Feldorientierte AntriebsRegelung Kleine Motoren effizienter machen

Energieverbrauch und Effizienz sind für Systementwickler sehr wichtig, da die Regulierung sowie das Management des Energieverbrauchs heute weltweit im Rampenlicht stehen. So gibt es Vorschriften sowie Gremien und Behörden, die den Energieverbrauch überwachen und eine effiziente Nutzung elektrischer Energie verlangen. Elektromotoren verbrauchen einen sehr großen Teil der erzeugten elektrischen Energie – einige Quellen beziffern diesen Anteil auf mehr als die Hälfte. Sie sind daher in den Brennpunkt für effizientere Systemdesigns gerückt.

Bekanntermaßen arbeitet ein Elektromotor in fast allen Konfigurationen mit einer komplexen Ansteuerung effizienter, als wenn man ihn einfach ein- und ausschaltet. Bis vor kurzem war dieser Gewinn an Wirkungsgrad jedoch ein Nebeneffekt, der beim Bestreben der Entwickler nach höherer Präzision bei der Bewegungs- und Drehzahlsteuerung entstanden ist. Eine höhere Effizienz lässt sich auch mit Motoren aus höheren Preisklassen erzielen. Höhere Motorpreise und die Kosten weiter optimierter Antriebe werden jedoch akzeptabler, wenn man alle Kosten über den gesamten Lebenszyklus betrachtet. Tabelle 1 zeigt den unterschiedlichen Wirkungsgrad von Standard- und energieeffizienten Motoren mit verschiedenen Leistungen. Optimierte Steuerungskonzepte für Elektromotoren verlangten bis vor kurzem noch den Einsatz schneller Prozessoren – typischerweise 32-Bit-DSPs – und ASICs. Außerdem waren derartige Steuerungskonzepte eher im Umfeld leistungsstärkerer Industrieanlagen angesiedelt. Aus Tabelle 1 geht hervor, dass besonders die kleineren Motoren, die am wenigsten effizient sind, viel von solch verbesserten Steuerungskonzepten profitieren. Erst vor kurzem wurden die Funktionen von ASICs und 32-Bit-Prozessoren auf einem Chip vereint, und zwar zu Preisen, die im Rahmen von Low-End-Motorsteuerungen einschließlich industriellen Motorsteuerungen und weißer Ware bezahlbar sind. Durch die Kombination aus Vektorsteuerung und Leistungsfaktorkorrektur (PFC) für Asynchronmotoren oder den Einsatz feldorientierter Steuerungen für Synchronmotoren lassen sich die Steuerung verbessern und der Wirkungsgrad steigern.

Asynchrone und synchrone Steuerung

Applikationen für Asynchronmotoren erstrecken sich von großen Industrieanlagen bis hin zu Haushaltsgeräten. Dazu gehören Systeme mit einfacher Drehzahlsteuerung, aber auch solche mit vektorgesteuerten Servo-Eigenschaften. Damit sich die Asynchronmaschine in Positionierungslösungen oder in Applikationen einsetzen lässt, die ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen verlangen, ist normalerweise die Vektorsteuerung erforderlich. Solche Antriebe steuern die Rechtwinkligkeit von Achsenstrom- und Spannungsvektoren in der Bezugs- und Quadraturachse am Stator im Vergleich zu dem im Rotor induzierten Magnetfeld. Diese Art von Steueralgorithmus ist komplexer und verlangt die Modellierung wichtiger Motorparameter, welche die Ausrichtung dieser Vektoren einschließlich Rotortemperatur beeinflussen. Gegenüber den Algorithmen für Asynchronmaschinen sind Steuerungsalgorithmen für Synchronmaschinen relativ einfach zu implementieren. Der am häufigsten eingesetzte Algorithmus ist die FOC-Methode (Field-Oriented Control), die seit über 25 Jahren eingesetzt wird. Sie steuert die Quadratur- und die Achsenströme in Bezug auf das Magnetfeld des Rotors.

 

Leistung
 StandardmotorEnergieeffizienter Motor
1 PS
76,5 %
84,0 %
2 PS79,9 %86,5 %
5 PS83,1 %88,6 %
10 PS85,0 %90,3 %
20 PS87,5 %92,4 %
50 PS90,4 %93,7 %
100 PS91,6 %
95,4 %
200 PS93,3 %96,1 %
300 PS93,8 %96,5 %
Tabelle 1: Typische Motoreffizienzen bei unterschiedlichen Leistungen

Mit der heute verfügbaren Verarbeitungsleistung ist die digitale Steuerung die einzige Wahl für eine Steuerungsstrategie. Linearverstärker sind wegen der im Controller selbst verbrauchten Energie extrem ineffizient. Eine Pulsbreitenmodulation (PWM) reduziert unnötig verbrauchte Energie, ermöglicht jedoch nur eine begrenzte Genauigkeit. Die grundlegendste Steuerung eines AC-Induktionsmotors oder Asynchronmaschine ist ein einfaches Spannungs-/Frequenz-Konzept, bei der es keinen Stromschleifenregler (Current Loop Regulator) gibt. Der Steuerungsalgorithmus erhöht bei steigender Ausgangsleistung gleichzeitig Ausgangsspannung und Frequenz und verlangt lediglich die Definition einer maximalen Ausgangsspannung (Grenzwert) und einer zugehörigen Ausgangsfrequenz – daher die Bezeichnung Spannungs/Frequenz-Controller. Viele Applikationen können gegenüber dem einfachen Einschalten und Anlegen von 230 V/50 Hz an einen Motor vom Sanftanlauf eines solchen  Spannungs/Frequenz-Controllers profitieren, da bei der zuerst genannten Methode hohe Einschaltströme entstehen können. Auch die mechanische Belastung ist beim direkten Einschalten eines Motors hoch. Die Steuerung des Drehmoments bei Asynchronmaschinen verlangt innovativere Konzepte wie die »Flux-Vektor«-Steuerung. Dabei wiederum ist die Rotorposition zu erfassen. Ein Geschwindigkeitssignal kann verwendet und zur Erzeugung der Positionsdaten integriert werden, allerdings ist eine Art Winkelposition erforderlich. Die Flux-Vektor-Steuerung arbeitet mit Parametern, die nicht direkt messbar sind. Dazu gehört zum Beispiel die Flussverkettung (Flux Linkage) des Magnetisierungsstromes, die der Algorithmus ermitteln oder abschätzen muss. Eine der schwierigeren Aufgaben, welche die effiziente Steuerung einer Asynchronmaschine mit Flux-Vektor-Steuerungsalgorithmen mit sich bringt, ist die genaue Abschätzung der Magnetisierungsinduktivität. Der Algorithmus benötigt ein präzises Motormodell, um wichtige Parameter wie die Rotortemperatur abschätzen zu können.

Permanenterregte Synchronmotoren steuern

Permanenterregte Synchronmotoren (PMSM) lassen sich je nach Leistung, Drehzahl, Motorkonstante und Leistungsdichte in mehrere Kategorien einteilen. Die führenden Motortypen sind »Surface Magnet« (SM),  »Interior Permanent Magnet« (IPM) und »Axial Flux«. Der Steuerungsalgorithmus der Wahl für die meisten permanenterregten Motoren ist der FOC-Algorithmus (Field-oriented Control). Es gibt Ähnlichkeiten zwischen FOC- und Flux-Vektorsteuerung. Der FOCAlgorithmus »zerlegt« die Strom und Spannungsvektoren von Id (Magnetflusskomponente) und Iq (Drehzahlkomponente) und schließt die Steuerschleife um sie herum. Hierzu durchlaufen die Vektoren eine Koordinatentransformation, die sie auf die Winkelposition des Rotors referenziert. Permanentmagnetmotoren in Kombination mit effizienten Steueralgorithmen sind die effizientesten Kombinationen, die heute angeboten werden. Bild 1 zeigt die Blockschaltung einer FOC-Steuerung für einen PMSM, bei dem hier primär die Drehzahl gesteuert wird. Ein FOC-Steuerungssystem dient dazu, die Magnetflusskomponente (Id in Bild 2) und die Drehzahlkomponente (Iq) orthogonal zueinander zu halten. Dadurch lassen sich eine optimale Winkelsteuerung sowie eine bessere Stromnutzung bei der Erzeugung des Drehmoments sicherstellen.