Leistungsmesstechnik

Messtechnische Grundlagen eines PWM-Motortreibers

| Autor / Redakteur: Francois Epp und Stuart Chappell * / Hendrik Härter

Leistungsmessung am PWM-Motortreiber: Precision Power Analyzer PPA5530 von Newtons4th
Leistungsmessung am PWM-Motortreiber: Precision Power Analyzer PPA5530 von Newtons4th (Caltest)

Niedrige Motorfrequenzen auf der einen, hochfrequente und rauschbehaftete Ansteuerspannungen auf der anderen Seite. Konventionelle Messtechnik versagt hier schnell. Wir zeigen einen Lösungsansatz.

Techniken auf Basis der Pulsweiten-Modulation (PWM) haben einen großen und ständig wachsenden Anteil an der modernen Leistungselektronik. Die drehzahlvariablen Antriebe kommen beispielsweise in Waschmaschinen, Elektrowerkzeugen oder Pumpen zum Einsatz. Aber auch neue Anwendungssegmente, zu denen Elektrofahrzeuge und die Umwandlung erneuerbarer Energien zählen, müssen auch PWM-Treiber bzw. die zugehörigen Verbraucher so ausgelegt und geprüft werden, dass sie bestimmten Performance- und Wirkungsgrad-Kriterien gerecht werden.

Die mit dieser Anwendung zusammenhängenden Schwierigkeiten resultieren vorwiegend aus den relativ niedrigen Motorfrequenzen, die von hochfrequenten und rauschbehafteten Ansteuerspannungen abgeleitet werden müssen. Um insgesamt eine hohe Messgenauigkeit zu erzielen gilt es also, diese Kombination aus nieder- und hochfrequenten Signalen präzise zu quantifizieren. Mit konventionellen Messinstrumenten lässt sich diese besonders schwierige Herausforderung nicht bewältigen.

Was für die PWM-Technik spricht

Was muss bei der Leistungsmessung berücksichtigt werden, wenn PWM-Motortreiber eingesetzt werden? Das wollen wir hier untersuchen. Wenn ein Wechselstrommotor direkt an eine Wechselspannung (an eine dreiphasige Spannung von 415 V) gelegt wird, ergibt sich eine festgelegte Motordrehzahl (siehe Formel in der Bildergalerie).

In der Formel enthalten sind: ns die Motordrehzahl in Hertz, f die Netzfrequenz und p die Zahl der Pole.Die fest vorgegebene Drehzahl ist durchaus ein Problem, denn die Drehzahl muss in vielen Anwendungen variabel sein, um beispielsweise die Durchflussrate einer Wasserpumpe variieren zu können. In der Vergangenheit erreichte man die Drehzahlverstellung, indem man die Spannung für die Motorwicklungen reduzierte. Dabei verringerte sich der Strom in den Wicklungen und damit das Motordrehmoment. Die Drehzahl des Motors ging dabei proportional zur Spannung zurück, solange sich die Belastung des Motors nicht änderte. Die Belastung ist allerdings nicht immer konstant.

Ist der Schlupf eines Motors zu groß, geht sein Wirkungsgrad entscheidend zurück, und bei Laständerungen schwankt die Motordrehzahl. Angesichts dieser Situation war klar, dass eine verfeinerte Lösung benötigt wurde.

Die Grundlagen der PWM-Technik

Grundsätzlich kann die PWM-Technik für ein- und mehrphasige Anwendungen genutzt werden. Hier soll es jedoch um die besonders weit verbreiteten dreiphasigen Anwendungen gehen, für die beispielsweise in Großbritannien eine Spannung von 415 V bei 50 Hz üblich ist. Der PWM-Controller richtet die Wechselspannung gleich und speist sie in einen Gleichspannungs-Zwischenkreis mit einer Spannung von ca. 600 V ein, aus dem wiederum ein Wechselrichter gespeist wird. Der Wechselrichter enthält als Schaltelemente MOSFETs, IGBTs oder Thyristoren, die von einem Prozessor angesteuert werden. Dies geschieht in einer bestimmten Abfolge, um eine Sinuswelle mit der gewünschten Frequenz und Amplitude zu erzeugen. Die Sinusspannung erzeugt dann für den Rotor das passende rotierende Magnetfeld, das schließlich in kinetische Energie, also der Drehung des Rotors, umgewandelt wird.

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Mikroprozessor und IGBTs

In Bild 2 ist zu erkennen, dass sowohl der Eingang als auch der Ausgang dieses Systems dreiphasig sind. Der Gleichspannungs-Zwischenkreis ist schaltungstechnisch so ausgelegt, dass er das gleichgerichtete Signal so weit wie möglich glättet, da jegliche Welligkeit zulasten des Wirkungsgrads geht. Über den Mikroprozessor und die IGBT-Schaltungen ermöglicht die Wechselrichterstufe eine uneingeschränkte Kontrolle über den Motor.

Der Mikroprozessor schickt geeignete Steuersignale an die Gates der Schaltelemente (IGBTs), um sowohl die Spannung als auch die Frequenz der an den Motor gelangenden Signale zu variieren. In dieser Schaltung kommen pro Motorwicklung zwei IGBTs zum Einsatz.

Die Gleichrichterstufe der Schaltung wandelt die am Eingang anstehenden drei Phasen in eine Gleichspannung um. Die Gleichrichterverluste sollten möglichst gering sein, um den Wirkungsgrad der Stufe, die dem Gleichspannungs-Zwischenkreis vorgeschaltet ist, zu optimieren. Der Gleichspannungs-Zwischenkreis dient nicht nur als Verbindung zwischen Gleichrichter und Wechselrichter, sondern übernimmt auch die Aufgabe, die vom Gleichrichter produzierte Gleichspannung zu glätten. Diese Stufe dient häufig als Bezugspunkt, um den Wirkungsgrad der Wechselrichterstufe zu messen. Die Gleichspannung beträgt in der Regel das 1,35-Fache der AC-Phasenspannung am Eingang, sodass der Gleichspannungs-Zwischenkreis bei 415-V-Phasenspannung eine Spannung von ca. 560 V aufweist.

Bild 3 zeigt die verschiedenen Wellenformen, die in den einzelnen Schaltungsteilen vorkommen. Gut zu erkennen ist, wie die am Eingang anstehende 50-Hz-Wechselspannung gleichgerichtet und geglättet wird.

Von Wechselrichter bis Mikroprozessor

Die in Bild 3 schematisch dargestellten IGBTs werden durch die vom Mikroprozessor erzeugten Signale so ein- und ausgeschaltet, dass im Mittel eine so weitestgehend sinusförmige Wechselspannung entsteht. Diese kann den Motorwicklungen zugeführt und in mechanische Arbeit umgewandelt werden, wobei ein Minimum an Drehmomentwelligkeit entsteht. Sobald an den IGBT die zum Einschalten erforderliche Spannung von bis zu 15 V gelegt wird, fließt ein Strom durch den IGBT an die Motorwicklung.

In Bild 4 ist das von den IGBTs ausgegebene PWM-Ausgangssignal zu sehen, das als Signal einer Phase dargestellt ist. Im Prinzip wird dabei das Tastverhältnis des IGBT so variiert, dass am Ausgang die Nachbildung einer Sinuswelle entsteht. Die Induktivität der Motorwicklung trägt zur Glättung der Welle bei. Diese Modulation das Tastverhältnisses erfolgt – jeweils um 120° versetzt – für jede Phase. Dabei kann sowohl die Grundfrequenz als auch die Spannung des Ausgangssignals variiert werden. Je größer das durchschnittliche Tastverhältnis ist, umso höher ist die Spannung und somit auch das Drehmoment.

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