Vektorregelung

Durch Vektorregelung (auch feldorientierte Regelung genannt) erreicht ein Frequenzumrichter eine erweiterte Drehzahl und Positioniergenauigkeit für Elektromotoren.

Allgemein versteht man unter der Vektorregelung ein Bewegen des Raumzeigers (engl. space vector) welcher mit der Motorwelle rotiert. Die Vektormodulation ist hierbei für Drehstrom-Synchronmaschinen und Drehstrom-Asynchronmaschinen unterschiedlich geregelt. Sie basiert im Allgemeinen jedoch auf Rückkopplung einer Regelschleife von der Maschine sowie aufeinanderfolgende Transformation des Signals. Durch die d/q-Transformation wird bei der Vektorregelung das Drehmoment nur über die q-Komponente des Statorstromes geregelt und die d-Komponente geht bei der permanentmagnet-erregten Drehstrom-Synchronmaschine gegen null bzw. wird bei der Drehstrom-Asynchronmaschine im Grunddrehzahlbereich auf einen konstanten Feldstromwert geregelt.

Vektorregelung bei Synchronmaschinen

Prinzipaufbau der Vektorreglung eines Dreiphasenmotors

Sind Statorfluss und Statorstrom im rotierenden D-Q-Feld beim Synchronmotor parallel, so ist das Drehmoment gleich Null. Das rotorbezogene d/q-System wird mithilfe der Clarke-Transformation und anschließender d/q-Transformation (Park-Transformation) aus dem statorbezogenen dreiphasigen System berechnet. Die d- und q-Vektoren stehen aufeinander senkrecht, der q-Wert bildet das Drehmoment und der d-Wert die magnetische Flussdichte ab und können ähnlich wie bei einer Gleichstrommaschine mit PI-Regler modelliert werden. Durch von außen vorgegebenen q-Referenzwert kann das Drehmoment der Maschine beeinflusst werden. Bei im Rotor permanent erregten Synchronmotoren, typisch ist dies bei den sogenannten bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC), ist der d-Referenzwert Null. Mit einer inversen Transformation und anschließender Raumzeigermodulation (englisch Space Vector PWM) werden die Ansteuersignale für den dreiphasig ausgeführten Vierquadrantensteller gebildet.

Zur Ausregelung des Raumvektors im rechten Winkel ist ein Regelkreis mit Rückkopplung zur Maschine erforderlich welcher die Lage des Polrades angibt. Diese Rückkopplung wurde bei Synchronmaschinen meist mit drei Hallsensoren realisiert. Da diese jedoch sehr fehleranfällig und teuer sind, werden heutzutage meist Encoder (Resolver, optische Inkremental- und Absolutwertgeber oder induktive Geber) eingesetzt. Sensorlose Regelungen können bei Blockkommutierung durch das Zurückmessen der im Motor induzierten Gegenspannung realisiert werden. Diese Rückkopplung hat jedoch insbesondere bei kleinen Geschwindigkeiten zunehmende Nachteile.

Eine weitere Möglichkeit eine Synchronmaschine sensorlos mittels Vektorregelung zur betreiben, basiert auf mathematischer Berechnung der benötigten Regelparameter. Ausschlaggebend hierfür ist ein realistisches und möglichst genaues Softwaremodell der Maschine. Ein digitaler Signalprozessor "schätzt" mithilfe dieses Maschinenmodells die zur Vektorregelung benötigten Parameter wie beispielsweise den Rotorwinkel und die Drehzahl. Die einzigen bei dieser Methode benötigten Messgrößen sind die drei Statorströme der Maschine. Da der Sternpunkt der Maschine (sofern vorhanden) für gewöhnlich nicht angeschlossen wird, genügt das Messen von zwei Statorströmen, womit zwangsläufig auf den dritten Statorstrom geschlossen werden kann.

Vektorregelung bei Asynchronmaschinen

Die Vektorregelung von Drehfeldmaschinen wurde 1968 von K. Hasse an der TH Darmstadt erfunden und unabhängig davon auch in der Doktorarbeit von Felix Blaschke 1973 an der TU Braunschweig mit dem Titel „Das Verfahren der Feldorientierung zur Regelung der Drehfeldmaschine“ beschrieben.

In dem Ansatz der feldorientierten Regelung wurde erkannt, dass das magnetische Luftspaltfeld ausschlaggebend für das Betriebsverhalten der Asynchronmaschine ist. Der Magnetisierungsstrom muss hierbei im Falle des Grunddrehzahlbereichs drehzahlunabhängig konstant gehalten werden.

Asynchronmaschinen können zur Leistungssteigerung ebenfalls mit vektormodulierter Frequenz angesteuert werden. Hierbei sind der Wirk- und Blindstrom Iw und Iu interessant. Der Blindstrom sorgt für eine Magnetisierung des Ständers, der Wirkstrom für das Drehmoment. Da sich der Blindwiderstand X vom Ständer mit der Frequenz ändert, der ohmsche Widerstand R jedoch bei Frequenzänderungen konstant bleibt, ist die U/f Kennlinie bei einem Asynchronmotor nicht wirklich linear. Insbesondere bei niedrigen Frequenzen ist der Spannungsabfall an R so groß, dass kein voller Blindstrom mehr durch X fließen kann und die Maschine dann wegen ungenügender Magnetisierung an Drehmoment verliert. Dies ist auch der Grund, weshalb man sehr kleine Geschwindigkeiten mit Asynchronmaschinen nur noch schlecht ausregeln kann und der Asynchronmotor zum genauen Positionieren ungeeignet ist.

Um diese Nachteile bei kleinen Geschwindigkeiten auszugleichen, bieten viele Frequenzumrichter, welche nach der U/f Kennlinie arbeiten, für kleine Geschwindigkeiten einen „Boost“-Betrieb an, bei welchem die über dem Ständer R abfallende Spannung zusätzlich eingespeist wird. Allerdings sind derart feste Boost-Faktoren lediglich ein Kompromiss für eine mittlere Drehmomentabgabe, da das Drehmoment ebenfalls einen Wirkstrom verursacht. Dieser Wirkstrom hat einen ebensolchen Spannungsabfall im Ersatzschaltbild des Ständer R zur Folge, weshalb der gewünschte Blindstrom wiederum nicht optimal ist. Bei einem fehlerhaften Blindstrom ist damit entweder das Drehmoment zu gering, oder die Maschine hat bei Übermagnetisierung einen hohen Eisenverlust in Wärme umzusetzen. Außerdem verändert sich der Wirkwiderstand R der Maschine bei Erwärmung auf einen besonders bei niedrigen Drehzahlen durchaus nicht mehr zu vernachlässigenden Wert.

An dieser Stelle greift nun die Vektormodulation ein und führt den Drehfeldvektor in einer geschlossenen Regelschleife nach, welche idealerweise sämtliche Störeinflüsse des Systems berücksichtigt. In der Praxis können damit auch bei Asynchronmaschinen zum Positionieren bis zur Geschwindigkeit Null nahezu ideale Servoeigenschaften erreicht werden. Bei verschiedenen Frequenzumrichtern ist es heute Stand der Technik, dass die Regelung der Vektormodulation adaptiv arbeitet. Unbekannte Maschinenmodelle werden selbst erlernt und applikationsspezifische Lastsprünge automatisch nachgeregelt.

Weblinks

• In das Thema Raumzeiger einführende Studienarbeit
• Anwendungsbeispiel und Theorie der Feldorientierte Regelung mit Sensor von Atmel
• Anwendungsbeispiel und Theorie der Feldorientierte Regelung ohne Sensor von Microchip
• Dissertation zur feldorientierte Regelung der permanenterregten Synchronmaschine

Siehe auch

• Direkte Selbstregelung