Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt verschiedene Methoden für Lasttests von Wechselrichtern vor und konzentriert sich dabei auf deren Zusammensetzung, Vor- und Nachteile. Schlüsselwörter: Wechselrichter, Lasttestanlage 1 Einleitung Angesichts der rasanten Entwicklung der Wechselrichtertechnologie und des starken Anstiegs der Wechselrichterhersteller in China benötigen große Anwender und Hersteller von Wechselrichtern dringend Geräte für die Leistungsprüfung von Wechselrichtern und optimierte Lasttests. Die Auswahl einer effektiven Testanlage ist daher zu einem wichtigen Forschungsthema geworden. 2 Einführung in das Funktionsprinzip von Schlupfbereichsmotoren Da im Folgenden hauptsächlich elektromagnetisch drehzahlgeregelte Asynchronmotoren, allgemein bekannt als Schlupfbereichsmotoren, verwendet werden, ist eine kurze Einführung in deren Funktionsprinzip erforderlich. Elektromagnetisch drehzahlgeregelte Asynchronmotoren bestehen aus drei Komponenten: einem Kurzschlussläufer-Asynchronmotor, einer elektromagnetischen Schlupfbereichskupplung und einem elektrischen Steuergerät. Der Asynchronmotor dient als Antriebsmaschine; seine Rotation treibt den Anker der Kupplung an. Das elektrische Steuergerät versorgt die Erregerspule der Schlupfbereichskupplung mit Erregerstrom. Abbildung 1 zeigt ein schematisches Diagramm einer elektromagnetischen Rutschkupplung, bestehend aus drei Teilen: Anker, Magnetpolen und Erregerspule. Der Anker ist ein zylindrisches Bauteil aus Stahlguss, das mit der Welle eines Kurzschlussläufermotors (Antriebsteil) verbunden ist. Die klauenförmigen Magnetpole sind auf der Lastwelle (Abtriebsteil) montiert. Antriebs- und Abtriebsteil sind mechanisch unabhängig. Fließt Strom durch die Erregerspule, entsteht ein Magnetfeld, und die klauenförmige Struktur bildet viele Magnetpolpaare. Wird der Anker vom Kurzschlussläufermotor angetrieben, interagiert er mit dem Magnetfeld und erzeugt ein Drehmoment. Die Magnetpole des Abtriebsteils drehen sich dann mit dem Anker des Antriebsteils, jedoch langsamer, da der Anker die Magnetfeldlinien nur dann schneiden kann, wenn eine Relativbewegung zwischen Anker und Magnetfeld besteht. Das Prinzip der mit dem Anker rotierenden Magnetpole unterscheidet sich grundsätzlich nicht vom Prinzip der Rotorbewegung, die dem rotierenden Magnetfeld der Statorwicklung in herkömmlichen Asynchronmotoren folgt. Der Unterschied besteht darin, dass das rotierende Magnetfeld eines Asynchronmotors durch den dreiphasigen Wechselstrom in der Statorwicklung erzeugt wird, während das Magnetfeld einer elektromagnetischen Rutschkupplung durch den Gleichstrom in der Erregerspule erzeugt wird und nur aufgrund der Ankerrotation als rotierendes Magnetfeld fungiert. Abbildung 1 zeigt ein schematisches Diagramm des Grundaufbaus einer elektromagnetischen Rutschkupplung. Im stationären Betrieb entspricht das Lastmoment dem elektromagnetischen Drehmoment der Kupplung. Bei konstanter Last bestimmt die Größe des Erregerstroms die Drehzahl des Abtriebsteils: Je größer der Erregerstrom, desto höher die Drehzahl; umgekehrt gilt: Je kleiner der Erregerstrom, desto niedriger die Drehzahl. Basierend auf dieser Eigenschaft lassen sich Drehzahl und Drehmoment des Abtriebsteils einfach über eine elektrische Steuerschaltung einstellen. 3. Blockierverfahren für einen Schleifringläufermotor: Dieses Verfahren nutzt direkt einen Schleifringläufermotor, dessen Hauptwellenabtrieb (siehe Abbildung 1) mechanisch fest mit dem Sockel verbunden ist. Die Drehzahl der Hauptwelle beträgt dabei stets null. Die Größe des Erregerstroms und das Drehmoment werden durch Anlegen einer Gleichspannung an die Erregerspule und damit die Lastgröße angepasst (siehe Abbildung 2). Abbildung 2 zeigt ein Schaltbild des Blockierverfahrens für einen Schleifringläufermotor. Für dieses Verfahren ist eine einstellbare Gleichspannungsquelle von 0–60–90 V / 2–8 A (maximal) erforderlich. Steht keine geeignete Stromversorgung zur Verfügung, kann ein Spannungsregler mit Gleichrichter und Filter verwendet werden (siehe Abbildung 3). Da Schleifringläufermotoren üblicherweise mit einem Drehzahlregler ausgestattet sind, kann der Spannungsregelkreis des ursprünglichen Drehzahlreglers durch eine einphasige SCR-Spannungsregelung ersetzt werden. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht jedoch in der nichtlinearen Ausgangsspannung. In der Anfangsphase ändert sich die Ausgangsspannung langsam, was zu einer langsamen Laständerung führt. Bei hohen Ausgangsspannungen ändert sich die Ausgangsspannung schnell, was die Lastanpassung erschwert. Abbildung 3 zeigt ein Schaltbild einer Gleichspannungserzeugungsschaltung mit Spannungsregelung und Gleichrichter. Die Vorteile dieser Methode liegen in ihrer Einfachheit, den geringen Kosten und ihrer Eignung für Hochgeschwindigkeits-Lasttests in kleinen und mittleren Frequenzumrichtern. Da schnelles Be- und Entladen durch Erregung nicht möglich ist, können dynamische Leistungs- und Leistungserzeugungstests nicht durchgeführt werden. Außerdem arbeitet der Schleifkopf des Schleifringläufermotors bei niedrigen Drehzahlen mit relativ geringer Drehzahl, wodurch eine Laständerung bei niedrigen Drehzahlen nicht möglich ist. 4. Zwei Asynchronmotoren, angetrieben von einem Schlupfbereichsmotor: Bei dieser Methode wird ein Schlupfbereichsmotor koaxial mit einem anderen Asynchronmotor verbunden. Die beiden Motoren können, wie in Abbildung 4 dargestellt, von zwei separaten Frequenzumrichtern angesteuert werden. Abbildung 4: Schaltbild von zwei Asynchronmotoren, angetrieben von einem Schlupfbereichsmotor. Mit dieser Methode lässt sich die Lastgröße durch Anlegen einer Gleichspannung an die Erregerspule oder durch Anpassen der relativen Drehzahl der beiden Motoren regeln. Sie ermöglicht Lastwechsel im umgekehrten elektrischen Betrieb oder im phasengleichen Generatorbetrieb. Dank der relativen Drehzahl kann sie im Vergleich zu den drei oben genannten Motoren mit einfachem Schlupfbereich auch bei niedriger Drehzahl betrieben werden. Der Nachteil besteht darin, dass die Lastreaktion aufgrund der elektromagnetischen Induktion und des Schlupfs langsam ist und keine schnelle Laständerung möglich ist. Daher erfüllt sie nicht die Anforderungen an hochpräzise und schnelle Leistungsprüfungen. 5. Zwei Wechselstrommotoren, angetrieben von einem Motor mit Schlupfbereich: Diese Methode verwendet zwei koaxial geschaltete Asynchronmotoren gleicher Leistung. Die beiden Motoren werden von zwei separaten Frequenzumrichtern angesteuert (siehe Abbildung 5). Ein Motor wird vom Testumrichter, der andere von einem Vektor-Umrichter mit präziser Drehmomentregelung, wie beispielsweise der TD3000-Serie von Emerson, angesteuert. Durch die Änderung von Drehmomentgröße und -richtung kann der Prüfling als Last für den zu prüfenden Motor genutzt werden, wodurch die Leistungsfähigkeit des Prüfumrichters verifiziert wird. Abbildung 5 zeigt die beiden Wechselstrommotoren im Paarantrieb. Dieses Verfahren ermöglicht die Belastung sowohl im Rückwärtslauf des Motors als auch im phasengleichen Generatorbetrieb. Dank der Drehmomentregelung im geschlossenen Regelkreis werden hohe Drehmomente und präzise Belastung bei Stillstand, niedriger und hoher Drehzahl erreicht. Da die Motoren mechanisch fest verbunden sind, reagiert der Asynchronmotor schneller auf Drehmoment und Lastwechsel als der Schleifringläufermotor. Dies erfüllt die Prüfanforderungen der meisten Anwendungsfälle. Allerdings werden die Anforderungen an hochpräzise und schnelle Leistungsprüfungen nicht vollständig erfüllt. Abbildung 6 zeigt das Paarantriebsverfahren für AC/DC-Einheiten. Hierbei werden ein Gleichstrommotor und ein weiterer Asynchronmotor koaxial angeschlossen. Der Asynchron-Wechselstrommotor wird vom Prüfumrichter angesteuert, der Gleichstrommotor von einem DC-Drehzahlregler, der in vier Quadranten arbeitet. Durch die präzise Steuerung des Drehmoments eines Gleichstrommotors und die Variation von Betrag und Richtung des Prüfdrehmoments lässt sich die Last des Prüfmotors beliebig verändern und somit die Leistungsfähigkeit des Frequenzumrichters überprüfen. Abbildung 6 zeigt die AC/DC-Lademethode. Mit dieser Methode kann die Last sowohl im Rückwärtslauf des Motors als auch im phasengleichen Generatorbetrieb erreicht werden. Dank der Drehmomentregelung des Gleichstrommotors im geschlossenen Regelkreis lassen sich hohe Drehmomente und präzise Lasten bei Stillstand, niedriger und hoher Drehzahl erzielen. Da die Motorverbindung eine mechanische, feste Verbindung darstellt, reagiert der Gleichstrommotor schnell auf das Drehmoment, was zu einer schnellen Lastreaktion führt. Dies erfüllt die Prüfanforderungen der meisten Anwendungsfälle und ist derzeit die optimale Prüfmethode. 7. Fazit: Die Analyse der vier oben genannten Lastprüfmethoden für Frequenzumrichter zeigt, dass jede Methode ihre Vor- und Nachteile hat. Die Wahl des Prüfverfahrens hängt vom jeweiligen Prüfzweck ab. Es sei darauf hingewiesen, dass durch Hinzufügen eines Drehmomentsensors zu dem in den Abschnitten 4, 5 und 6 beschriebenen Gerät das Ausgangsdrehmoment des Motors präzise ermittelt werden kann. Ziel dieses Artikels ist es, häufig gestellte Fragen von Kunden und Fachkollegen zur Lastanpassung zu beantworten. Er bietet Herstellern, Entwicklern und Anwendern von Frequenzumrichtern wertvolle Informationen. (Referenzen ausgelassen)