Drehzahlsteuerung von Asynchronmotoren mit Frequenzumrichtern

Handlungssituation

Für die beiden Förderbänder und den Hubantrieb müssen passende Frequenzumrichter ausgewählt werden. Anschließend müssen die Frequenzumrichter angeschlossen und parametriert werden.

Frequenzumrichter haben die Aufgabe, aus der 50 Hz-Netzspannung eine Wechselspannung mit variabler Frequenz und variablen Effektivwert zu erzeugen. Die Drehzahl eines Asynchronmotors steigt proportional zur Frequenz der Ständerspannung:

n(f) = f(1 - s)/p
       

In das Bedienfeld des Frequenzumrichtes werden die Parameter (z. B. Motordaten, Hochlaufzeit und Bremszeit) eingegeben.

Wirkschaltplan eines Frequenzumrichters


Ein Frequenzumrichter besteht aus einem Gleichrichter, einem Zwischenkreis und einem Wechselrichter.

Aufgaben

  1. Zeichnen Sie den Wirkschaltplan eines Frequenzumrichters.
  2. Beschreiben Sie den Aufbau eines Frequenzumrichters.
  3. Welche Aufgabe hat der Gleichrichter, der Zwischenkreis, der Wechselrichter und die Steuerelektronik?
  4. An den Eingang des Frequenzumrichters wird nur ein Aussenleiter und der Neutralleiter angeschlossen. Der Ausgang hat aber drei Anschlüsse. Geben Sie eine Begründung.

Gleichrichter

Der Gleichrichter wandelt den Netzwechselstrom in einen Gleichstrom um.

Messschaltung für eine B2U-Schaltung ohne Glättungskondensator


Die sinusförmige Wechselspannung wird durch den Brückengleichrichter in eine sinusförmige pulsierende Gleichspannung umgewandelt.

Ausgangsspannung der B2U-Schaltung


Der aritmetische Mittelwert der Ausgangsspannung beträgt 64% des Spitzenwertes.

Aufgaben

  1. Was bedeutet die Bezeichnung B2U?
  2. Beschreiben Sie den Aufbau des Brücken-Gleichrichters.
  3. Beschreiben Sie die Funktionsweise des Gleichrichters.
  4. Simulieren Sie eine Brückengleichrichterschaltung mit Glättungskondensator und Lastwiderstand. Verändern Sie den Lastwiderstand und beobachten Sie Sie den Verlauf der Ausgangsspannung.
  5. Beschreiben Sie die Form des Eingangsstromes.
  6. Untersuchen Sie das Betriebsverhalten einer B6U-Gleichrichterschaltung.

Betriebsverhalten


Für die Ständerspannung gilt nach dem ohmschen Gesetz:

U(f) = 2⋅π⋅I⋅L⋅f    (zur Erinnerung y = m⋅x,  mit m = 2⋅π⋅I⋅L )

Bei Frequenzen unterhalb der Eckfrequenz muss die Ständerspannung reduziert werden, damit der Ständerstrom konstant bleibt.

Das Drehmoment M ist proportional zum magnetischen Fluss Φ und damit proportional zur Stromstärke.

Bis zur Eckfrequenz ist das Drehmoment konstant. Oberhalb der Eckfrequenz verläuft das Drehmoment M umgekehrt proportional zur Stromstärke.

Aufgaben

  1. Zeichnen Sie die Spannungs-Frequenzkennlinie U = g(f) und beschreiben Sie den Verlaufder Spannungsfrequenzkennlinie.
  2. Zeichnen Sie das Ersatzschaltbild einer Ständerwicklung und begründen Sie den Verlauf der Spannungsfrequenzlinie.
  3. Eine Ständerwicklung eines Drehstromasynchromnmotors hat eine Induktivität von 300 mH. Zeichnen Sie die Widerstandskennlinie einer Ständerwicklung für die Frequenz zwischen 0 bis 50 Hz.
  4. Der Drehstrommotor mit einer Wicklungsinduktivität von L = 300 mH wird bei einer Ständerspannung von 400 V mit einer Frequenz von 25 Hz betrieben. Wie groß ist die Stromstärke?
  5. Begründen Sie den Verlauf der Spannungsfrequenzkennlinie.
  6. Bei einer Ständerspannung von 400 V hat der Asynchronmotor eine Drehzahl von 1440 U/min. Welche Drehfrequenz hat der Motor bei 25 Hz? Welche Spannung liegt an der Ständerwicklung an?
  7. Zeichnen Sie den qualitativen Verlauf des Drehmomentes M = g(f). Begründen Sie den Verlauf.
  8. Was versteht man unter Boost?

Wechselrichter

Der Wechselrichter wandelt die Ausgangsspannung des Gleichrichters in eine rechteckförmige Wechselspannung um.

Durch Veränderung der Einschaltzeit wird der Effektivwert der Ausgangsspanung reduziert.

Schaltung eines 3-Phasen-Wechselrichters


Die sechs Transistoren müssen so angesteuert werden, dass eine dreiphasige Wechselspannung (Drehstrom) entsteht.

Pulsweitenmodulierte Ausgangsspannung (PWM)

Durch die Pulsweitenmodulation wird die Ausgangsspannung der Sinusform angeglichen.


Bei der Pulsweitenmodulation werden die Rechtecke der positiven und negativen Halbwellen in mehrere Blöcke mit variabler Pulsweite aufgeteilt. Dadurch soll der arithmetische Mittelwert der Halbwellen einer Sinusform angeglichen werden. An der Stelle, wo der Sinus sein Maximum hat, befindet sich die größte Pulsweite. Links und rechts davon verringern sich die Pulsweiten entsprechend der Sinusform.

Aufgaben

  1. Beschreiben Sie die Funktionsweise eines Schalttransistors.
  2. Zeichnen Sie die Schaltung eines 1-Phasen-Wechselrichters.
  3. Beschreiben Sie die Funktionsweise des Wechselrichters.
  4. Zeichen Sie die Ausgangsspannung eines 1-Phasen-Wechselrichters.
  5. Wie lässt die Ausgansspannung reduzieren?
  6. Zeichnen Sie den Schaltplan eines Wechselrichters für Drehstrom.
  7. Was versteht man unter Pulsweitenmodulation (PWM)?
  8. Beschreiben Sie die Form einer pulsweitenmodulierten Spannung.
  9. Begründen Sie die Form einer pulsweitenmodulierten Spannung.
  10. Welche Probleme ergeben sich durch die Pulsweitenmodulation?

Installation


Der Frequenzumrichter wird über ein Schütz eingeschaltet.

Aufgaben

  1. Beschreiben Sie wie ein Frequenzumrichter angeschlossen wird.
  2. Welche Aufgabe haben die Sicherungen F11/F12/F13? Begründen Sie den Installationsort.
  3. Was ist bei der Installation eines Frequenzumrichters zu beachten?
  4. Wozu dient die Abschirmung der Motorzuleitung?

Parametrieren des Frequenzumrichters

Folgende Parameter müssen in den Frequenzumrichter eingegeben werden:

Wegen der Massenträgheit der Arbeitsmaschine darf die Drehzahl beim Hochlaufen nur langsam erhöht werden.

Aufgaben

  1. Beschreiben und begründen Sie den typischen Verlauf einer Bahnkurve.
  2. Wie werden Frequenzumrichter parametriert?
  3. Welche Parameter müssen eingegeben werden?
  4. Erstellen Sie einen Arbeitsplan für die Inbetriebnahme eines Frequenzumrichters.
  5. Ein Förderband soll sich mit einer Geschwindigkeit von 0,1 m/s bewegen. Der Durchmesser der Antriebsrollen beträgt 10 cm. Ein Getriebe reduziert die Motordrehzahl um 1/6. Welche Motordrehzahl muss dem Frequenzumrichter als Drehzahlparameter übergeben werden?
  6. Wählen Sie geeignete Parameter für die Hochlauf- und Bremszeit.
  7. Tragen Sie die Parameter für den ausgewählten Motor und Frequenzumrichter in eine Tabelle ein.

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