SCR oder PWM? Die Wahl eines Antriebs für bürstenbehaftete Gleichstrommotoren
SCR- und PWM-Antriebe regeln bürstenbehaftete Gleichstrommotoren unterschiedlich. Vergleichen Sie vor der Auswahl eines Reglers die Stromwelligkeit, das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, die Fel...
Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren sind in Wicklern, Extrudern, Förderanlagen, Prüfständen, Hebezeugen und älteren Produktionsmaschinen weiterhin weit verbreitet. Ihr Drehmoment folgt dem Ankerstrom, während die Drehzahl von der angelegten Ankerspannung und dem Feldfluss beeinflusst wird. Dadurch ist der Motor verständlich, aber nicht jeder Regler austauschbar.
Die beiden gängigen elektronischen Ansätze sind die netzgeführte Siliziumthyristor-Gleichrichtung (SCR) und das Transistorschalten mit Pulsweitenmodulation (PWM). Beide können die mittlere Ankerspannung regeln. Sie unterscheiden sich jedoch hinsichtlich Stromwelligkeit, Verhalten bei niedrigen Drehzahlen, Netzauswirkungen, Möglichkeiten zur Rückspeisung, elektromagnetischen Störungen und Nachrüstrisiken.
Bei der Antriebsauswahl müssen Ankerdaten, Feldauslegung, Rückführung, Lastspiel, Drehrichtungsumkehr und der gesamte Weg der Bremsenergie berücksichtigt werden.
Mit dem Motorkreis beginnen
Ein Permanentmagnetmotor verfügt über keine separate Feldversorgung. Ein Nebenschluss- oder fremderregter Motor nutzt eine Feldwicklung, deren Strom den Fluss erzeugt. Ein Reihenschlussmotor verhält sich wiederum anders und ist nur selten ein direkter Ersatz für einen allgemeinen Gleichstromantrieb. Vor der Auswahl der Hardware müssen Motortyp, Ankerspannung und -strom, Feldspannung und -strom, Nenndrehzahl, maximal zulässige Drehzahl, Isolationszustand und Kühlverfahren ermittelt werden.
Unterhalb der Grunddrehzahl regelt ein Antrieb normalerweise die Ankerspannung und hält das Feld auf Nennwert. Oberhalb der Grunddrehzahl reduzieren manche Systeme den Feldstrom, um bei verringertem verfügbarem Drehmoment eine höhere Drehzahl zu ermöglichen. Die Feldschwächung erfordert einen Überdrehzahlschutz und überprüfte mechanische Grenzwerte. Ein Feldausfall bei einem fremderregten Motor kann zu einer gefährlichen Überdrehzahl führen. Daher ist die Feldausfallerkennung eine funktionale Anforderung und kein optionaler Alarm.
Wie ein SCR-Antrieb die Ankerspannung regelt
Ein SCR wird nach einem Zündimpuls leitend und bleibt normalerweise eingeschaltet, bis der Strom unter seinen Haltestrom fällt. In einem aus dem Wechselstromnetz gespeisten Umrichter verzögert der Regler den Zündwinkel innerhalb jedes Netzzyklus. Durch die Änderung dieses Winkels wird die mittlere Gleichspannung am Anker verändert.
Eine Einquadrantenbrücke ermöglicht den Motorbetrieb in einer Richtung. Drehrichtungsumkehr und generatorischer Betrieb erfordern eine geeignete Topologie, beispielsweise einen Doppelumrichter, sowie eine Steuerung, die unerwünschte Kreisströme verhindert. Die genaue Anordnung ist entscheidend, denn eine Drehrichtungsumkehr über Schütze ist nicht mit einer elektronischen Vierquadrantensteuerung gleichzusetzen.
Die SCR-Gleichrichtung ist bewährt und gut wartbar. Ihre Einschränkungen ergeben sich aus der netzfrequenten Kommutierung. Der Ankerstrom enthält niederfrequente Welligkeiten, insbesondere bei geringer Last oder niedriger Drehzahl. Diese Welligkeit kann Drehmomentpulsationen und hörbare Geräusche verursachen. Eine verzögerte Zündung verringert außerdem den Verschiebungsleistungsfaktor und verzerrt den Eingangsstrom. Eine Drehstromversorgung liefert im Allgemeinen einen gleichmäßigeren Ausgang als eine Einphasenbrücke, macht jedoch die Bewertung von Oberschwingungen und Netzbedingungen nicht überflüssig.
Wie PWM die Regelungsaufgabe verändert
Ein PWM-Antrieb schaltet Transistoren schnell zwischen dem Gleichspannungszwischenkreis und dem Anker. Durch die Änderung des Tastgrads wird die mittlere Ankerspannung verändert. Die Motorinduktivität glättet einen großen Teil des Stroms zwischen den Impulsen und ermöglicht dadurch eine präzisere Stromregelung sowie ein gleichmäßigeres Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen als bei vielen netzfrequenten Umrichtern.
Der Stromregler ist der innere Regelkreis, da der Ankerstrom das Drehmoment repräsentiert. Ein äußerer Drehzahlregler vergleicht die Soll- und die gemessene Drehzahl und fordert anschließend den zur Fehlerkorrektur benötigten Strom an. Eine Strombegrenzung schützt Motor und Umrichter bei Beschleunigung, Blockierungen oder schnellen Laständerungen. Die Parametrierung muss die Trennung zwischen dem schnellen Stromregelkreis und dem langsameren Drehzahlregelkreis erhalten.
Der Tastgrad steuert die mittlere Ankerspannung; die Stromrückführung regelt das Drehmoment und begrenzt die elektrische Belastung.
Rückspeisung und Bremsen müssen energetisch betrachtet werden
Eine rotierende Last speichert kinetische Energie. Eine ziehende Last kann den Motor außerdem mechanisch antreiben. Beim Abbremsen muss diese Energie irgendwohin. Ein nicht rückspeisefähiger Regler kann eine dynamische Bremse verwenden, die den Anker nach Abschalten der Antriebsleistung mit einem Widerstand verbindet. Ein rückspeisefähiger Regler führt Energie an das Wechselstromnetz oder, sofern die Topologie dies erlaubt, an einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis zurück.
Angaben zu vier Quadranten müssen mit der tatsächlichen Anwendung abgeglichen werden. Die Maschine benötigt möglicherweise Motorbetrieb vorwärts, Bremsen vorwärts, Motorbetrieb rückwärts und Bremsen rückwärts, aber nicht in jedem Quadranten eine Rückspeisung ins Netz. Berechnen Sie Spitzenbremsleistung, Impulsenergie, Wiederholrate und mittlere Verlustwärme. Überprüfen Sie Widerstandswert, Schützbelastbarkeit, Chopper-Nennleistung und Übertemperaturschutz.
Die Rückführung bestimmt das Verhalten bei niedrigen Drehzahlen
Eine Ankerspannungsrückführung kann eine kostengünstige Drehzahlregelung ermöglichen, muss jedoch den Spannungsabfall am Ankerwiderstand schätzen. Diese Schätzung wird bei hohem Drehmoment und niedriger Drehzahl ungenauer. Ein Tachogenerator oder Encoder misst die Drehzahl direkter und verbessert die Regelung bei Laständerungen. Die Polarität der Rückführung muss bei einem niedrigen Sollwert geprüft werden, bevor der Regelkreis aktiviert wird; eine falsche Polarität treibt den Regler in die falsche Richtung.
Bei Zugregelsystemen ist die Drehzahl allein möglicherweise nicht die Regelgröße. Durchmesserberechnung, Drehmomentbegrenzungen, Tänzerposition oder Wägezellenrückführung können die Auslegung bestimmen. Der Austausch eines alten Antriebs ohne Verständnis dieser übergeordneten Regelkreise kann eine Maschine instabil machen, selbst wenn sich der Motor korrekt dreht.
Das Nachrüstrisiko geht über das Typenschild hinaus
Eine Nachrüstung von SCR auf PWM verändert die elektrische Umgebung. Das hochfrequente Schalten erhöht leitungsgebundene und abgestrahlte Störungen und kann über die Kabelkapazität Ströme einkoppeln. Prüfen Sie die Führung der Anker- und Rückführungskabel, den Anschluss der Schirmung, die Verbindung des Schaltschranks, die Trennung der Steuerspannungsversorgung und die Erdung. Verlegen Sie Encoder- oder Tachometerleitungen nicht neben geschalteten Motorleitungen.
Prüfen Sie Bürsten, Kommutatoroberfläche, Lager, Feldisolierung und Belüftung vor der Inbetriebnahme. Ein schnellerer Regler kann mechanisches Spiel, verschlissene Getriebe oder einen schwachen Kommutator sichtbar machen, die das langsamere Altsystem noch toleriert hat. Zeichnen Sie Stromwelligkeit, Drehzahlfehler, Bürstenfeuer, Motortemperatur und Schwingungen unter repräsentativer Last auf.
Antriebsoptionen finden Sie unter Antriebe & Bewegungssteuerung, während Maschinenabläufe und Freigabebedingungen in SPS- und PAC-Systemen verbleiben.
Ein praxisnaher Auswahlrahmen
Vergleichen Sie Dauer- und Spitzenankerströme, Feldanforderungen, Drehzahlbereich, Drehmomentgleichmäßigkeit, Rückführungstyp, Häufigkeit der Drehrichtungsumkehr, Bremsenergie, Rückspeisung ins Netz, Gehäusebedingungen, Netzharmonische, elektromagnetische Verträglichkeit, Diagnosefunktionen und verfügbare Wartungskenntnisse. Bewahren Sie außerdem das sichere Stopp- und Verriegelungsverhalten der bestehenden Maschine.
PWM ist normalerweise die bessere Wahl für eine neue Niederspannungsauslegung, die eine gleichmäßige Regelung bei niedrigen Drehzahlen und moderne Diagnosefunktionen erfordert. Ein funktionierendes SCR-System kann jedoch weiterhin die bessere Wartungsentscheidung sein, wenn seine Leistung ausreicht und Ersatzteil- sowie Serviceunterstützung verfügbar bleiben. Die richtige Nachrüstung verbessert eine gemessene Einschränkung, ohne neue Risiken in Motor, Rückführung, Erdung oder Bremssystem zu schaffen.