[Zusammenfassung] : Dieser Artikel analysiert das Anlaufverfahren für einen freilaufenden Motor an einem VVVF-Hochspannungsumrichter mit sensorloser Drehzahlregelung. Durch die Analyse des Anlaufvorgangs wird ein auf dem Statordrehmomentstrom basierendes Frequenzsuchverfahren vorgestellt. Die Experimente verliefen erfolgreich, und der freilaufende Motor konnte problemlos angelaufen werden. [ Schlüsselwörter ] : Schnellstart, Hochspannungsumrichter , Frequenzsuche. Einleitung: Hochleistungs-Hochspannungs-Frequenzumrichter finden breite Anwendung in verschiedenen Lüfter- und Pumpenanlagen in Branchen wie Petrochemie, Energiewirtschaft, Metallurgie und Städtebau. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung des Energieverbrauchs und der Prozessoptimierung. Mit der Erweiterung der Anwendungsbereiche weisen jedoch selbst einfache sensorlose VVVF-gesteuerte Hochleistungs-Hochspannungs-Frequenzumrichter zahlreiche verbesserungsbedürftige Funktionen auf. Der Anlauf des Frequenzumrichters bei laufendem Motorrotor, auch „Schnellstart“ genannt, ist eine besonders wichtige Funktion. In großen Antriebssystemen, insbesondere in Lüfteranwendungen, ist das Trägheitsmoment des Rotors und der angetriebenen Anlage sehr hoch, und die Zeit bis zum Stillstand kann von mehreren Minuten bis zu mehreren Stunden reichen. Fällt der Frequenzumrichter aufgrund von Netzproblemen, Fehlbedienung oder Störungen aus und wird anschließend wieder mit Strom versorgt, dreht sich der Motorrotor weiter. Kann der Frequenzumrichter erst starten, wenn der Rotor stillsteht, kann der vom Frequenzumrichter angetriebene Motor in vielen Situationen, wie beispielsweise in petrochemischen Prozessen und Kraftwerkskesseln mit strengen Produktionsanforderungen, den Betrieb nicht rechtzeitig wieder aufnehmen. Dies führt zu einem Systemausfall oder zur Abschaltung einzelner Anlagenteile. Bei großen Systemen können unerwartete Systemausfälle dem Anwender unkalkulierbare wirtschaftliche Verluste verursachen. In Anwendungen, in denen Hochspannungs-Frequenzumrichter (FU) für mehrere Pumpen eingesetzt werden, kann ein FU eine Pumpe sanft auf 50 Hz anfahren und anschließend auf die Netzfrequenz umschalten. Derselbe Vorgang wird dann für den sanften Anlauf einer weiteren Pumpe verwendet, wobei nur die letzte Pumpe den FU zur Regelung der Wasserzufuhr nutzt. Wenn der Förderstrom nach dem Abschalten der drehzahlgeregelten Pumpe den Bedarf übersteigt und reduziert werden muss, muss eine der netzfrequenzbetriebenen Pumpen auf die Drehzahlregelung durch einen Frequenzumrichter (FU) umgeschaltet werden. Dies erfordert vom FU eine Funktion zum Umschalten zwischen variabler und Netzfrequenz. Für die Umschaltung von Netzfrequenz auf variable Frequenz muss der FU zudem über eine Schnellstartfunktion verfügen. Kann die FU-gesteuerte Produktionsanlage nicht abgeschaltet werden, beispielsweise bei einer Störung oder Wartungsbedarf des FU, muss der laufende Motor auf Netzfrequenzbetrieb umgeschaltet werden, um eine unterbrechungsfreie Produktion zu gewährleisten. Nach Abschluss der Wartungsarbeiten und der Wiederinbetriebnahme des FU kann dieser wieder auf den Betrieb mit variabler Frequenz umgeschaltet werden, um den tatsächlichen Anforderungen der kritischen Prozesssteuerung gerecht zu werden. Auch hierfür ist eine Schnellstartfunktion erforderlich. Daher ist die Schnellstartfunktion von Hochleistungs-Hochspannungs-Frequenzumrichtern eine wesentliche Voraussetzung für die Erfüllung der Anwenderanforderungen. Andernfalls ist ihr Einsatz in großtechnischen Industrieanlagen eingeschränkt. 2. Einführung in das Hochspannungs-Frequenzumrichtersystem mit mehrstufiger Reihenschaltung ● Hauptschaltungsstruktur: Hochspannungs-Frequenzumrichter mit mehrstufiger Reihenschaltung finden in China breite Anwendung. Die Hauptschaltungsstruktur eines Hochspannungs-Frequenzumrichters mit sechs Einheiten pro Phase ist in Abbildung 1 dargestellt. Zunächst wird die Hochspannung des dreiphasigen Dreiwicklungskreises mittels eines Phasenschiebertransformators auf die Niederspannung des dreiphasigen Mehrwicklungskreises reduziert. Um die Oberwellenbelastung des Stromnetzes zu minimieren, erfolgt die Phasenverschiebung durch Verlängerung der Dreiecksphase, sodass die Spannungsphasendifferenz der sechs Wicklungen jeder Phase auf der Niederspannungsseite 10 Grad beträgt. Die Leistungseinheitsstruktur ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Eingangsseite jeder Einheit besteht aus einer 6-pulsigen dreiphasigen Vollweg-Diodengleichrichterbrücke. Die Eingangsspannungsdifferenz der sechs Einheiten pro Phase beträgt 10 Grad, was einem 36-pulsigen Gleichrichter am Stromnetz entspricht. Jede Einheit ist ein Niederspannungs-Frequenzumrichter, bestehend aus einer Gleichrichterbrücke, Energiespeicherkondensatoren und einem H-Brücken-Ausgangswechselrichter. Da die Eingangsseite mit Diodengleichrichtung arbeitet, kann der Strom nur von der Gleichrichterseite zum H-Brücken-Wechselrichter fließen. Fließt Strom von der H-Brücke zur Leistungseinheit, führt dies zu einem kontinuierlichen Spannungsanstieg der Energiespeicherkondensatoren und deren Beschädigung. Daher muss verhindert werden, dass der vom Frequenzumrichter angetriebene Motor in den Generatorbetrieb wechselt und Energie in den Frequenzumrichter zurückspeist. Im Betrieb des Frequenzumrichters wird die dreiphasige Wechselstromversorgung durch die Gleichrichterdiodenbrücke in der Leistungseinheit gleichgerichtet, und die Kondensatoranordnung filtert die pulsierende Gleichspannung zu einer konstanten Gleichspannung. Die Kondensatoranordnung dient außerdem als Energiespeicher für den PWM-Ausgang und stellt eine stabile Ausgangsspannung bereit. Der H-Brücken-Wechselrichter mit sechs Leistungseinheiten pro Phase erzeugt sein PWM-Ausgangssteuersignal durch Vergleich einer gemeinsamen Sinuswelle mit sechs Dreiecksträgerwellen. Die sechs dreieckigen Trägerwellen sind um 1/6 ihrer Periode versetzt, sodass die Ausgangsspannung nach Reihenschaltung und Überlagerung der sechs Einheiten eine 13-stufige Welle ergibt. UA1…UA6 sind die Ausgangsspannungen der sechs Leistungseinheiten in Phase A, deren Überlagerung die Ausgangsspannung UA0 des Frequenzumrichters in Phase A ergibt. Die Referenzspannung UAr für Phase A, die zur Erzeugung des PWM-Steuersignals verwendet wird, zeigt, dass UA0 UAr sehr gut annähert. UAF ist die Grundkomponente der Ausgangsspannung in Phase A. Bei einem 6-kV-Frequenzumrichter beträgt die Eingangsspannung der Leistungseinheit dreiphasig 600 V. Bei einer Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters von 50 Hz beträgt die Ausgangsspannung der Leistungseinheit einphasig 577 V. Nach Reihenschaltung und Überlagerung der Einheiten beträgt die Ausgangsphasenspannung 3464 V. Da der Neutralpunkt des Frequenzumrichters nicht mit dem Neutralpunkt des Motors verbunden ist, handelt es sich bei der Ausgangsspannung des Frequenzumrichters tatsächlich um eine Netzspannung. Die durch die Ausgangsspannungen der Phasen A und B erzeugte UAB-Ausgangsspannung kann 6000 V erreichen und weist eine 25-stufige Wellenform auf. Die Ausgangsspannung und die Phasenspannungsstufen weisen relativ geringe Oberwellenanteile und eine geringe Spannungsänderungsrate (dV/dt) auf. 3. Hochspannungs-Frequenzumrichter-Anlaufverfahren: Der Anlauf eines Hochspannungs-Frequenzumrichters erfolgt, wenn der Motorstator vom Frequenzumrichter oder dem Stromnetz getrennt wird. Dadurch befindet sich der Stator im passiven Zustand, während der Rotor mit unvorhersehbarer Drehzahl rotiert. Anschließend wird der Hochspannungs-Frequenzumrichter mit dem Stator verbunden und aktiviert diesen. Das rotierende Magnetfeld des Stators wird aktiviert und treibt den Rotor schließlich in den Normalbetrieb. Wie aus den Prinzipien der Motortechnik bekannt, wird bei einer großen Abweichung der Drehzahl des rotierenden Magnetfelds des Stators von der Drehzahl des Rotors (d. h. bei hohem Schlupf) ein hoher Strom erzeugt, während das elektromagnetische Drehmoment relativ gering ist. Wird ein Motor beispielsweise direkt mit voller Spannung und Netzfrequenz gestartet, kann der Statorstrom das 5- bis 7-Fache seines Nennstroms erreichen. Die Kapazität eines Hochspannungs-Frequenzumrichters ist jedoch in der Regel nicht auf das 5- bis 7-Fache des Motornennstroms ausgelegt. Ist die Ausgangsfrequenz des Hochspannungs-Frequenzumrichters während eines Schnellstarts hoch (50 Hz) und die Motordrehzahl sehr niedrig, tritt eine ähnliche Überstromabschaltung auf. Ist die Ausgangsfrequenz des Hochspannungs-Frequenzumrichters hingegen während eines Schnellstarts niedrig und die Drehzahl des Stator-Magnetfelds niedriger als die Motordrehzahl, befindet sich der Motor im Generatorbetrieb. Der Motorrotor gibt Energie an den Stator ab, um den Kondensator des Frequenzumrichters aufzuladen, was zu einer Abschaltung des Frequenzumrichters aufgrund einer Kondensatorspannungsspitze führen kann. Entscheidend für einen erfolgreichen Schnellstart eines Hochspannungs-Frequenzumrichters ist daher, dass die Ausgangsfrequenz der Rotordrehzahl (bzw. -frequenz) entspricht. Da die Motorrotorfrequenz zufällig ist, muss eine Rotorfrequenzsuche durchgeführt werden. Das heißt, der „Flystart“ beginnt mit der Suche nach der Rotorfrequenz des Motors. Sobald die Rotorfrequenz ermittelt ist, verwendet der Frequenzumrichter diese als Ausgangsfrequenz. Dadurch werden sowohl Überstrom als auch Überspannungen an den Kondensatoren verhindert. Für die sensorlose V/f-Regelung beschreiben die Handbücher von Siemens zwei Methoden zur Rotorfrequenzsuche: Die erste, die sogenannte „V/f-Kennlinien-Spannungsvergleichsmethode mit konstantem Stator-Nennstrom“, beinhaltet die Aufrechterhaltung eines konstanten Stator-Nennstroms und den Vergleich der Ausgangsspannung des Umrichters mit dem Spannungswert auf der V/f-Kennlinie. Stimmen die Werte überein, entspricht die Ausgangsfrequenz der Rotorfrequenz. Die zweite Methode, die sogenannte „DC-Bus-Minimalstrommethode“, besagt, dass der DC-Busstrom des Umrichters minimal ist, wenn die Drehzahl des Stator-Magnetfelds der Motorrotordrehzahl entspricht. Dadurch wird die Rotorfrequenz indirekt über den DC-Busstrom ermittelt. Die erstgenannte Methode ist theoretisch möglich, in der Praxis ist der physikalische Zusammenhang zwischen der V/f-Kennlinie und dem Stator-Nennstrom jedoch unklar. Bei niedrigen Frequenzen wird eine Ausgleichsspannung hinzugefügt, was die Genauigkeit des Spannungsvergleichs anhand der V/f-Kennlinie beeinträchtigt. Des Weiteren beeinflusst das dynamische Verhalten der Konstantstromregelung direkt die Genauigkeit des Spannungsvergleichs und der Frequenzsuche. Letztere Methode hat zwar ein klares physikalisches Konzept, ist aber nicht direkt anwendbar. In unserer Hochspannungs-Wechselrichter-Leistungseinheit erfolgt keine Gleichstrom-Zwischenkreisstrommessung; daher kann das Verfahren zur indirekten Rotorfrequenzbestimmung über den Gleichstrom-Zwischenkreisstrom nicht angewendet werden. Der nach Anlegen der Suchspannung an den Motor erzeugte Statorstrom kann jedoch vektorisiert werden, um die Drehmomentstromkomponente zu extrahieren. Die Rotorfrequenz lässt sich dann indirekt über die Drehmomentstromkomponente bestimmen. Wenn die Drehzahl des Stator-Drehfelds der Drehzahl des Motorrotors entspricht, entspricht die Motorrotordrehzahl der Synchrondrehzahl. Theoretisch sollte die Drehmomentstromkomponente in diesem Fall null sein. In der Praxis ändert sich jedoch während der Rotorfrequenzsuche die Kreisfrequenz des Drehfelds, und die Transformationsbeziehung der Drehmomentstromzerlegung mittels Vektortransformation gilt nur für eine bestimmte Kreisfrequenz. Die Schrittweite der Frequenzsuche kann nicht infinitesimal klein sein; es ist möglich, dass der vorherige Schritt über und der nächste Schritt unter der Rotorfrequenz liegt. Die Suche sollte daher auf einem Drehmomentstromanteil nahe Null basieren. Das heißt, sie sollte auf dem minimalen Drehmomentstromanteil basieren, wobei ein minimaler Vergleichswert für den Drehmomentstrom vorgegeben ist. Denn wenn die Drehzahl des Motorstators im Magnetfeld niedriger ist als die des Motorrotors, befindet sich der Motor im Generatorbetrieb. Der Motorrotor gibt dann Energie an den Stator zurück, um den Wechselrichterkondensator zu laden, was zu einem Überspannungsanstieg am Wechselrichterkondensator führt. Daher muss die Suche mit einer Frequenz oberhalb der Motorrotorfrequenz beginnen, wobei alle Möglichkeiten berücksichtigt und mit dem höchsten Wert von 50 Hz begonnen wird. Die Frequenzsuche erfolgt daher monoton fallend von hoch nach niedrig. Der Suchprozess beginnt bei einer Frequenz oberhalb der Motorrotorfrequenz (50 Hz). Würde man der V/f-Kennlinie direkt folgen, würde die Vollausschlagspannung ausgegeben, ähnlich einem direkten Vollspannungsstart, was extrem hohe Strom- und Drehmomentspitzen zur Folge hätte. Daher wird die Spannung mit 5 % bis 20 % der Vollausschlagspannung ausgegeben. Nach erfolgreicher Suche wird die Spannung bei dieser Frequenz schrittweise wieder auf die Vollausschlagsspannung erhöht. Dadurch wird die Spannungsbegrenzung bei Strom- und Drehmomentspitzen abgeschwächt. Obwohl der Suchprozess eine Ausgangsspannung von 5 % bis 20 % der Vollausschlagsspannung liefert, kann es dennoch zu Überstrom kommen, wenn der Abschwächungsfaktor der Spannung nicht korrekt eingestellt ist. Daher benötigt der Suchprozess auch eine Strombegrenzung, um eine negative Rückkopplung auf die Ausgangsspannung zu erzeugen und Überstrom automatisch zu unterdrücken. Da die freie Drehrichtung des Motorrotors der normalen Betriebsrichtung entgegengesetzt sein kann, benötigt der Wechselrichter außerdem eine bidirektionale Suchfunktion. Kann der minimale Drehmomentstrom im Bereich von 50 Hz bis 0 Hz in normaler Betriebsrichtung nicht gefunden werden, wird der umgekehrte Suchprozess gestartet. Nach Ermittlung der Motorrotorfrequenz wird die Drehzahl zunächst auf 0 reduziert und anschließend wieder auf die vorgegebene Frequenz beschleunigt.