Regelung elektrischer Antriebe

Energie ist die Voraussetzung und Basis jeder technischen und industriellen Entwicklung. Solange nur menschliche oder tierische Arbeitskräfte zur Verfügung standen, fehlte eine wesentliche Bedingung sozialen Fortschritts und gerechterer Lebensbedingungen. Die verfügbare Energie je Kopf der Bevölkerung gibt deshalb ein Hinweis auf den Stand der technischen und wirtschaftlichen Entwicklung eines Landes, sie unterscheidet sich um mehr als zwei Größenordnungen zwischen Industrieländern und Entwicklungsländern.

Elektrische Antriebe sind ein Bindeglied zwischen elektrischen und mechanischen Teilsystemen, es ist daher sinnvoll, zunächst einige Zusammenhänge aus der Mechanik ins Gedächtnis zurückzurufen.

Die in Kap. 1 abgeleiteten Gleichungen beschreiben das dynamische Verhalten eines mechanischen Antriebs mit konstantem Trägheitsmoment im stationären und nichtstationären Zustand. Dabei ist eine starre Kopplung des Antriebsstranges angenommen, sodaß alle bewegten Massen zu einem gemeinsamen Trägheitsmoment zusammengefaßt werden können. Die Gleichungen sind als sog. Zustandsgieichungen für die Energie- Inhalte verkörpernden stetigen Zustandsgrößen ω, ε geschrieben (z. B. [36,86]); sie umfassen also nur die mechanischen Vorgänge. Eine genauere Analyse muß sich aber natürlich auch auf die durch weitere Zustandsgrößen und Gleichungen gekennzeichneten elektrischen Einschwingvorgänge erstrecken. Entsprechendes gilt für das Last-Drehmoment m _L, das von der lastinternen Dynamik abhängt, etwa bei einem Aufzug oder einer Werkzeugmaschine. Weiterhin sind die Eingangsgrößen yM, yL der Stellglieder auf der Antriebs- und Lastseite zu berücksichtigen.

Mit den vereinfachenden Annahmen im vorhergehenden Kapitel wird die Bewegung eines einachsigen Antriebs mit konzentrierter Masse durch eine Differentialgleichung erster Ordnung beschrieben, Abb. 3.1, deren Integration den mechanischen Einschwingvorgang liefert. Hierfür gibt es verschiedene Lösungsverfahren.

Die bisherigen Überlegungen befaßten sich ausschließlich mit mechanischen Vorgängen und den zugehörigen stationären und dynamischen Verhältnissen, geeignete Drehmoment/Drehzahl-Kennlinien und ausreichende Leistung sind aber nicht die einzigen Kriterien beim Entwurf elektrischer Antriebe.

Gleichstrommotoren haben das Gebiet drehzahlvariabler elektrischer Antriebe seit hundert Jahren dominiert; sie sind auch heute noch die am weitesten verbreitete Lösung, wenn ein großer Drehzahl-Stellbereich und gute Drehmoment- Dynamik gefordert werden. Die Ursache sind die ausgezeichneten Betriebseigenschaften und die gute Regelbarkeit; der einzige Nachteil ist der mechanische Kommutator, der die Leistung und Drehzahl der Maschine begrenzt, das Trägheitsmoment und die achsiale Länge vergrößert und regelmäßige Wartung erfordert. Bei Drehstrom-Regelantrieben, die von ruhenden Umrichtern mit veränderlicher Frequenz gespeist werden, entfällt der Kommutator, allerdings auf Kosten erhöhter Komplexität. Dies ist einer der Gründe, weshalb es noch eine Weile dauern wird, bis Drehstrommotoren Gleichstromantriebe vollständig verdrängen können.

Dieser Motor unterscheidet sich vom fremderregten Motor nur durch die Form und Anordnung der Feldwicklung gemäß Abb. 6.1, was allerdings sein Betriebsverhalten vollständig verändert. Die in Reihe mit dem Anker geschaltete Feldwicklung führt nun den Ankerstrom, wovon gegebenenfalls ein Teil über einen parallelgeschalteten Feldschwächung-Widerstand R _p geleitet wird. R _α1 ist der Ankerkreiswiderstand, der möglicherweise durch einen externen Widerstand vergrößert ist.

Kap. 5 beschrieb das stationäre und dynamische Verhalten einer Gleichstrommaschine mit unabhängig steuerbarer Anker- und Feldspannung; diese Diskussion wird nun weitergeführt, mit der Gleichstrommaschine als Teil eines Regelsystems; der Anlass dafür ist ihre Eignung als verlustarmer Antrieb in allen Quadranten der Drehmoment/Drehzahl-Ebene und die mit einer Regelung mögliche Anpassung des Motors an die Erfordernisse der mechanischen Last.

Für den in Abs. 7.4 erörterten rotierenden Umformer ist charakteristisch, daß die Energie mehrfach umgeformt wird: von der konstanten Netz-Wechselspannung in mechanische Arbeit (Drehzahl des Umformers), dann in elektrische Form (Spannung des Generators) und wieder zurück in mechanische Arbeit des Antriebsmotors. Diese Umformungen haben einige Vorzüge (getrennte Stromkreise, Entkopplung durch die rotierenden Massen), aber auch wesentliche Nachteile (Aufwand, Fundamente, Leistungsverluste, begrenzte Regeldynamik und notwendige Wartung).

Stromrichter sind wegen ihres praktisch unbegrenzten Leistungsbereichs und der ausgezeichneten Steuerbarkeit ideale Stellglieder für Gleichstrom-Regelantriebe. Ihre Reaktionsgeschwindigkeit ist meistens ausreichend, um die in Antrieben vorkommenden elektromechanischen Ausgleichsvorgänge zu beherrschen. Wenn ein Drehstromnetz verfügbar ist, sind netzgeführte Stromrichter oder Stromrichter mit natürlicher Kommutierung wegen der Einfachheit der Schaltung und der geringen Zahl von Bauteilen die normalerweise bevorzugte Lösung.

Der Asynchron- oder Induktionsmotor ist die am weitesten verbreitete elektrische Antriebsmaschine; seine Einführung am Ende des vergangenen Jahrhunderts hat den Übergang von Gleichstrom zu Drehstrom bei der Erzeugung, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie entscheidend gefördert. Der Hauptvorteil ist der Wegfall aller bewegten Kontakte, was einen einfachen und robusten mechanischen Aufbau ergibt. Asynchronmotoren werden in einer Vielzahl von Konstruktionen von wenigen Watt bis zu vielen Megawatt gebaut.

Ein wichtiges Ergebnis des vorhergehenden Kapitels war die Erkenntnis, daß die Verwendung eines Drehstrommotors als verlustarmer Regelantrieb das Vorhandensein einer Stromversorgung variabler Spannung und Frequenz voraussetzt, die bei größeren Leistungen nur als Umrichter mit Halbleiter-Schaltelementen ausgeführt werden kann. Dies ist notwendig, um bei jeder Drehzahl eine niedrige Läuferfrequenz zu ermöglichen, was eine Voraussetzung für annehmbaren Wirkungsgrad des Antriebes darstellt. Solche Umrichter stehen heute mit Thyristoren, Abschalt-Thyristoren (Gate turn-off thyristors, GTO) und verschiedenen Typen von Schalttransistoren in großer Vielfalt zur Verfügung; zwar sind Komplexität der Regelung und Aufwand bei Drehstrommaschinen höher als bei netzgeführten Stromrichtern für Gleichstromantriebe, doch werden die zusätzlichen Kosten durch Einsparungen beim Motor teilweise ausgeglichen. Wegen der übrigen Vorzüge der Drehstrommotoren geht die Tendenz eindeutig hin zu Drehstrom-Regelantrieben, besonders ausgeprägt ist diese Entwicklung bei Asynchronmotoren:

Der Vergleich der dynamischen Struktur einer Drehstrom-Asynchronmaschine, Gln. (10.50)-(10.53), Abb. 10.16, mit der einer fremderregten Gleichstrommaschine, Gin. (5.1)-(5.4), Abb. 5.4, macht deutlich, daß es sich dabei um eine viel komplexere Regelstrecke handelt. Im Gegensatz zu den raumfesten und unabhängig steuerbaren Fluß- und Ankerstromverteilungen bei der Gleichstrommaschine sind sie bei der Drehstrommaschine stark verkoppelt und gegenüber dem Ständer und Läufer beweglich. Sie werden in komplizierter Weise durch die drei Ständerströme, von denen einer redundant ist, und die Drehzahl bestimmt. Eine zusätzliche Schwierigkeit ist, daß die Läuferströme einer normalen Käfigläufermaschine nicht meßbar sind. Der Drehstrom-Asynchronmotor ist deshalb eine stark nichtlineare Mehrgrößenregelstrecke, die sich dem Zugriff der Regelungstechnik lange entzogen hat.

Manche mechanische Lasten, etwa Verdichter oder Kreiselpumpen, weisen eine starke Abhängigkeit des Drehmomentes von der Drehzahl auf, sodaß ein eingeschränkter Drehzahl-Stellbereich genügt, um den gewünschten Regeleffekt zu erzielen. Das gleiche gilt für rotierende Umformer mit Schwungrad (Abs. 7.4); da sich die kinetische Energie der rotierenden Massen mit dem Quadrat der Drehzahl ändert, besteht wenig Anlaß, sie um mehr als etwa 20 oder 25% vom Nennwert abzusenken. Ähnliche Aufgaben bestehen bei einem Inselnetz mit schwankender Frequenz, z. B. einem Bahnnetz, das über rotierende Umformer aus dem öffentlichen Versorgungsnetz konstanter Frequenz gespeist wird. Eine neuere Anwendung sind Pumpspeicher- Kraftwerke, bei denen die Drehzahl des Generatorsatzes an den veränderlichen Wasserstand im Speicherbecken, d. h. die Förder- oder Fallhöhe, angepaßt wird, um den hydraulischen Wirkungsgrad zu verbessern.

Die Drehzahl eines Synchronmotors mit Gleichstromerregung ist durch die Ständerfrequenz und die Polzahl bestimmt. Solange keine frequenzvariable verlustarme Stromversorgung zur Verfügung stand, war der Betrieb von netzgespeisten Synchronmotoren auf konstante Drehzahl beschränkt. Es gibt Anwendungen, wo dies erwünscht oder die mit Synchronmotoren steuerbare netzseitige Blindleistung wichtig ist. Abgesehen von elektrischen Uhren sind dies vorwiegend Antriebe hoher Leistung, etwa Kompressoren in der chemischen Industrie. Ein anderes Anwendungsgebiet sind Pumpspeicher-Kraftwerke, wo die Generatoren während Schwachlastperioden als Synchronmotoren Pumpen antreiben, um für die spätere Nutzung während Spitzenlastperioden Wasser in Speicherbecken zu fördern. Die Wahl der Antriebsmotoren ist in diesem Fall natürlich nicht frei, doch sind Synchronmaschinen für die Aufgabe sehr gut geeignet; bei Leistungen von mehreren hundert MW stellen sie sogar die einzige mögliche Ausführung dar. Bei Betrieb am frequenzstarren Netz kann es bei großen Synchronmotoren zu Schwingungen kommen, auch ist das asynchrone Anfahren mit der Dämpferwicklung und bei kurzgeschlossener Feldwicklung nicht problemlos, weshalb man in solchen Fällen auch Anfahrumrichter variabler Frequenz einsetzt. Das Verfahren läßt sich auf Synchron-Regelantriebe veränderlicher Frequenz mit vielen interessanten Eigenschaften erweitern.

Die bisherigen Abschnitte befaßten sich hauptsächlich mit den verschiedenen Arten elektrischer Antriebe und ihrer Regelung; Anwendungen kamen nur zur Sprache, sofern sie den Betrieb der Maschine und der zugehörigen Gerätetechnik betrafen. Die Anforderungen an einen mechanischen Antrieb lassen sich ja im allgemeinen nicht durch einen einzigen Motorentyp erfüllen und es gibt zahllose verschiedenartige mechanische Lasten. In diesem Kapitel werden nun einige bei der Anwendung häufig vorkommenden Probleme in mehr Detail betrachtet. Hierfür wird ein Vier-Quadrant-Antrieb zugrundegelegt, bei dem es sich um eine Gleichstrom- oder eine Drehstrommaschine handeln kann; die Anordnung ist in Abb. 15.1 gestrichelt umrahmt; alle bewegten Massen sind zunächst als starr gekoppelt angenommen. Der innere Regelkreis, der den Umrichter und den elektromagnetischen Teil der Maschine umfaßt, ermöglicht eine schnelle Regelung des Drehmoments mit einer Ersatzzeitkonstanten T _e ; die Regelstrecke wird dadurch linearisiert und bei Verwendung eines integrierenden Reglers ist die Verstärkung des geschlossenen Regelkreises Eins. Es besteht dann kein prinzipieller Unterschied zwischen einem Gleichstrom- und einem Drehstromantrieb.