Motion-Designlösung Drehzahlgeregelte Antriebe für Industrie und Haushalt

Die Entwicklungsplattform iMOTION umfasst Bauteile, die in Kombination mit IPs und Software-Tools den einfachen Aufbau drehzahlgeregelter Motorantriebe ermöglichen.

Anbieter zum Thema

EBV Elektronik GmbH & Co. KG

Bicker Elektronik GmbH

RECOM Power GmbH

In einem Induktionsmotor wird ein Teil des Wicklungsstroms zur Induktion von Wechselströmen im Rotor verwendet. Die Rotorströme erzeugen ein Magnetfeld, das mit den Magnetfeldern der Statorströme in Wechselwirkung tritt und dadurch ein Drehmoment erzeugt. Die einfachste Methode zur Ansteuerung eines Induktionsmotors liegt im direkten Anschluss an die Netzwechselspannung.

Allerdings bringt dieses Verfahren viele Einschränkungen mit sich, insbesondere die, dass die Motorantriebsfrequenz fest ist – auch wenn die tatsächliche Motordrehzahl von der Last abhängt. Außerdem ist es nicht möglich, einen Mehrphasenmotor direkt von einer einphasigen Leitung zu betreiben.

Permanentmagnetmotoren, die ein durch die Rotormagnete erzeugtes festes Magnetfeld aufweisen, gewährleisten einen höheren Wirkungsgrad, benötigen jedoch zu ihrem Betrieb grundsätzlich zusätzliche Elektronikschaltungen. Diese Elektronik- topologie, die als Wechselrichter oder Inverter bezeichnet wird, bietet einen weiteren Vorteil – eine drehzahlgeregelte Bewegung. Die verbreitetsten drehzahlgeregelten Motoren haben 3-Phasen-Wicklungen, die erforderliche Mindestanzahl, um ein gleichmäßiges Drehmoment zu erzeugen.

Technische Grundlagen von Wechselrichtern

Dieser Beitrag beginnt mit der Beschreibung der grundsätzlichen Topologie der Leistungselektronik, einem für den drehzahlgeregelten Elektromotor verwendeten Dreiphasen-Wechselrichter. Das Design einer derartigen Schaltung ist alles andere als trivial. Deshalb wird jeder verwendete Halbleiterbaustein der Reihe nach behandelt. Dabei sind Einschränkungen und Überlegungen bei der Auswahl jeder einzelnen Komponente ebenso herausgestellt wie die Grundsätze für das Layout einer solchen Schaltung. Im Anschluss daran werden Wechselrichtermodule und Motorcontroller einer kurzen Betrachtung analysiert, bevor ein Blick in die zukünftige Technik von drehzahlgeregelten Antrieben den Abschluss bildet.

Der Wechselrichter wandelt, vereinfacht ausgedrückt, eine Gleichspannung in die zur Energieversorgung des angeschlossenen Systems oder Gerätes notwendige Wechselspannung um. Ein dreiphasiger Wechselrichter konvertiert also Gleichstrom (DC) in einen dreiphasigen Wechselstrom (AC).

Bild 1 zeigt die grundlegende Topologie eines dreiphasigen Wechselrichters. Dieser besteht aus drei Transistorpaaren, die jede Phasenwicklung des Motors entweder mit dem positiven oder mit dem negativen Knoten der DC-Bus-Eingangsspannung verbinden. Es gibt verschiedene Methoden zum Schalten der Transistoren (gelegentlich auch als Leistungsstufe bezeichnet), damit diese Transistoren eine Wechselspannung an den Motor liefern: von der einfachen sechsstufigen über die trapezförmige Modulation bis hin zur sinusförmigen Modulation mit Einspeisung der dritten Oberwelle zur maximalen Ausnutzung des DC-Busses.

Mit Ausnahme der grundlegendsten Schaltmethoden liefern diese Techniken die Grundfrequenz für den elektrischen Motorantrieb durch PWM-Schaltung. In den folgenden Abschitten des Beitrag wird nicht auf Einzelheiten der verschiedenen Modulationssysteme für Motorantriebe eingegangen, es sei denn, sie hätten Auswirkungen auf die Bauelementeauswahl oder die Wechselrichterentwicklung.

Über die sechs Transistoren hinaus, welche die Energiezufuhr zu den Motorwicklungen modulieren, gibt es zahlreiche andere Komponenten, die man zur Implementierung praktischer Wechselrichter für Anwendungen benötigt. Ein intelligenter IC für die Motorregelung, bei dem es sich um einen applikationsspezifischen oder einen allgemeinen Mikrocontroller handeln kann, ist zur Schaltsteuerung des Wechselrichters sowie zur Erzeugung von Rückkopplungssignalen erforderlich, während ein Gateansteuerungs-IC (Gatetreiber) in nahezu allen Fällen die Schnittstelle zwischen Controller und den Gates der Transistoren bildet. Zu weiteren üblichen Bauelementen eines Inverter-Systems zählen Shunt-Widerstände oder Halleffektsensoren zur Strommessung, eine Dioden-Gleichrichterbrücke zur Umwandlung der AC-Versorgung am Eingang des DC-Busses oder Temperatursensoren, die die Transistoren vor Überhitzung schützen.

Bei der Auswahl der sechs Schalter (Inverter-Switches), aus denen die drei Wechselrichterphasen bestehen, ist eine Reihe von Faktoren zur berücksichtigen. Dabei kommt man aber nicht umhin, viele Kompromisse zu schließen. Auf einige davon wird nachfolgend eingegangen, doch ist eine vollständige Nennung nicht möglich, weil jede Anwendung ihre eigenen speziellen Beschränkungen hat.

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