EMV-gerechtes Design in der Leistungselektronik
Messtechnik in der Leistungselektronik
Motordaten für die Parametrierung von Umrichtern ermitteln
Umrichter für eine bürstenlosen DC-Maschine (BLDC)
Mikrocontrollergesteuerter Hochsetzsteller für eine LED-Beleuchtung
Umrüstung einer Tischbohrmaschine mit einem Umrichter
Ermittlung der Motorparameter für den Betrieb an einen Micromaster 440 Umrichter
Eine preisgünstige luftgekühlte No-Name-Frässpindel mit Asynchronmotor chinesischer Provenienz soll an einem Siemens Micromaster440-Umrichter betrieben werden. Leider sind die Daten der Asynchronmaschine nur sehr spärlich vorhanden. Verlässlich ist lediglich die Angabe der Nennspannung U1=220 V und der Nennfrequenz f1=400 Hz. Die Leistungsangabe von 1,5 kW lässt offen, ob es sich um die mechanische oder um die elektrische Leistung handelt. Zum (Nenn-?)Strom finden sich zwei Angaben: 6 A oder 8 A. Leistungsfaktor und Nenndrehzahl oder -schlupf werden verschwiegen. Lediglich die synchrone Drehzahl wird mit 24000 1/min angegeben und erlaubt somit die Ermittlung der für diese Anwendung naheliegenden Polpaarzahl p=1.
Da kein Prüfstand für diesen Drehzahlbereich zur Verfügung stand, mussten die Nennbetriebswerte der Asynchronmaschine auf andere Art und Weise ermittelt werden. Diese werden normalerweise im Betrieb der Maschine am starren Netz gemessen und können somit prinzipiell auch über die Stromortskurve bzw. den Heyland- oder Ossanna-Kreis abgeschätzt werden.
Um die Stromortskurve der Asynchronmaschine zu zeichnen, werden drei Betriebspunkte benötigt: Der ideelle Leerlaufpunkt P0, der Anlauf- bzw. Kurzschlusspunkt Pk und der (fiktive) Betriebspunkt mit unendlichem Schlupf P∞.
In guter Näherung kann der ideelle Leerlauf, bei welchem die Maschine durch einen zweiten Motor mit ihrer synchronen Drehzahl angetrieben wird, durch den realen Leerlauf ersetzt werden. Als Drehstromquelle dient der für die Maschine vorgesehene Umrichter, der auf U/f-Betrieb mit 220 V und 400 Hz parametriert wird. Über die Parameter r0027 (Ausgangsstrom) und r0086 (Wirkstrom) ermittelt der Umrichter selber den für das Zeichnen der Stromortskurve benötigten Vektor des Leerlaufstroms.
Die beiden anderen Betriebspunkte werden rechnerisch ermittelt. Hierzu werden die Reaktanz und der ohmsche Widerstand bei stillstehendem Rotor, also im sogenannten Kurzschluss der Maschine benötigt. Da die Asynchronmaschine im Rotor geschlossene Nuten aufweist, ist die Kurzschlussreaktanz stromabhängig: sie weist eine ausgeprägte Sättigungscharakteristik auf. Die Messung mit einer LCR-Messbrücke scheidet somit aus. Stattdessen werden zwei Stränge der Maschine von einem Netztransformator gespeist. Klemmenstrom und -spannung werden mit einem Leistungsmesser erfasst. Mit verschiedenen Spannungen wird eine Messreihe aufgenommen. Aus den Effektivwerten von Strom und Spannung und dem Leistungsfaktor (cos φ) wird der ohmsche Kurzschlusswiderstand Rk ermittelt. Dieser ist aufgrund der sättigungsabhängigen transformatorischen Kopplung zwischen Stator- und Rotorwicklung ebenfalls nicht konstant. Mit dem Sinus des Phasenwinkels (sin φ) kann die Kurzschlussreaktanz ebenfalls aus den Messwerten ermittelt werden. Am rechten Rand dieser Seite sind die beiden erwähnten Messreihen dargestellt (durch Anklicken der kleinen Vorschaubilder öffnet sich jeweils ein größeres Bild).
Als letzter Parameter wird der ohmsche Widerstand der Statorwicklung R1 benötigt. Dieser muss unbedingt mit Gleichstrom gemessen werden, da ansonsten die transformatorische Kopplung zwischen der Statorwicklung und der in sich kurzgeschlossenen Rotorwicklung die Messung verfälscht.
Nun werden die drei Punkte in die komplexe Ebene eingezeichnet und der Kreis der Stromortskurve kann konstruiert werden. Als Nennstrom wird der Dauer-Ausgangsstrom von 5,5 A des vorhandenen einphasigen Umrichters Micromaster 440 mit einer Nennleistung von 1,1 kW angenommen. Aus dem Winkel des Nennstromvektors zum Spannungszeiger auf der reellen Achse wird der Nennleistungsfaktor der Asynchronmaschine bestimmt. Mittels Schlupfbezifferung kann der Nennschlupf der Maschine abgelesen werden. Auch der Wirkungsgrad der Maschine im Nennpunkt kann aus der Stromortskurve abgeschätzt werden. Das Lot vom Nennpunkt auf die imaginäre Achse wird von der Geraden durch Kurzschluss- und Leerlaufpunkt in zwei Teile geteilt. Die Länge der oberen Strecke entspricht der mechanisch abgegebenen Leistung im Nennpunkt, die Länge der unteren Strecke entspricht der Summe der Verluste.
Damit sind alle Größen der Asynchronmaschine im Nennpunkt ermittelt, die für die
Parametrierung des Micromaster 440 Umrichters benötigt werden:
U1 = 220 V
f1 = 400 Hz
n = 22400 1/min
I1 = 5,5 A
cos φ = 0,74
η = 83 %
P = 1,3 kW