Pulsumrichter für elektrische Antriebe - Cheatsheet

Grundprinzipien der Pulsumrichter

Definition:

Steuerung und Umwandlung von elektrischer Energie in elektrische Antriebssystemen mithilfe von Halbleiterbauelementen, um Spannung, Frequenz und Strom zu regeln.

Details:

• Pulsweitenmodulation (PWM) für Spannungs- und Frequenzsteuerung
• Verwendung von Leistungshalbleitern wie IGBTs und MOSFETs
• Rechteckspannungen zur Erzeugung von sinusförmigen Ausgangsgrößen
• Grundgleichungen:
  • Ausgangsspannung:\[ U_{out} = U_{DC} \times D \]
  • Modulationsindex:\[ m = \frac{U_{out}^{max}}{U_{DC}} \]

Pulsweitenmodulation (PWM)

Definition:

PWM wird verwendet, um die Ausgangsspannung eines Wechselrichters zu steuern, indem die Ein-Zeit- zu Aus-Zeit-Verhältnisse variiert werden.

Details:

• Frequenz der PWM: f_{PWM} = \frac{1}{T_{PWM}}
• Verhältnis von Ein-Zeit und Gesamt-Zeit: D = \frac{t_{ein}}{T}
• Gleichspannungsglied: \( V_{avg} = D \cdot V_{in} \)
• Verwendung in Motorsteuerungen zur Regelung der Drehzahl und des Drehmoments.

Raumzeigermodulation

Definition:

Methode zur Steuerung von Umrichtern durch die Erzeugung eines Ersatzvektors aus den Spannungsvektoren der Zwischenkreise.

Details:

• Erhöhter Wirkungsgrad durch geringere Schaltverluste.
• Berechnung des Raumzeigers durch: \[ U = U_{\text{DC}} \times \frac{2}{\text{Einschaltdauer}} \times \text{Schaltstrategie} \]
• Gute Spannungsnutzung und geringere harmonische Verzerrung.
• Primär in Drehstromsystemen eingesetzt.
• Erfordert genaue Kenntnis der Schaltzustände.

Direkte Drehmomentregelung (DTC)

Definition:

Definiert durch die direkte Regelung des Drehmoments und des Magnetflusses ohne die Notwendigkeit einer Modulation.

Details:

• Basiert auf der Nutzung von Schaltzuständen des Wechselrichters.
• Hochdynamische Antwortzeiten.
• Vermeidet die Verwendung komplexer Regelalgorithmusstrukturen.
• Reduciert Drehmoment- und Flusswelligkeit.
• Mathematische Darstellung des Drehmoments: \( T_e = \frac{3}{2} p (\boldsymbol{\tau} \times \boldsymbol{\tau}) \)
• Magnetflusskontrolle: \( \boldsymbol{\tau} = L_s \boldsymbol{I_s} + \boldsymbol{\tau}_{\text{rotor}} \)
• Vereinfachte Hardwarestruktur im Vergleich zu Vektorregelungen.

Industrieanwendungen von Pulsumrichtern

Definition:

Industrieanwendungen von Pulsumrichtern - nutzen zur Steuerung und Regelung von elektrischen Antrieben.

Details:

• Gebrauch in der Antriebstechnik für Motorsteuerung und -regelung
• Sind wesentliche Komponenten in variablen Frequenzumrichtern (VFDs)
• Verbesserung der Energieeffizienz von Elektromotoren
• Ermöglichen präzise Drehzahl- und Drehmomentsteuerung
• Einzusetzen in automatisierten Produktionssystemen
• Reduktion mechanischer Beanspruchung und Verschleiß
• Beispielanwendungen: Förderbänder, Pumpen, Ventilatoren, Werkzeugmaschinen

Regelkonzepte und Algorithmen

Definition:

Regelstrategien und Algorithmen zur Steuerung von Pulsumrichtern in elektrischen Antrieben.

Details:

• Pulsweitenmodulation (PWM) zur Regelung der Ausgangsspannung und -frequenz
• Vektormodulation zur präziseren Steuerung der Motorströme
• PI-Regler für Spannungs- und Stromregelung
• Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) für höhere Effizienz
• Algorithmus zur Reduzierung harmonischer Verzerrungen

Thermische Überwachung

Definition:

Überwachung der Temperatur eines elektrischen Antriebs zur Vermeidung von Überhitzung und Schäden.

Details:

• Verwendung von Temperaturfühlern wie PTC, NTC oder Thermoelementen.
• Integration von Temperaturmodellen und Überwachungsalgorithmen im Pulsumrichter.
• Ziel: Schutz der Wicklungen, Leistungshalbleiter und Lager.
• Reaktion auf Übertemperatur: Reduzierung der Leistung oder Abschaltung.
• Wichtige Formel für Temperaturanstieg: \[ T(t) = T_0 + \Delta T \left(1 - e^{-\frac{t}{\tau}}\right) \]

Zukünftige Trends und Entwicklungen

Definition:

Zukünftige Trends und Entwicklungen in Pulsumrichtern für elektrische Antriebe – Fokus auf Effizienz, Zuverlässigkeit und Integration in intelligente Systeme.

Details:

• Erhöhung der Energieeffizienz durch Verwendung neuer Materialien und Topologien.
• Verbesserung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Leistungshalbleitern.
• Integration von IoT und KI für vorausschauende Wartung und Optimierung.
• Reduktion der Systemkomplexität und Kosten durch modulare Ansätze.
• Entwicklung von hochdynamischen Antrieben für Robotik und Automatisierung.
• Vermehrter Einsatz regenerativer Energiequellen und deren Integration in Antriebssysteme.