Elektromotor 97)
Elektromotoren Blog - Feldorientierte Regelung (FOC)

Was ist die feldorientierte Regelung (FOC)?

Erfahren Sie, wie Frequenzumrichter das

Magnetfeld trennen und warum billige

Regler an der Ständerbohrmaschine

(z.B.) scheitern.

Wer die Drehzahl eines Drehstrommotors einfach per billigem

Frequenzumrichter herunterregelt, wundert sich oft über

fehlende Kraft.

Die Lösung heißt feldorientierte Regelung (FOC): Sie trennt

Magnetisierungs- und Drehmomentstrom und verleiht dem

Asynchronmotor die Dynamik eines Gleichstrommotors.

Erfahren Sie mehr im Elektromotoren-Glossar.

In der modernen Antriebstechnik richten wir den Blick heute nur indirekt auf
den E-Motor selbst. Der Scheinwerfer steht auf dem vorgeschalteten Gehirn des
Gesamtsystems: dem Frequenzumrichter (FU) und seiner modernsten Steuerungsart –
der feldorientierten Regelung (englisch Field-Oriented Control, kurz FOC oder
auch Vektorregelung).

Wir erleben es in der Werkstattpraxis von AQ Pluss Motoren immer wieder:
Heimwerker und selbsternannte Spezialisten kaufen auf Schnäppchen-Portalen
einen billigen Frequenzumrichter aus Fernost. Dieser wird dann an die
heimische Ständerbohrmaschine oder Drechselbank angeschlossen, um die Drehzahl
flexibel per Drehknopf einzustellen. Das Erwachen folgt schnell: Sobald der
Bohrer ins Metall greift, bleibt der Motor stecken – das Drehmoment bricht im
unteren Drehzahlbereich völlig ein. Die enttäuschten Fragen am Telefon lauten
dann: "Warum hat mein Motor keine Kraft mehr, ich habe doch extra einen Umrichter
dran?"

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Standard-Umrichter vs. Feldorientierte Regelung
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Für einfache Anwendungen reicht das klassische U/f-Kennlinienverfahren
(Spannungs-Frequenz-Steuerung) völlig aus – etwa beim Antrieb von Ventilatoren
oder einfachen Pumpen. Noch ein Praxistipp für die Werkstatt: Wenn Übersetzung
und Motor passen, lässt sich mit der bekannten 87-Hz-Kennlinie im
Dreieckbetrieb eine spürbare Leistungserhöhung erzielen.

Soll der Drehstrom-Asynchronmotor jedoch unter variablen Drehzahlen volle
Kraft und dynamische Positionierung liefern, stößt die einfache U/f-Steuerung
an ihre Grenzen. Genau hier kommt die feldorientierte Regelung ins Spiel.

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Wie funktioniert ein Frequenzumrichter grundlegend?
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Das Grundprinzip eines Frequenzumrichters setzen wir als bekannt voraus: Die
anliegende Wechsel- oder Drehspannung (z. B. 230 V oder 400 V bei 50 Hz bzw.
60 Hz) wird im Gerät zunächst gleichgerichtet und im Gleichstrom-
Zwischenkreis über Leistungskondensatoren geglättet. Anschließend zerhacken
moderne Halbleiter-Schalter (IGBTs) diese Gleichspannung über
Pulsweitenmodulation (PWM), um eine neue, in Frequenz und Spannung variable
Sinuswelle für den Motor bereitzustellen.

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Die Physik der FOC: Magnetfeld und Drehmoment entkoppeln
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Der entscheidende Kniff der feldorientierten Regelung liegt darin, dass der
Frequenzumrichter nicht einfach nur Spannung und Frequenz pauschal anpasst,
sondern direkt auf die physikalischen Magnetfelder im Motor zugreift. Die FOC
entkoppelt den Statorstrom mathematisch in zwei unabhängige Komponenten:

1. Magnetisierungsstrom (d-Komponente): Dieser Stromanteil sorgt für den Aufbau
des magnetischen Flussfeldes im Motor.

2. Drehmomentbildender Strom (q-Komponente): Dieser Stromanteil erzeugt direkt
die mechanische Kraft und das Drehmoment an der Welle.

Durch schnelle Mikroprozessoren und mathematische Transformationen (Park- und
Clarke-Transformation) sowie eine Rückmeldung der Rotorposition (per Encoder
oder intelligenter sensorloser Lageberechnung) wird der Drehstrommotor
punktgenau gesteuert. Das Ergebnis ist beeindruckend: Der robuste
Asynchronmotor lässt sich in Kraft und Dynamik genauso präzise regeln wie früher
ein aufwendiger Gleichstrommotor.

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Fazit & Experten-Tipp
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Wer für anspruchsvolle Maschinen konstantes Drehmoment über den gesamten
Drehzahlbereich benötigt, muss auf hochwertige Frequenzumrichter mit echter
feldorientierter Regelung setzen. Bei einfachen Anwendungen wie Lüftern tut es
auch die Standardsteuerung.

Fazit: AQ Pluss nutzen – bringt Nutzen!!

PS: AQ Pluss Motoren berät Sie gerne bei der optimalen Abstimmung von
Drehstrommotor und Frequenzumrichter – damit Ihre Antriebe unter jeder Last
volle Leistung bringen.

Er wartet und wartet ... wann kann er Ihnen ein HTM Angebot machen ??

Feldorientierte Regelung (FOC)

Nur indirekt geht es um den E-Motor – Drehstrommotor, es geht um den vorgelagerten Frequenzumrichter, der die feldorientierte Regelung für ein stabileres Drehmoment liefert. Wir haben ja einige „Spezialisten“, die meinen, einen Frequenzumrichter im Billig-Schrott-Markt im Netz zu kaufen und dann den heimischen E-Motor z. B. in einer Ständerbohrmaschine dranzuhängen und dann die Drehzahl nach Bedarf hoch und runter zu drehen. Und genau diese Super-Spezialisten haben wir nachher am Telefon mit dem Fragenkomplex, warum geht das nicht, ich hab doch… Für das einfache Strickmuster empfehlen wir dann die 87 Hz Kennlinie zu fahren, insofern es dazu passt.

Aber sonst, naja, aber zurück zum Wesentlichen, das nur kurz, da es uns ja um die E-Motoren direkt geht, nicht um die Elektronik drumherum. Also hier die feldorientierte Regelung (endlich!). Das Frequenzumrichterprinzip setzen wir mal als bekannt voraus. Spannung dran, Drehstrom 400 V oder andere Spannungshöhe, je nach Gerät, Strom rein, im 50 Hz Takt (in GB geht auch 60 Hz). Gleichrichten „gleich ziehen“ der Sinuswellen, in den Kondensatoren des Zwischenkreises kurz zwischenspeichern und dann über die 676 BTs die Spannung „zerhacken“, die Frequenz, dabei den Sollwert, was Sie halt brauchen (Frequenz / Drehzahl) über die Pulsweitenmodulation bereitstellen. Der Chip macht das.

Nun, das Problem dabei ist die Kraft, das Drehmoment, das soll ja erhalten bleiben. Darum gibt es den Kniff, nicht über Stromspannung und Frequenz zu regeln, sondern die etwas subtilere Art direkt über das Magnetfeld. Das ist von der Kraftbereitstellung (Drehmoment) effizienter. Dazu macht der Frequenzumrichter Folgendes:

Er regelt die beiden Ströme halt unabhängig (Denkmodell) voneinander. Mehr Physik, die Magnetisierung wird über den einen Strom gesteuert, wie oben schon beschrieben. Der „zweite Strom“ steuert das Drehmoment. Es ist eine mathematische Regelung (I-Regelung), mit einer Lageerkennung (Sensor) des Rotors über eine Rückführung.

Soweit ist es genug Physik für den Ansatz, den Endanwender. Der Fachmann findet in den Fachveröffentlichungen genug Physik, um es nachzuvollziehen. Dem Endanwender genügt es, zu wissen, dass es das gibt, und für ihn das Wesentliche, der Aufwand, ist erforderlich, um seinen Drehstrommotor (z. B. Asynchronmotor hier) ähnlich „gut“ zu regeln in Drehzahl und Kraft (Drehmoment) wie früher der Gleichstrommotor. Die einfache Standardanwendung verzichtet auf diese eher komplexe Regelung. Hatten wir oben schon, die 87 Hz Kennlinie des Drehstrommotors genügt fürs Einfache, z. B. für einen Ventilatorantrieb.

AQ Pluss nutzen – bringt Nutzen!!

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ist Ende, die HTM von AQ Pluss können es viel heißer.

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hinaus ebenfalls helfen können.

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