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Stellgeräte für elektrische Antriebe

 

Pulssteller für Drehstrommotoren (inkl. bürstenlose Gleichstrommotoren)

Stellgeräte für Drehstrommotoren wandeln die Wechselspannung des speisenden elektrischen Netzes in eine Wechselspannung mit veränderlicher Frequenz und Amplitude um. Frequenz und Amplitude der bereitgestellten Wechselspannung dienen als Stellgrößen für die angeschlossenen Drehstrommotoren. Dabei ist es unerheblich, ob es sich um Synchron- oder Asynchronmotoren handelt.
Bürstenlose Gleichstrommotoren sind, sofern sie 3-phasig ausgeführt werden, Synchronmotoren sehr ähnlich. Folglich gibt es zwischen den Stellgeräten für Drehstrommotoren und bürstenlosen Gleichstrommotoren keine grundsätzlichen Unterschiede. Sie werden deshalb gemeinsam behandelt.

Stellgeräte für Drehstrommotoren und bürstenlose Gleichstrommotoren werden bei Servoanwendungen nahezu ausschließlich als Pulsteller realisiert.

 

Beschreibung von Drehstrommotoren

Drehstrommotoren sind dreiphasig aufgebaut. Sie sind in ihrem elektrischen Verhalten deshalb komplexer und schwieriger zu beschreiben als Gleichstrommotoren. Aus diesem Grund werden einige Vereinfachungen vorgenommen:

• Ihr Wicklungssystem wird nicht in der tatsächlichen geometrischen Ausprägung sondern in Form konzentrierter Induktivitäten dargestellt.
• Die elektrischen Größen Strom, Spannung und magnetischer Fluss der 3 Wicklungen werden zu einer resultierenden Größe zusammengefasst und als Raumzeiger dargestellt.

 

Die Raumzeigerdarstellung

Zur Verdeutlichung der Strom- und Spannungsverläufe hat sich bei Drehstrommotoren die Raumzeigerdarstellung bewährt. Dazu wird über die schematische Darstellung der Motorwicklungen ein Koordinatensystem gelegt. Die Ströme und Spannungen der einzelnen Wicklungen werden als Vektoren betrachtet, deren Achsen mit denen der zugeordneten Wicklungen übereinstimmen. Die Richtungen der Vektoren ergeben sich aus dem Vorzeichen der wirksamen Ströme und Spannungen, die Längen der Vektoren ergeben sich aus den Beträgen der wirksamen Ströme und Spannungen. Jeder Wicklung wird damit ein Vektor zugeordnet, der seine Größe und seine Richtung entsprechend dem zeitlichen Verlauf des Phasenstromes oder der Phasenspannung ändert. Diese Vektoren erwecken den Anschein, als ob sie "pulsieren".

Die Strom- und Spannungsvektoren der einzelnen Wicklungen werden zu einem resultierenden Vektor, dem so genannten Raumzeiger durch vektorielle Addition zusammengefaßt. Diese Raumzeiger beschreibt den augenblicklichen Zustand des Motors hinsichtlich der physikalischen Größen Strom und Spannung. Im Gegensatz zu den Vektoren der einzelnen Phasen "pulsiert" er nicht sondern führt eine Bewegung aus. Zum Beispiel rotiert der resultierende Raumzeiger bei ideal sinusförmigen Phasengrößen mit einer konstanten Geschwindigkeit.
Für magnetische Größen, wie zum Beispiel die Flußverkettung, wird die Raumzeigerdarstellung in gleicher Weise angewendet. Drehstrommotoren sind damit vollständig durch Raumzeiger zu beschreiben. Da bürstenlose Gleichspannungsmotoren vom Aufbau her den Drehstrommotoren sehr ähnlich sind, kann die vektorielle Beschreibung im Grundsatz auch auf sie angewendet werden.

Hinweis: Aufgrund der vektoriellen (geometrischen) Addition der Phasenströme bzw. der Phasenspannungen heben sich diese nicht auf, wie es bei der skalaren Addition der Fall ist. Bei der skalaren Addition ergibt die Summe der Ströme Null.

 

Aufbau und Funktionsweise des Pulsstellers

Die Entstehung der Zwischenkreisspannung, die als Eingangsgröße für den Pulssteller dient, wurde bereits beschrieben. Die folgenden Ausführungen beschränken sich deshalb auf den Pulssteller.

Der Pulssteller wandelt die Zwischenkreisspannung in eine 3-phasige pulsierende Ausgangsspannung um. Er besteht aus 6 Transistoren und 6 Freilaufdioden. Jeweils zwei Transistoren sind in Reihe geschaltet. Parallel zu jedem Transistor ist eine Freilaufdiode angeordnet. Sie weist jeweils die entgegengesetzte Stromflussrichtung des zugehörigen Transistors auf.
Jeweils 2 Transistoren und 2 Dioden bilden einen Brückenzweig. An jedem Brückenzweig ist eine Phase des Drehstrommotors oder des bürstenlosen Gleichstrommotors angeschlossen.

Die Transistoren werden so angesteuert, dass in jedem Brückenzweig entweder der obere oder der untere Transistor leitend ist. Der Schaltzustand der Brückenzweige wird deshalb entweder mit einer logischen 1 oder einer logischen 0 beschrieben. 1 bedeutet, dass der obere Transistor angesteuert ist. 0 bedeutet, dass der untere Transistor angesteuert ist.

Je nach Schaltzustand der einzelnen Brückenzweige liegt an den Wicklungen des Motors entweder der positive oder der negative Pol der Zwischenkreisspannung an. Die wirksame "Summenspannung" ergibt sich aus der Überlagerung der einzelnen an den Wicklungen anliegenden Spannungen. Sie wird zweckmäßigerweise als Raumzeiger dargestellt.
Betrachtet man alle möglichen Schaltzustände des Pulsstellers und stellt die resultierenden Raumzeiger der Ausgangsspannung dar, ergibt sich nebenstehendes Bild. Man erkennt, dass der Pulssteller

• 6 aktive Spannungszeiger mit einem Spannungsbetrag ungleich 0 und
• 2 so genannte Nullzeiger mit einem Spannungsbetrag gleich 0

realisieren kann. Andere Spannungen können vom Pulssteller nicht erzeugt werden. Da diese für den geregelten Betrieb des Motors jedoch erforderlich sind, müssen sie als Mittelwert aus den erzeugbaren Spannungen gebildet werden. Der Pulssteller generiert deshalb eine Folge von Spannungsraumzeigern, die im Mittelwert über einen bestimmten Zeitraum betrachtet die gewünschte Sollspannung ergeben.
Der Betrag der aktiven Spannungsraumzeiger wird über ihre Einschaltdauer und damit die "Breite" des Spannungsimpulses gesteuert. Pulssteller für Drehstrommotoren arbeiten damit ebenfalls mit Pulsbreitenmodulation.