Gegenspannung beim Elektromotor (Elektrikerfrage inside)

AngryAlpaka · 30. Juni 2009

hi,

ich halt in zwei Tagen einen Vortrag über Bürsten- und büstenlose Motoren. Ich kann eigentlich alles wirklich gut, nur eine Sache hab ich nicht ganz verstanden.

Der Regler des bürstenlosen Motors kommutiert nach der generierten Gegenspannung. Nur ist die Gegenspannung gleich gepolt wie die Betriebsspannung, woher weiß nun der Regler wie stark die Gegenspannung aktuell ist und wie er also kommutieren muss?

newdesignsucks · 30. Juni 2009

Zitat von AngryAlpaka: ↑

hi,

ich halt in zwei Tagen einen Vortrag über Bürsten- und büstenlose Motoren. Ich kann eigentlich alles wirklich gut, nur eine Sache hab ich nicht ganz verstanden.

Der Regler des bürstenlosen Motors kommutiert nach der generierten Gegenspannung. Nur ist die Gegenspannung gleich gepolt wie die Betriebsspannung, woher weiß nun der Regler wie stark die Gegenspannung aktuell ist und wie er also kommutieren muss?
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Zitat von Quelle Wikipedia::

http://de.wikipedia.org/wiki/Gleichstrommaschine#B.C3.BCrstenlose_Gleichstrom-Maschinen

Sensorlose bürstenlose Gleichstrommaschinen benutzen die Gegenspannung zur Detektion der Rotorposition. Diese Variante heißt im Englischen ‚sensorless‘, da keine separaten Sensoren benötigt werden.
Da zur Entstehung einer auswertbaren Gegenspannung eine bestimmte Mindestdrehzahl erforderlich ist, können sensorlose Motoren als Schrittmotor bis zum Erreichen dieser Drehzahl blind geschaltet werden. Ihr Vorteil besteht darin, dass keine Positionssensoren verwendet werden, die zum Teil stark störanfällig sind (z. B. Hall-Sensoren).

Die drei Spulenstränge des Stators werden über eine Brückenschaltung (mit Transistoren, MOSFET oder IGBT, bei kleinen Leistungen in einem Leistungs-IC integriert) kommutiert. Man spricht daher auch von EC-Motoren, (elektronisch kommutiert, engl. electronical commutation). Die Elektronik stellt einen Drehstromregler dar, wie er ähnlich auch in Frequenzumrichtern verwendet wird. Genaugenommen handelt es sich bei diesen Motoren auf Ebene der Motorklemmen daher um Synchronmaschinen, die jedoch mittels der Umrichterelektronik mit Gleichspannung gespeist werden können.

Diese Maschinen sind wegen ihrer zusätzlichen Elektronik vergleichsweise teuer. Sie verdrängen wegen ihres besseren Wirkungsgrads, der kompakten Bauweise (höhere Leistung bei gleichen Bauvolumen) und geringerem Verschleiß (keine Bürsten) konventionelle, bürstenbehaftete E-Motoren immer mehr. Häufig findet man sie z. B. als Außenläufer in Computern. Dort treiben sie Lüfter und verschiedene Laufwerkstypen an, so auch in DVD-Spielern. In Videorekordern verwendet(e) man sie zum Antrieb der Kopftrommel.
Im RC-Modellbau haben bürstenlose Motoren (engl. Brushless Motor oder BL Motor) herkömmliche (Bürsten-) Motoren nahezu vollständig verdrängt.

Gegenspannung [Bearbeiten]

Der Anker dreht sich im Motor innerhalb des Statorfeldes. Nach dem Generatorprinzip wird so in dessen Spulen auch bei Motorbetrieb eine Spannung induziert. Diese induzierte Spannung ist wie die Betriebsspannung gepolt und wirkt daher dem Rotorstrom entgegen. Sie wird Gegenspannung oder Gegen-EMK genannt. Sie ist ein wichtiger Parameter von Motoren, mit ihrer Hilfe lässt sich in etwa die Leerlaufdrehzahl permanenterregter Motoren bestimmen.

Der Ankerstrom führt zu einem ohmschen Spannungsabfall am Ankerwiderstand (Kupfer), dieser Spannungsabfall steigt somit mit der Belastung des Motors (steigende Stromaufnahme) an und bewirkt bei Motoren einen Abfall der Drehzahl. Bei großen fremderregten Motoren ist dieser Drehzahlrückgang sehr gering.

Die Gegen-EMK ist streng linear abhängig von der Drehzahl des Ankers und der Stärke der Erregung. Die Gegen-EMK kann von Regelschaltungen genutzt werden, um die Drehzahl permanenterregter Motoren exakt zu stabilisieren; dies wird z. B. bei Kassetten-Tonbandgeräten angewendet.

Die Gegen-EMK macht bei Umkehr der Stromrichtung (Klemmenspannung < EMK) aus dem Motor einen Generator, sie kann zur Bremsung und zur Energierückspeisung (Nutzbremsung) dienen.

Bei Motorstillstand gibt es keine Gegenspannung. Deshalb haben fremd- und permanenterregte Gleichstrommotoren einen hohen Einschaltstrom – der Widerstand der Rotorspulen ist vergleichsweise klein und somit der Strom im Moment des Einschaltens sehr groß.
Ohne Begrenzung des Anlaufstromes werden große Motoren oder das speisende Netz eventuell überlastet, man verwendet daher in Reihe zum Anker Anlasswiderstände, die nach dem Hochlaufen stufenweise kurzgeschlossen werden.
Auch die Reihenschlussmotoren von Straßenbahnen wurden früher über Fahrschalter (Stufenwiderstand) angefahren, heute wird dies verlustärmer über Schaltregler (Chopperbetrieb) erreicht.
Bei Elektrolokomotiven verwendete man Transformatoren mit Stufenschaltern, an denen sich kleinere Stelltransformatoren von Stufe zu Stufe „hangelten“. Auch hier verwendet man heute stattdessen Leistungselektronik (IGBT-Schalter)

Kommutierungsarten [Bearbeiten]

Kommutierung nennt man analog zum Kommutator bei Gleichstrommaschinen die Steuerung der Stromzufuhr zu den Motorwicklungen durch die Halbleiterschalter im Frequenzumrichter.
Man unterscheidet folgende Kommutierungssarten:
Sinuskommutierte Pulsweitenmodulation (PWM, Space Vector PWM oder SVPWM für Synchron- und Asynchronmaschinen)
Blockkommutierte PWM (für Synchronmaschinen)
seltener: Hystereseregler (Zweipunktregler)

Bei einer Blockkommutierung werden immer genau 2 von 3 Drehstromwicklungen bestromt. Die dritte Wicklung ist unbenutzt und wird von einigen Frequenzumrichtern zur Vermessung der Gegen-EMK (Back-EMF) benutzt. Damit können permanenterregte Maschinen vom Frequenzumrichter ohne den sonst erforderlichen Lagegeber optimal kommutiert werden. Aufgrund der permanent konstanten magnetischen Durchflutung ergeben sich gegenüber einer Sinuskommutierung kaum Nachteile in der Welligkeit des Drehmoments oder des Wirkungsgrads. In Analogie zu einem Schrittmotor spricht man in dieser Betriebsart auch von einem 6-Schritt-Betrieb.

Zum Betrieb von Asynchronmaschinen ist eine Sinuskommutierung durch den Frequenzumrichter üblich (Sinusumrichter; die Pulsweiten werden sinusförmig moduliert). Hierbei sind immer genau 3 von 6 Halbleiter-Schaltern eingeschaltet. Die Erzeugung der Schaltsignale erfolgt in der Regel durch Mikrokontroller, welche speziell für Motoranwendungen in Ausführungen mit 6 PWM-Ausgängen erhältlich sind.

Wechselrichter mit IGBTs und antiparallelen Dioden

Die sechs Ventile und ihre antiparallelen Dioden in der nebenstehenden Wechselrichterschaltung sind in der Reihenfolge ihres Leitbeginns bei Blockkommutierung nummeriert. Als eingeschaltet gilt ein Ventil, wenn es selbst oder seine Diode leitet.
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Es werden also B2 und B6 Schaltungen zur Ansteuerung verwendet.

Zitat von Quelle Wikipedia::

http://de.wikipedia.org/wiki/Gleichrichter

Steuerbare Gleichrichter [Bearbeiten]

Leistungsregelung am steuerbaren Gleichrichter durch Verschiebung der Thyristor-Einschaltzeitpunkte

Steuerbare Gleichrichter finden im Bereich der Energie- und Antriebstechnik Verwendung. Mit ihnen ist nicht nur eine Gleichrichtung möglich, sondern durch Phasenanschnittsteuerung auch eine Leistungssteuerung. Einsatzbereiche sind beispielsweise die Drehzahlsteuerung von Gleichstrom- und Universalmotoren in Industrieanlagen oder Haushaltsgeräten, in modernen Elektrolokomotiven zur Beaufschlagung des Gleichspannungs-Zwischenkreises und in Anlagen der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung. Früher wurden für diesen Zweck gittergesteuerte Quecksilberdampfgleichrichter wie Thyratrons und Ignitrons eingesetzt. Heute werden Thyristoren, Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT) und teilweise Leistungs-MOSFETs verwendet.

Steuerbare Gleichrichter mit Thyristoren als Ventile sperren den Strom in beide Richtungen, bis an der Steuerelektrode eines Ventils ein Zündimpuls erfolgt. In nebenstehender Grafik ist der Zündimpuls der Thyristoren unten als blaues Rechteck eingezeichnet. Nach Erlöschen des Steuerpulses bleibt der Stromfluss (rot eingezeichnet) bestehen und nur durch die Verschiebung des Einschaltzeitpunktes ist eine Leistungssteuerung möglich. Erst wenn der Strom unter einen bestimmten Schwellwert (Haltestrom) sinkt, sperrt der Thyristor wieder und muss in der nächsten Halbschwingung abermals neu gezündet werden. Es gibt allerdings GTO-Thyristoren, die das Sperren eines Ventils durch einen Impuls erlauben. Allerdings weisen diese schlechtere elektrische Werte auf und werden zunehmend durch IGBTs ersetzt.

Hat ein Brückengleichrichter voll steuerbare Zweige, ist mit ihm Vier-Quadrantenbetrieb möglich, d. h., er kann bei entsprechender Steuerung sowohl Energie aus der Wechselstromseite in die Gleichstromseite liefern als auch umgekehrt. Die entsprechende Schaltung in Form einer H-Brücke wird als Vierquadrantensteller bezeichnet und unter anderem in Wechselrichtern zur Erzeugung einer Wechselspannung aus einer Gleichspannung eingesetzt.

Die Einteilung der steuerbaren Gleichrichter erfolgt in mehrere Schaltungstopologien, dazu zählen B2HZ-, B2HK-, B2C- und B6C-Gleichrichter.
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