsmotoren finden auf den verschiedensten Gebieten Anwendung,z.B. 22als Stellantriebe und Vorschubantriebe,bei Werkzeugmaschinen,bei Kränen und Aufzügen,für Förderbänder.

ANTRIEBSTECHNIK5.3 SynchronmotorSynchronmotoren haben konstante Betriebsdrehzahlen, die sich auchbei normalen Lastschwankungen nicht ändern. Sie arbeiten mit demSchlupf s 0 %.Synchronmotoren ziehen im nicht synchronen Betrieb ein Vielfachesdes Nennstroms. Bei Überlast geraten sie außer Tritt.Frequenzumrichter müssen für Synchronmotoren auf den Strom ausgelegt und entsprechend überdimensioniert werden.Im allgemeinen werden Synchronmotoren jedoch nicht als Antriebsmotoren, sondern vielmehr als Stromerzeugungsaggregate verwendet, da sie deutlich teurer sind als Asynchronmotoren.5.4 ReluktanzmotorNAbb. otoren sind selbstanlaufende, unerregte Synchronmotoren. Der mechanische Aufbau ist identisch mit normalen Drehstromasynchronmotoren. Der Läufer erhält jedoch 2p Reluktanznuten undwird dadurch magnetisch unrund. -- Abb. 15Wird ein solcher Läufer in ein Drehfeld mit ebenfalls 2p Polen gebracht, so versucht er immer die Stellung des höchsten magnetischenEnergiegehaltes einzunehmen, d.h. er läuft synchron mit.Gute Betriebseigenschaften erhält man nur, wenn die Polzahlen vonStänder und Läufer übereinstimmen. Aus diesem Grunde ist es nichtmöglich, polumschaltbare Reluktanzmotoren mit für beide Drehzahlen vertretbaren Betriebseigenschaften herzustellen.23

Durch den ebenfalls vorhandenen Kurzschlußläuferkäfig läuft der Motornach dem Einschalten asynchron bis nahe an die synchrone Drehzahlhoch. In diesem Betriebspunkt ist dem asynchronen Drehmoment einPendelmoment mit der verbleibenden Schlupffrequenz überlagert.Ob der Motor synchronisiert ("in Tritt fällt"), hängt davon ab, ob dasverbleibende Beschleunigungsmoment ( asynchrones Moment positives Pendelmoment - Lastmoment) ausreicht, das gesamte Trägheitsmoment während der letzten (elektrischen) Umdrehung auf diesynchrone Drehzahl zu beschleunigen. Hieraus folgt, daß die Angabeeines sog. "Intrittfallmomentes" allgemein nicht möglich ist.Im synchronen Betrieb gleicht der Motor einer Drehfeder, die unterBelastung gegen das Drehfeld verdreht wird. Wird hierbei das synchrone Kippmoment überschritten, fällt der Motor außer Tritt und läuftasynchron weiter. Dieser Betriebszustand führt bei längerer Dauer zurthermischen Zerstörung des Motors infolge erhöhter Stromaufnahmeund ist daher zu vermeiden.Da der Reluktanzmotor - wie auch jeder andere Synchronmotor - zusammen mit den externen Schwungmassen ein schwingfähiges Feder-Masse-System darstellt, können bei bestimmten Drehzahlen Eigenresonanzen auftreten. Besonders bei in größeren Drehzahlbereichenzu betreibenden Regelantrieben kann diese Tatsache Probleme bereiten und ist daher vor Serieneinsatz sorgfältig zu überprüfen.Reluktanzmotoren sind wegen des einfachen Aufbaus im Vergleich zuSynchronmotoren besonders preiswert und robust. Dieser Vorteil wirdallerdings erkauft durch einen schlechteren Wirkungsgrad und einenim allgemeinen wesentlich schlechteren Leistungsfaktor (cosϕ 0,3. 0,7) sowie ein größeres Volumen als bei normalen Asynchronmotoren.Meist sind Reluktanzmotoren in Y-Schaltung 220 V verdrahtet. Es istauf den Strom zu achten (z.B. 1,4 kW / 10,5 A). Der Frequenzumrichter für solch einen Motor muß unbedingt auf den Strom ausgelegtwerden. Außerdem sollte man sich erkundigen, ob eine Umverdrahtungmöglich ist. Anwendung findet der Motor überall dort, wo gleichlaufende Antriebe benötigt werden, z.B. Förderbänder, Textilmaschinen usw.MNmAbb. 16DrehzahlDrehmomentKennlinie einesReluktanzmotorsim Tritt /Synchronbetriebns24n1/min

ANTRIEBSTECHNIK5.5 DrehfeldmagneteDrehfeldmagnete sind Drehstrom-Asynchronmotoren mit besondererLäuferform. Sie sind elektrisch so bemessen, daß sie bei Nennspannungen mit festgebremster Welle im Dauer- bzw. Aussetzbetriebeingeschaltet bleiben können und dabei ihr größtes Drehmoment, dasStillstandmoment, entwickeln. Der Motornennstrom wird für den Stillstand angegeben. Diese Motoren werden meistens eingesetzt für: be undAntriebe mit extremer Schalthäufigkeit am Netz.MNmMnabnehmende Eingangsspannung U1Abb. 17Mn Moment imDauerbetriebn1/minIAn1/min25

6.Der Frequenzumrichter (FU)6.1 PrinzipiellerAufbauIn Abb. 18 ist der grundsätzliche Aufbau des Leistungsteils einesFrequenzumrichters mit Gleichspannungszwischenkreis (sog. „U Umrichter“) dargestellt.L1Abb. 18L2 UNR (L3)NetzgleichrichterU UZKCZwischenkreisV WechselrichterWM3 MotorDer Netzgleichrichter besteht aus einer ungesteuerten ein- oderdreiphasigen Brückenschaltung, wobei die einphasige Ausführung nurauf kleine Leistungen beschränkt ist. Seine Aufgabe ist es, die Wechselspannung des Netzes in eine Gleichspannung umzuwandeln, die durchden Zwischenkreiskondensator geglättet wird, so daß im Idealfall (Umrichter unbelastet) der Zwischenkreis auf eine Spannung vonGleichung 18UZK 2.UNaufgeladen ist.Da beim Aufladen des Zwischenkreiskondensators kurzzeitig sehr hoheStröme fließen, die zur Auslösung der Eingangssicherungen oder sogar zur Zerstörung des Netzgleichrichters führen würden, muß derLadestrom auf ein zulässiges Maß begrenzt werden. Man erreicht diesdurch den Einschaltstrom-Begrenzungswiderstand R in Reihe zum Kondensator, der nach erfolgter Aufladung des Kondensators z. B. durchein Relais überbrückt wird und somit nur beim Einschalten des Umrichters aktiv ist.Da zur Glättung der Zwischenkreisspannung eine große Kapazität erforderlich ist, führt der Kondensator nach der Trennung des Umrichtersvom Netz noch für einige Zeit eine hohe Spannung, was durch einesog. Charge-LED angezeigt wird.Die eigentliche Aufgabe des Frequenzumrichters, eine nach Frequenzund Amplitude variable Ausgangsspannung zur Steuerung einesDrehstrommotors zu erzeugen, übernimmt der Wechselrichter. Wiedas geschieht, wird im folgenden Kapitel beschrieben.26

ANTRIEBSTECHNIK6.2 Drehspannungserzeugung mitPulsweitenmodulation (PWM)Im Wechselrichter des Frequenzumrichters werden Transistoren eingesetzt, die im reinen Schaltbetrieb arbeiten. Während noch zu Beginn der 90er Jahre die Bipolartransistoren mit relativ kleinen Schaltfrequenzen bis 2 kHz dominierten, kommen heute fast ausschließlichdie verlustärmeren Feldeffekttransistoren sowie IGBT’s, eine Synthese aus beiden Typen, zum Einsatz. Diese Transistortypen ermöglichen Schaltfrequenzen bis 16 kHz und damit extrem geräuscharmeAntriebe.Die Schaltung des Wechselrichters ist in Abb. 19 dargestellt.IT1Abb. 19T3T5UVWUZKT4T6M3 T2Wie an Abb. 19 zu erkennen ist, kann nur dann ein Stromfluß durchdie Motorwicklung zustande kommen, wenn mindestens einer der 3Transistoren T1, T3 und T5 sowie zusätzlich einer der 3 TransistorenT4, T6 und T2 durchgeschaltet ist.In der Praxis werden immer 3 Transistoren gleichzeitig angesteuert.Das Schema der Ansteuerung ist in Abb. 20 zu erkennen.T1T2Abb. 20Zündfolge derWechselrichterzweige (1 Zyklus)T3T4T5T60 60 120 180 240 300 360 27

Da beim Abschalten eines Transistors der Strom aufgrund der Motorinduktivität nicht schlagartig zu Null werden kann, sind antiparalleleDioden erforderlich, auf die der Strom im Schaltaugenblick kommutieren kann (vgl. Abb. 22).Durch das zyklische Schalten der Wechselrichterzweige wechselt derStrom in den 3 Ausgangsphasen um 120 versetzt ständig seine Richtung, so daß ein symmetrisches Drehstromsystem entsteht, dessenFrequenz von der Zyklusdauer der Wechselrichterzündfolge (-- Abb.20) abhängt und dessen Amplitude durch das Verhältnis von Einschaltdauer zu Ausschaltdauer der Transistoren bestimmt wird.Dieses Tastverhältnis ist bei der sinusbewerteten Pulsweitenmodulationzu Beginn und Ende einer Halbwelle klein, in der Mitte dagegen groß,so daß die Sinusform möglichst oberschwingungsarm angenähert wird(-- Abb. 21).30 HzAbb. 21Ausgangsspannungdes U-Umrichters(Pulsumrichter),prinzipielle Darstellung mit eingezeichneter Grundschwingung20 Hz10 Hz28

ANTRIEBSTECHNIKDie vollständigen Strom- und Spannungsverläufe in der Wechselrichterphase U veranschaulicht Abb. 22.IT1ID1T1UZKT3IT4ILastID4T4VMUVWUUV3 T2T6UAbb. 22UYT5WUUVUYILastIT1ID1IT4ID4Je höher die Taktfrequenz ist, d.h. die Frequenz, mit der die Transistoren während einer Halbwelle ein- und ausgeschaltet werden, umsogenauer kann der Strom der Sinusform angenähert werden und umsogeringer werden die zusätzlichen Verluste im Motor.Gleichzeitig verschieben sich die Oberschwingungen zu höheren Frequenzen, die bei Taktfrequenzen ab etwa 16 kHz außerhalb desmenschlichen Hörbereiches liegen.29

6.3 Eingangs- undAusgangsgrößenDa die Strom- und Spannungsverläufe jedes Frequenzumrichters mehroder weniger stark von der idealen Sinusform abweichen, sollen sieim folgenden genauer beschrieben werden.6.3.1 Eingangsspannung,EingangsstromDie Eingangsspannung ist diejenige Umrichtergröße, die der idealenSinusform am nächsten kommt. Abweichungen treten nur auf, wennbei zu großen Netzimpedanzen oder Zuleitungswiderständen durchdie Nachladeströme des Zwischenkreiskondensators im Bereich desScheitelwertes nennenswerte Spannungsabfälle im Netz bzw. in denZuleitungen auftreten (Abb. 23).Spannungseinbruchbei schwachen Netzen5 A / DIV100 V / DIVUIAbb. 23Eingangsgrößendes Umrichters bei1phasigem AnschlußDer Eingangsstrom besteht aus Stromspitzen, die immer genau dannauftreten, wenn der Zwischenkreiskondensator über den Eingangsgleichrichter nachgeladen wird. Dieser Nachladevorgang setzt ein,wenn die Zwischenkreisspannung UZK auf den Betrag der augenblicklichen Netzspannung UN zurückgegangen ist und die Gleichrichterbrücke damit vom sperrenden in den leitenden Zustand übergeht.Der Spitzenwert des Stromes I1 liegt etwa um den Scheitelfaktor 3 . 5über dem Effektivwert, was insbesondere auch bei der Dimensionierungdes Zuleitungsquerschnittes und der Sicherungen zu beachten ist.Die Amplitude der Stromspitzen nimmt mit der Auslastung des Umrichters zu, da der Gleichrichter während der Nachladephase nebendem Ladestrom für den Zwischenkreiskondensator auch den Ausgangsstrom des Umrichters bereitstellen muß.Die in Abb. 23 dargestellten Strom- und Spannungsverläufe sind nichtnur bei Frequenzumrichtern, sondern grundsätzlich bei allen Gerätenmit ungesteuerten Netzgleichrichtern (z.B. bei Geräten der Unterhaltungselektronik) anzutreffen. Der Netzleistungsfaktor cosϕ istkapazitiv und annähernd 1, allerdings muß das Netz eine nicht unerhebliche Verzerrungsblindleistung zur Verfügung stellen, die bei höheren Leistungen durch Netzdrosseln reduziert werden muß.30

ANTRIEBSTECHNIK6.3.2 ZwischenkreisspannungDer netzseitige Gleichrichter stellt dem Zwischenkreis eine ungeglätteteGleichspannung mit folgendem Verlauf zur Verfügung:UdNetzspannung 230 VÛ

3 Mot.71: Drehstrommotor, dessen Wellenmitte sich 71 mm über der Befestigungsplatte befindet. 1,10/1,95 A: Nennstrom bei Sternschaltung 1,1 A Nennstrom bei Dreieckschaltung 1,95 A 1410 min-1: Nenndrehzahl des Motors 1410 min Y/ 380/220 V: Wicklung ist für eine Anschlußs