Betrieb von Asynchronmaschinen mit S300-S700

Gültig für S300, S700

Um den Servoverstärker in die Lage zu versetzen, auch Asynchronmaschinen drehzahlgeregelt zu betreiben, musste die Regelstruktur erweitert werden. Für die zusätzlichen Elemente müssen die entsprechenden Parameter eingestellt werden.

In allen sensorlosen Betriebsarten wird die Ausgangsfrequenz auf 599 Hz begrenzt. Falls Ihre Applikation eine höhere Ausgangsfrequenz benötigt, kontaktieren Sie bitte unseren Support.

Diese Seite erläutert die Parametrierung der Asynchronmaschine.

Abbildung 1: Regelstruktur für die Asynchronmaschine 

Beschreibung

Zur Regelung von Asynchronmaschinen ist die bestehenden Regelstruktur des S300/S700 im wesentlichen um vier Elemente erweitert worden (Abbildung 1, grau hinterlegt):
1. Flussschätzung
2. Flussregler
3. Schlupfberechnung und
4. Feldschwächung
Diese Elemente werden mit folgenden neuen bzw. veränderten ASCII Befehlen Parametriert.

Neue und veränderte ASCII Befehle

MTYPE	Asynchronmaschine = 3
MIMR	Sollstrom in D-Richtung (A)
GF	Proportionalverstärkung Flussregler
GFTN	Zeitkonstante Flussregler (ms)
MTR	Rotorzeitkonstante (ms)
MVR	Nenndrehzahl für die Feldschwächung (rpm)
MCFW	Parameter für die Feldschwächung
GU	Proportionalverstärkung Spannungsregler (Feldschwächung)
GUTN	Zeitkonstante Spannungsregler (ms) (Feldschwächung)
UMAX	maximale Ausgangsspannung (nur in Feldschwächung aktiv)

Grunddrehzahlbereich

Im Grunddrehzahlbereich (bis zur Nenndrehzahl), bleibt der Feldbildende Strom (D-Strom) bei seinem Nennwert (MIMR). Dies sind die grundlegenden Einstellungen für den Betrieb der Asynchronmaschine. Wenn ein Betrieb im Feldschwächungsbereich vorgesehen ist, sollten trotzdem zuerst alle Parameter im Grunddrehzahlbereich eingestellt werden (MVR 0). Die Regelstruktur vereinfacht sich zu Abbildung 2. Danach erst sollte die Feldschwächung aktiviert werden (MVR = Nenndrehzahl). (Abbildung 1)

Abbildung 2: Regelstruktur für die Asynchronmaschine im Grunddrehzahlbereich

MTYPE

Zusätzlich zu den bisher möglichen Alternativen PM-Synchronmaschine (MTYPE = 1) und Linearmotor (MTYPE = 2) ist es möglich die Asynchronmaschine zu wählen (MTYPE = 3).
Diese Einstellung aktiviert Flussschätzung, Flussregler und Schlupfberechnung.

MIMR

Sollstrom (ohne Feldschwächung) in D-Richtung. 
 
Für die meisten Asynchronmaschinen trifft zu, das entspricht . Als Richtwert kann also gelten:
 
Mit diesem Wert sollte die Nenndrehzahl bei Nennspannung ohne weitere Feldschwächung erreichbar sein. Falls dies nicht der Fall ist, muss der Wert für MIMR weiter herabgesetzt werden.
Allgemein kann zur Überprüfung des Werts für MIMR die Maschine bei Nenndrehzahl im Leerlauf betrieben werden (Feldschwächung ausgeschaltet, s.u.). Dann wird der Wert von MIMR so lange schrittweise erhöht, bis die Drehzahl nicht mehr gehalten werden kann und von selbst absinkt. Der optimale Wert von MIMR liegt 5-10% tiefer.

GF und GFTN

Die Defaultwerte für GF bzw. GFTN betragen 1 bzw. 100ms.
Normalerweise können sie auf diesen Werten belassen werden, da der Rotorfluss nur sehr langsam reagiert.

MTR

Wenn die Werte aus dem T-Ersatzschaltbild (Abbildung 3) vorliegen, berechnet sich MTR wie folgt

Abbildung 3: T-Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine

MTR = mit 
   ;  

Alternativ kann der Wert für wie folgt abgeschätzt werden:
Unter Vernachlässigung von ist  
  ; MIMR

  mit 

Nennleistung und ;
  (synchrone Drehzahl) und (Nenndrehmoment) 
Der Defaultwert für MTR beträgt 100ms. In dieser Größenordnung wird sich die Rotorzeitkonstante einer kleinen Maschine finden.

Beispielrechnung

Asynchronmaschine 90L4 von Getriebebau NORD bei 230V

Daten vom Motortypenschild:
U_R = 230V
f_R = 50Hz
I_mR = 0,48*IR = 2,95A
P_R = 1500W
I_R = 6,15A
p = 2
N_R = 1395rpm

 

Feldschwächung

Die benötigte Spannung ist proportional zur Drehzahl. Mit erreichen der Nenndrehzahl nN ist die zur Verfügung stehende Spannung im Allgemeinen vollständig ausgeschöpft. Zur weiteren Erhöhung der Drehzahl ist es zur Verringerung der induzierten Gegenspannung erforderlich, das Feld zu verringern. Dies geht allerdings auf Kosten des maximal möglichen Drehmoments. (Abbildung 4)

Abbildung 4: Verlauf des Drehmoments, des magnetischen Flusses, der Ausgangsspannung und der abgegebenen Leistung als Funktion der Drehzahl.

Es gibt im Servoverstärker zwei Möglichkeiten, die Feldschwächung zu realisieren:
1. drehzahlabhängig gesteuert ( ) 
2. über eine überlagerte Regelung der Ausgangsspannung

Die beiden Varianten sind grundsätzlich gleichwertig, wobei die zweite Alternative eine zusätzliche Möglichkeit der Instabilität in das System bringt, da eine weitere Rückkopplung in das System eingebaut wird. Die Vorgänge sind aber langsam genug, dass dies normalerweise nicht zu erwarten ist. 
Außerdem muss zuvor überprüft werden ob die angetriebene Mechanik (die Maschine eingeschlossen) auf solche hohen Drehzahlen ausgelegt ist.

Feldschwächung drehzahlabhängig gesteuert ()

(Default: Konfiguration: DRVCNFG2 Bit 28 nicht gesetzt (&0x08000000=false))
Dies ist die „normale“ Art das Feld so zu schwächen, dass die gewünschte Drehzahl noch erreicht werden kann (Abbildung 1).

MVR

Nenndrehzahl in rpm. Ab dieser Drehzahl beginnt die Feldschwächung:

Für MVR = 0 ist die Feldschwächung abgeschaltet (Default).
Dann bleibt der Fluss auf seinem Nennwert und die Maschine kann nicht schneller drehen, als die Nenndrehzahl.

MCFW

In manchen Fällen reicht die Feldschwächung direkt oberhalb der Nenndrehzahl nicht aus, um genügend Spannung zur Verfügung stellen zu können. Dann kann entweder MVR herabgesetzt werden, damit die Feldschwächung früher einsetzt, oder alternativ kann der Fluss zu Beginn der Feldschwächung mit abgesenkt werden.
MCFW legt den Wert als Vielfaches der Nenndrehzahl fest, bis zu dem der D-Strom quadratisch fallen soll.
z.B. MCFW = 1,3 : Oberhalb der Nenndrehzahl bis zum 1,3-fachen der Nenndrehzahl fällt der D-Strom quadratisch reziprok ( ) mit der Drehzahl und darüber nur noch einfach reziprok ( )
Default: 1 (abgeschaltet, über dem gesamten Drehzahlbereich oberhalb der Nenndrehzahl)

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