Ingenieurbüro für Leistungselektronik und Antriebe
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Elektrische Maschinen und Antriebe

Feldorientierte Regelung einer Synchronmaschine

Die klassische Literatur zu elektrischen Maschinen geht bei Asynchron- und Synchronmaschinen meist von deren Betrieb am starren Netz aus. Beide Maschinen zeigen in dieser Betriebsart ein unterschiedliches Betriebsverhalten und lassen sich somit gut voneinander unterscheiden. Bei modernen Antrieben werden Drehstrommaschinen in der Regel am Umrichter betrieben. Das Betriebsverhalten hängt dann nur noch von der Regelung des Umrichters ab. Asynchron- und Synchronmaschine unterscheiden sich dann in ihrem Betriebsverhalten nicht mehr.

Dynamisch hochwertige Antriebe werden stets in feldorientierter Regelung betrieben. Diese Betriebsart ermöglicht es, eine Drehstrommaschine ähnlich zu regeln wie eine Gleichstrom-Nebenschlussmaschine. Bei dieser werden mittels Anker- und Erregerstrom Drehmoment und Drehzahl eingestellt. Dazu wird der Vektor der resultierenden Ankerdurchflutung in eine Komponente in der d-Achse, also in der Achse der Errgerdurchflutung und in eine Komponente senkrecht dazu, also in der q-Achse, zerlegt. Dieses Vorgehen ist rechts oben schematisch an einer permanentmagnetisch erregten Synchronmaschine dargestellt. Lediglich die Durchflutungskomponente in der q-Achse bildet mit der Erregerdurchflutung das Drehmoment. Die Komponente in der d-Achse unterstützt in dieser Darstellung die Erregerdurchflutung. Diese Unterstützung zeigt jedoch bei einer vernünftig ausgelegten Maschine aufgrund der Sättigung des Eisens keine nennenswerte Wirkung. Eine gegen die Erregerdurchflutung orientierte d-Achsen-Durchflutung bewirkt jedoch eine Reduzierung der resultierenden Erregerdurchflutung, wie rechts unten dargestellt. Diese Betriebsart wird Feldschwächbetrieb genannt.

Über die Phasenlage der Ankerströme, bezogen auf die Lage des Rotors, kann der Umrichter die permanentmagnetisch erregte Synchronmaschine somit regeln wie eine Gleichstrom-Nebenschlussmaschine. Die Ankerdurchflutung in der q-Achse bildet das Drehmoment und die negative Durchflutung in der d-Achse schwächt die Erregerdurchflutung und ermöglicht der Maschine damit, analog zur Gleichstrom-Nebenschlussmaschine, eine Drehzahl zu erreichen, die über der Leerlaufdrehzahl der Maschine liegt.

Dieses Betriebsverhalten kann mit Software-Paketen zur Systemsimulation untersucht werden. Neben den einschlägig bekannten kommerziellen Produkten ist hierzu auch das Programmpaket scilab/xcos geeignet. Ein passendes Modell einer permanentmagnetisch erregten Synchronmaschine befindet sich derzeit im Aufbau. Weitere Details folgen an dieser Stelle.