Zusammenfassung: Verschiedene Anlaufverfahren für Elektromotoren werden vorgestellt und analysiert, wobei der Schwerpunkt auf dem Sanftanlauf liegt. Ziel dieser Arbeit ist es jedoch, das Problem des Anlaufs von Elektromotoren unter hoher Last zu lösen und ein AC/AC-Verfahren mit variabler Frequenz vorzustellen, das dies ermöglicht. Schlüsselwörter: Induktionsmotor, Sanftanlauf, AC/AC-Frequenzumrichter . 1 Einleitung: Seit seiner Erfindung hat der Drehstrommotor eine über 100-jährige Entwicklung durchlaufen. In dieser langen Zeit hat er einen Meilenstein in der Etablierung und Weiterentwicklung dieser klassischen Antriebstechnik gesetzt. Aufgrund seiner einfachen Struktur, des zuverlässigen Betriebs, der einfachen Wartung und des niedrigen Preises wird er häufig in der Stromversorgung von Produktionsmaschinen eingesetzt und findet vielfältige Anwendung in Branchen wie dem Maschinenbau, der Chemie-, Textil- und Petrochemieindustrie. Das Anlaufverhalten von Elektromotoren stellt jedoch nach wie vor eine Herausforderung dar. Denn beim Direktanlauf unter konstanter Spannung beträgt der Anlaufstrom etwa das 4- bis 7-Fache des Nennstroms. Die Drehzahl muss innerhalb kürzester Zeit von null auf die Nenndrehzahl ansteigen, was zu einem Anlaufstoß führt. Dies kann leicht zu starkem Verschleiß oder sogar zur Beschädigung des Antriebsmechanismus des elektrisch angetriebenen Geräts führen. Der hohe Anlaufstrom verursacht einen Spannungsabfall im Netz und beeinträchtigt den normalen Betrieb anderer Geräte im Netz. Gleichzeitig kann der Motor aufgrund des Spannungsabfalls Schwierigkeiten beim Anlaufen haben, zum Blockieren und im schlimmsten Fall zum Durchbrennen führen. Daher ist die Reduzierung des hohen Anlaufstroms bei Asynchronmotoren ein zentrales Thema im Motorbetrieb. Zu diesem Zweck ist es notwendig, das Anlaufverfahren zu verbessern, um einen sanften und stoßfreien Anlauf zu erreichen. Aus diesem Grund wurden verschiedene strombegrenzende Anlaufverfahren entwickelt. 2 Traditionelle Anlaufverfahren 2.1 Anlauf mit Stator-Seriendrosselklappen Bei Kurzschlussläufer-Asynchronmotoren werden im Allgemeinen Stator-Seriendrosselklappen für den Stufenanlauf verwendet, während Schleifringläufer-Asynchronmotoren Rotor-Seriendrosselklappen zum Anlauf nutzen. Das Anlaufen mit einer Stator-seitigen Serienreaktanz, d. h. durch Erhöhung der Stator-seitigen Reaktanz, kann als Reduzierung der tatsächlichen Statorspannung verstanden werden, um den Anlaufstrom zu senken. Dieses Anlaufverfahren ist ein Verfahren mit reduzierter Spannung. Der Nachteil besteht darin, dass das Anlaufdrehmoment quadratisch mit der sinkenden Statorspannung abnimmt und hohe Leistungsverluste im externen Serienwiderstand auftreten. Da es sich um ein stufenweises Anlaufverfahren handelt, ist die Anlaufcharakteristik zudem nicht gleichmäßig. 2.2 Stern-Dreieck-Anlauf: Beim Anlauf sind die Statorwicklungen in Sternschaltung angeschlossen, nach dem Anlauf in Dreieckschaltung. In Sternschaltung beträgt der Motorstrom nur ein Drittel des Stroms in Dreieckschaltung. Leider reduziert sich auch das Motordrehmoment auf ein Drittel. Um sicherzustellen, dass der Motor bei Nenndrehzahl sein Nenndrehmoment erreicht, wird nach einer voreingestellten Zeit von Stern- auf Dreieckschaltung umgeschaltet. Dabei tritt ein sekundärer Einschaltstrom auf. 2.3 Anlauf mit Spartransformator: Beim Anlauf des Motors wird der Stator über einen Spartransformator an das Drehstromnetz angeschlossen. Sobald die Motordrehzahl einen bestimmten Wert erreicht, wird der Spartransformator abgeschaltet, der Motorstator wird direkt an das Netz angeschlossen und der Motor nimmt den Normalbetrieb auf. Im Vergleich zum Direktanlauf sinken Anlaufstrom und Anlaufdrehmoment beim Anlauf mit einem Spannungsabfall auf W2/W1 auf das Doppelte des Verhältnisses (W2/W1) (W2/W1 ist das Windungszahlverhältnis des Spartransformators). Der Vorteil dieses Anlaufverfahrens liegt in der Möglichkeit, die Statorspannung während des Anlaufs anzupassen. Im Vergleich zum Anlauf mit Stator-Serienreaktanz ist der Anlaufdrehmomentverlust bei gleichem Anlaufstrom geringer. Eine Erhöhung der Transformatorleistung und der Spannungsfestigkeit führt zu größeren Abmessungen und höheren Kosten und schränkt häufige Anläufe oder Anläufe unter hoher Last ein. 3. Anlauf mit frequenzabhängigem Widerstand: Bei Schleifringläufer-Asynchronmotoren wird üblicherweise ein frequenzabhängiger Widerstand in Reihe mit dem Rotorkreis zum Anlauf verwendet, wenn lediglich der Anlaufstrom begrenzt und das Anlaufdrehmoment erhöht werden soll. Diese Anlaufmethode neigt jedoch bei häufigem Anlauf zu Temperaturanstieg und ist komplex aufgebaut, weshalb sie nicht weit verbreitet ist. Die oben genannten Anlaufmethoden weisen folgende Gemeinsamkeiten auf: einfache Steuerschaltungen, im Wesentlichen festes und nicht einstellbares Anlaufdrehmoment, sekundärer Einschaltstrom, Stoßdrehmoment an der Lastmaschine und Anfälligkeit für Netzspannungsschwankungen. Ein Abfall der Netzspannung kann zum Motorstillstand und zu Anlaufschwierigkeiten führen. Darüber hinaus führen alle diese Anlaufmethoden zu einem abrupten Abschalten, was unter hoher Last zu starken mechanischen Stößen führen kann. 4. Sanftanlauf: Beim Sanftanlauf steigt die Ausgangsspannung des Geräts nach einem bestimmten Muster an, wodurch die Spannung des geregelten Motors sanft von null auf die Nennspannung ansteigt und die Drehzahl sanft von null auf die Nenndrehzahl beschleunigt wird. Es handelt sich um eine Kombination aus Leistungselektronik und Automatisierungstechnik, die Hoch- und Niederspannungsregelungstechniken vereint. In einem Sanftanlaufgerät sind drei antiparallel geschaltete Thyristoren in Reihe zwischen dem Drehstromnetz und dem zu regelnden Motor geschaltet. Die antiparallel geschalteten Thyristoren sind jeweils einer Phase des Motors zugeordnet. Mithilfe des Thyristor-Phasenverschiebungsprinzips wird der Leitwinkel der internen Thyristoren gesteuert. Beim Anlauf des Motors wird die Stromversorgung durch die unvollständige Leitfähigkeit der sechs Thyristoren geregelt. Das heißt, nur ein Teil der dreiphasigen Sinuswelle versorgt den Motor beim Anlauf mit Strom. Der Vorteil des Sanftanlaufs liegt in seiner optimalen Anlaufkennlinie. Dadurch kann sich der Leitwinkel der Thyristoren allmählich von null Grad nach vorne verschieben, die Klemmenspannung des Motors steigt allmählich von null auf die Nennspannung an und der Anlaufstrom steigt linear von null auf den Sollwert. So werden die Anforderungen an das Anlaufdrehmoment erfüllt und ein erfolgreicher Anlauf gewährleistet. 5. Anlaufverfahren für hohe Lasten (Frequenzumrichteranlauf) 5.1 Funktionsprinzip des Frequenzumrichters: Sanftanlauf bietet zwar einen ruhigen Start und einstellbare Parameter wie die Anlaufzeit und damit Vorteile, die herkömmliche Anlaufverfahren nicht bieten, und ist daher ein idealer Ersatz für traditionelle Abwärtsanlaufgeräte. Wird jedoch ein Induktionsmotor mit einem thyristorgesteuerten Spannungsregler angesteuert, bleibt die Netzfrequenz bei reduzierter Spannung auf der Betriebsfrequenz, was zu einem niedrigen Leistungsfaktor und erhöhter Blindleistung führt. Dies beschränkt die Anwendung auf Teillastbetrieb und macht das Verfahren für den Anlauf hoher Lasten ungeeignet. In vielen Fällen, wie z. B. bei Kugelmühlen, Brechern, Kompressoren und Ventilatoren, kann der Anlauf unter Teillast jedoch nicht garantiert werden. Daher ist es notwendig, die Netzfrequenz bei gleichzeitiger Spannungsreduzierung zu senken, d. h. ein konstantes Spannungs-Frequenz-Verhältnis (V/F-Verhältnis) beizubehalten, um ein konstantes Anlaufdrehmoment zu gewährleisten. Aus diesem Grund ist der Frequenzumrichteranlauf zweifellos das beste Anlaufverfahren. Wird der Frequenzumrichter jedoch nur zum Anlauf ohne Drehzahlregelung verwendet, führt dies zu erheblichen finanziellen Verlusten, insbesondere da Hochspannungs- und Hochleistungs-Universal-Frequenzumrichter noch teurer sind. Zudem ist der Anlauf von Induktionsmotoren unter hoher Last nur ein kurzzeitiger Vorgang. Daher ist es unerlässlich, ein sicheres Anlaufverfahren für Induktionsmotoren unter hoher Last zu finden. Aus den oben genannten Anlaufverfahren lässt sich schließen, dass ein AC/AC-Frequenzumrichter zum Anlauf unter hoher Last eingesetzt wird. Da AC/AC-Frequenzumrichter keinen Zwischenkreis (DC-Zwischenkreis) benötigen, erfolgt die Frequenzumwandlung in einem einzigen Schritt, was zu einem höheren Wirkungsgrad führt. Darüber hinaus werden in Hochleistungs-Drehzahlregelungssystemen für Wechselstrommotoren hauptsächlich AC/AC-Frequenzumrichter verwendet. Das Funktionsprinzip eines AC/AC-Frequenzumrichters besteht darin, zwei Wechselstromkreise abwechselnd mit einer bestimmten Frequenz zu betreiben und so Wechselstrom dieser Frequenz an die Last abzugeben. Die Änderung der Schaltfrequenz der beiden Umrichterkreise ändert die Ausgangsfrequenz; die Änderung des Steuerwinkels α des Umrichterkreises während des Betriebs ändert die Amplitude der Wechselspannung am Ausgang. Wenn der Winkel α nicht fixiert ist und der Winkel α des positiven Umrichterkreises P innerhalb einer halben Periode schrittweise von 90° auf 0° verringert und anschließend wieder auf 90° erhöht wird, steigt die mittlere Ausgangsspannung des positiven Gleichrichterkreises in jedem Steuerintervall sinusförmig von null auf ihren Maximalwert an und fällt dann wieder auf null ab. In der anderen Halbperiode wird die gleiche Steuerung auf den negativen Umrichter N angewendet, um eine nahezu sinusförmige Ausgangsspannung zu erzielen. Wie der Thyristor-Gleichrichterkreis (Sanftanlauf) gehört auch der AC/AC-Umrichterkreis zur Netzkommutierung. Für die Echtzeitsteuerung mittels Computer sind drei Grundvoraussetzungen erforderlich: dreiphasige Niederfrequenzsignale, Synchronisationssignale und Nullstromerkennung. 5.2 Erzeugungsprinzip dreiphasiger Niederfrequenzsignale: Zur Erzeugung dreiphasiger Niederfrequenzsignale mittels Computer müssen die zu erzeugenden Niederfrequenzsignale zunächst digitalisiert werden. Diese Digitalisierung umfasst sowohl die Amplitude als auch die Zeit. Zeitlich wird der Niederfrequenzsignalzyklus in 360 gleiche Teile unterteilt, wobei ein Grad als Einheit dient (die Auflösung ist ausreichend). Die Zeit für einen Grad des Niederfrequenzsignals wird anhand der gewünschten Frequenz berechnet und als Zeitintervall verwendet. Somit wird für jeden Grad der entsprechende Wert des Niederfrequenzsignals ausgegeben, wobei sich alle 360 ​​Grad ein Zyklus wiederholt und so den Niederfrequenzzyklus bildet. Die Ausgabe der beiden anderen Phasen erfolgt analog, jedoch unterscheiden sich die entsprechenden Werte um genau 120 bzw. 240 Grad. Dies ergibt ein Niederfrequenzsignal mit einer Differenz von 1200 Grad. Da die quasi-trapezförmige Welle eine hohe Grundamplitude aufweist, wird sie als Niederfrequenz-Referenzsignal verwendet. Es handelt sich um eine begrenzte Sinuswelle, die ihren Maximalwert bei 600 erreicht. Ziel ist die Verbesserung der Ausnutzung der Gleichspannung. Im Folgenden wird die Realisierung des dreiphasigen Niederfrequenzsignals anhand der quasi-trapezförmigen Welle beispielhaft erläutert. Erstellen Sie eine Tabelle mit quasi-trapezförmigen Wellenformen, die 360 ​​Datenpunkte umfasst. Jeder Datenpunkt repräsentiert die quasi-trapezförmige Wellenform in 1-Grad-Schritten. Die Tabelle wird unter der Adresse TABLE im Speicher abgelegt. Der erste Datenpunkt entspricht der Wellenform bei 1 Grad, der letzte bei 360 Grad. Die Daten in der Tabelle werden proportional erfasst. b. Setzen Sie einen Zählerzeiger COUN. Bei der Initialisierung wird COUN auf 0 gesetzt und ein Timer gestartet. Nach Ablauf des Timers wird der Zählerzeiger COUN um 1 erhöht, und die Daten in der Tabelle (entsprechend der Speicheradresse TABLE+COUN) werden abgerufen und ausgegeben. Sobald der Zählerzeiger COUN = 360 erreicht, wird COUN auf 0 zurückgesetzt. Damit ist die Datenausgabe für diesen Zyklus abgeschlossen und der nächste Zyklus vorbereitet. Durch diesen kontinuierlichen Datenabruf und die Ausgabe wird ein niederfrequentes digitales Signal erzeugt. c. Die beiden anderen Phasen der Niederfrequenzsignale, die um 120° bzw. 240° nacheilen, können mithilfe derselben Tabelle berechnet werden. d. Um ein komplexwertiges, variables Niederfrequenzsignal zu erhalten, muss vor der Ausgabe des digitalen Niederfrequenzsignals ein Modulationskoeffizient angewendet werden. Der Modulationskoeffizient liegt zwischen 0 und 1. Die Zeit, die e,1° entspricht, wird durch die gewünschte Ausgangsfrequenz bestimmt. Nach der Umwandlung in eine Zeitkonstante wird diese in der TIME-Einheit gespeichert. Diese Variable steuert die Ausgangsfrequenz des AC/AC-Wandlers. 5.3 Synchronisationssignalschaltung: Bei Verwendung eines Mikrocomputer-Timing-Verfahrens zur Phasenverschiebungssteuerung des AC/AC-Wandlers müssen dem Mikrocomputer zum Zeitpunkt des Beginns jedes Thyristor-Steuerwinkels Rechtecksignale zugeführt werden, damit das vom Phasenverschiebungssteuergerät an den Thyristor gesendete Triggersignal in jedem Zyklus der Versorgungsspannung wiederholt werden kann. Daher muss die Frequenz dieses Rechtecksignals der Frequenz der Versorgungsspannung entsprechen. Daher wird dieses Rechtecksignal allgemein als Synchronisationssignal bezeichnet. Eine weitere Funktion des Synchronisationssignals besteht darin, dass der Mikrocomputer anhand seines Zustands die Phase und den Transistor bestimmt und entscheidet, ob der obere oder untere Transistor einer bestimmten Phase aktiv ist. Die Spannung der Phase A wird abgenommen, vom Synchronisationstransformator heruntertransformiert und anschließend durch eine RC-Phasenverschiebungsschaltung in eine sinusförmige Spannung mit einer Phasenverschiebung von 30 Grad umgewandelt. Der Transistor wandelt die Sinuswelle in eine Rechteckwelle um, die dann durch Optokoppler, Invertierung und Ausgangsschaltungen geleitet wird, um am Ausgang das Synchronisationsimpulssignal zu erzeugen. 5.4 Nullstromerkennungsschaltung Unabhängig davon, ob es sich um einen spannungs- oder stromgesteuerten AC/AC-Wechselrichter ohne Ausgleichsstrom handelt, muss die Kommutierung der Vorwärts- und Rückwärtswandler im Nullstromzustand erfolgen, in dem die Triggerimpulse beider Wandler blockiert sind. Daher muss der tatsächliche Nullstrom genau und zuverlässig erkannt werden, da dies die Länge der Kommutierungs-Totzone und die Zuverlässigkeit der Kommutierung beeinflusst. Detektionsverfahren: Es gibt zwei gängige Methoden zur Laststrommessung: den LEM-Stromsensor und die Thyristor-Klemmenspannungsmessung. Die Verwendung eines LEM-Stromsensors ermöglicht die vollständige Trennung des Hauptstromkreises vom Steuerstromkreis und vereinfacht den Detektionsschaltkreis. Aufgrund von Kommutierung und anderen Faktoren enthält der Laststrom jedoch zahlreiche Oberschwingungen, was die Strommessung, insbesondere die Nulldurchgangserkennung, erschwert. Nach Filterung und Formung kann das Ausgangssignal des LEM-Sensors einen falschen Nulldurchgang anzeigen und dadurch Fehlfunktionen im Steuerungssystem verursachen. Da die Klemmenspannung eines Thyristors im leitenden Zustand nahezu null ist (Spannungsabfall am Transistor) und im sperrenden Zustand der angeschlossenen Wechselspannung (Netzspannung oder Phasenspannung) entspricht, werden gleichzeitig die sechs Thyristoren jeder Phase des Wechselrichter-Hauptstromkreises überwacht. Leitet ein Thyristor, fließt Strom in dieser Phase. Sind alle sechs Thyristoren gesperrt, fließt kein Strom in dieser Phase – dies ist der Nulldurchgangspunkt des Stroms. Dieses Verfahren erkennt den Nullstrom direkt, ohne die Stromwellenform anpassen zu müssen. Das Ausgangssignal entspricht exakt dem Nullstrom in der Stromwellenform, wodurch die Detektionsschaltung präziser und zuverlässiger wird. 6. Probleme und Lösungen: Die Ausgangsspannung des AC/AC-Wechselrichters setzt sich aus mehreren Segmenten der Netzspannung zusammen. Mit steigender Ausgangsfrequenz sinkt die Anzahl der Netzspannungssegmente pro Periode der Ausgangsspannung, während die Oberwellenanteile zunehmen. Diese Wellenformverzerrung der Ausgangsspannung ist einer der Hauptfaktoren, die die Erhöhung der Ausgangsfrequenz begrenzen. Daher sollte die maximale Ausgangsfrequenz 1/3 bis 1/2 der Netzfrequenz nicht überschreiten. Da das Gerät jedoch hauptsächlich zum Anfahren verwendet wird, können die entsprechenden Thyristoren angesteuert werden, um auf Sanftanlauf umzuschalten, sobald die Drehzahl 1/3 der Nenndrehzahl erreicht hat. Das Sanftanlaufverfahren wird auch in diesem Gerät angewendet. Der Anlauf erfolgt sanft. Da die Spannung zu diesem Zeitpunkt relativ gering ist, tritt beim Schaltvorgang kein hoher Einschaltstrom auf. Da ein Verfahren zur Regelung nicht-zirkulierender Ströme verwendet wird, entsteht eine Kommutierungs-Totzeit, die zu leichten Verzerrungen der Ausgangswellenform führt. Ein schnelleres und präziseres Nullstromerkennungsverfahren kann die Totzeit reduzieren. 7. Fazit: Traditionelle Anlaufverfahren werden zunehmend durch Thyristor-Sanftanlaufgeräte ersetzt. Sanftanlaufgeräte können jedoch das Anlaufproblem von Induktionsmotoren unter hoher Last nicht effektiv lösen. Daher wird ein praktisches AC/AC-Frequenzumrichter-Anlaufverfahren vorgestellt, um dieses Problem zu beheben. Aufgrund der derzeit relativ hohen Kosten der AC/AC-Frequenzumrichtertechnologie und des vergleichsweise geringen Forschungs- und Entwicklungsstands in China ist diese Technologie derzeit hauptsächlich auf Schlüsselanlagen in großen Bergwerken beschränkt. Mit der kontinuierlichen Kostensenkung und dem wachsenden Bewusstsein für Energieeinsparung wird die Anwendung dieser Technologie im Bergbau jedoch eine neue Ära einläuten und ihr Anwendungsbereich erweitern, was weitere Entwicklungen und Verbesserungen erfordert. Referenzen [1] Auswahl und Analyse von Abwärtsstartern für Elektromotoren, Ling Hao, 2000.12, Bd. 20, S. 66 [2] Diskussion über Sanftanlauf und Schutz von Wechselstrom-Asynchronmotoren, He Youquan, Bergbaumaschinen, 2000.5 [3] Chen Boshi, Chen Minxun, Wechselstrom-Drehzahlregelungssystem, Maschinenbauverlag, 1997 [4] Traktion und regenerative Bremsung von Wechselstrom-Wechselrichter-Asynchronmotoren mit nicht-zirkulierendem Strom, Liang Hui, Journal der Northern Jiaotong University, 1995.9, Bd. 19, Nr. 3 [5] Anwendung der Wechselstrom-Frequenzumrichter-Drehzahlregelungstechnik im Bergbau, Feng Lijie, Zhongzhou Coal, 1997.2, S. 24–25