Drehzahlregelung für Induktionsmotoren

Die Drehzahl von Induktionsmotoren wird dadurch geregelt, dass die in einem Induktionsmotor fließenden elektrischen Ströme manipuliert werden. Obwohl Induktionsmotoren häufig für Festfrequenzanwendungen genutzt werden, sind sie ebenfalls für Anwendungen mit variabler Frequenz wie Industrieantriebe und Elektrofahrzeuge beliebt. Beim Betrieb mit variabler Frequenz moduliert ein Umrichter den durch die Statorwicklungen fließenden Strom.

Induktionsmotoren werden durch Kopplung der Magnetfelder im Stator und Rotor betrieben. Elektrische Ströme im Stator erzeugen ein rotierendes Magnetfeld, das im Rotor elektrische Ströme und ein nachlaufendes Magnetfeld induziert. Durch die Interaktion dieser Magnetfelder dreht sich der Rotor mit einer Winkelgeschwindigkeit, die niedriger als die Drehgeschwindigkeit des Statorfeldes ist. Dieses Nachlaufen beim Drehen, auch Schlupf genannt, erzeugt das Drehmoment an der Motorwelle. Eine steigende Last am Motor erhöht den Schlupf und somit das ausgegebene Motordrehmoment.

Für einen Induktionsmotor nach Art eines Käfigläufermotors reguliert die Drehzahlregelung mithilfe der feldorientierten Regelung (FOC) den Direkt- bzw. Ruhestrom so, dass der Fluss proportional zum Direktstrom und das Drehmoment proportional zum Ruhestrom ist. Dadurch wird der Drehzahlbereich vergrößert und sowohl die dynamische Leistung als auch die Leistung im Dauerbetrieb verbessert. Mit Simulink^® können Sie FOC-Algorithmen für den gesamten Betriebsbereich des Motors noch vor den dem Testen von Hardware mithilfe von Multiraten-Simulationen entwerfen, feinabstimmen und verifizieren.

Dieses Simulink-Diagramm zeigt einen typischen FOC-Algorithmus zur Drehzahlregelung eines Drei-Phasen-Käfigläufer-Induktionsmotors.

Die Hauptbestandteile von Strategien zur Steuerung von Induktionsmotoren sind:

• Innenschleife (proportional-integral bzw. PI)
  • Regelung des Q-Achsen-Stroms: Regelt den Strom an der Q-Achse und damit das an den Motor angelegte elektrische Drehmoment
  • Regelung des D-Achsen-Stroms: Zur Feldschwächungs-Regelung; sie regelt den elektrischen Strom so, dass der D-Achsenfluss abnimmt und der Motor auf Kosten des Drehmoments schneller als mit seiner Grunddrehzahl drehen kann
• Außenschleife (PI): Regelkreis für die Drehzahl von Induktionsmotoren. Die Abtastrate dieser Schleife ist niedriger als die der Innenschleife (Stromregelung). Sie erzeugt das Soll-Drehmoment. Auf Grundlage des Sollwerts werden die Referenzströme für die D- und Q-Achsen der Innenschleife berechnet.
• Clarke-, Park- und inverse Park-Transformationen: Konvertierung zwischen stationären und rotierenden synchronen Bezugsrahmen
• Schätzung der Schlupfgeschwindigkeit: Da Induktionsmotoren asynchron arbeiten, wird der Schlupf zwischen Stator- und Rotorfrequenz geschätzt und so die Synchrondrehzahl und Position des Rotors berechnet
• Raumzeiger-Modulation (SVM): Erzeugt modulierte Pulse zur Steuerung der Leistungselektronik-Schalter im Umrichter
• Drehzahlsensor: Die Drehzahl eines Induktionsmotors kann mithilfe eines Quadratur-Encoders oder anderen Sensors gemessen werden. Bei der Regelung von Induktionsmotoren ohne Sensor ersetzt ein beobachter-basierter Algorithmus den physikalischen Sensor und schätzt die Motordrehzahl in Echtzeit.

Simscape Electrical™ und Motor Control Blockset™ enthalten Beispiele eines Induktionsmotors und einer feldorientierten Steuerung, die zur Entwicklung von Simulationsmodellen für die Drehzahlregelung von Induktionsmotoren genutzt werden können. Die Simulation der Drehzahlregelung von Induktionsmotoren in Simulink verringert die Zahl der nötigen Prototypentests und lässt Sie die Robustheit von Regelungsalgorithmen auch unter Störungsbedingungen verifizieren, die sich an echter Hardware nicht praktisch testen lassen.

Mit Simscape Electrical und dem Motor Control Blockset entwickeln Motorsteuerungs-Ingenieure Drehzahlregelungen durch:

• Modellierung von Induktionsmotoren, Umrichtern sowie Drehzahl- und Stromregelungen
• Automatische Feinabstimmung der Gains der Drehzahl-Regelschleifen für Induktionsmotoren mithilfe von Methoden zum Reglerentwurf
• Entwurf von Beobachter-Algorithmen zur Schätzung von Rotorposition und -drehzahl.
• Simulation von Anfahren, Abschalten und Fehlermodi sowie Entwurf von Derating- und Schutzlogiken für den sicheren Motorbetrieb
• Simulation von Motor und Regler im geschlossenen Regelkreis zum Testen der Systemleistung unter normalen und abnormalen Betriebsbedingungen
• Generierung von ANSI, ISO oder prozessor-optimiertem C-Code und HDL aus dem Modell für Rapid Prototyping, Hardware-in-the-Loop-Tests und Implementierung in der Produktion