Der Kern der Drehzahlregelung eines Wechselstrommotors liegt in der Anpassung wichtiger Eingangsparameter des Motors wie Spannung, Frequenz, Stromstärke oder Magnetfeld. Diese Anpassung erfolgt je nach Motortyp (Asynchronmotor/Synchronmotor) und Anwendungsszenarien (z. B. Genauigkeit der Drehzahlregelung, Kosten, Energieverbrauch). Nachfolgend finden Sie eine detaillierte Analyse gängiger Regelungsmethoden, kategorisiert nach technischer Reife und Anwendungsbereich:

I. Drehzahlregelung basierend auf „Spannungs-Frequenz-Koordination“ (Mainstream für Asynchronmotoren)

1. Drehzahlregelung mit variabler Frequenz (VVVF, Variable Voltage Variable Frequency)

• Prinzip: Wandeln Sie den Wechselstrom mit Industriefrequenz (z. B. 220 V/50 Hz, 380 V/50 Hz) über einen „Frequenzumrichter“ in Wechselstrom mit „einstellbarer Spannung und Frequenz“ um, um die Anforderungen des Motors an unterschiedliche Geschwindigkeiten zu erfüllen (eine Erhöhung der Frequenz führt zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit und umgekehrt).
• Schlüssellogik: Bei fester Motorstatorimpedanz muss das U/f-Verhältnis konstant bleiben. Andernfalls kommt es zu einer Sättigung oder Insuffizienz des magnetischen Flusses, was zu einem Durchbrennen des Motors oder einem reduzierten Drehmoment führt. Daher muss der Frequenzumrichter Spannung und Frequenz in Echtzeit koordinieren.
• Einstufung:
  • Skalare Steuerung: Steuert nur die Amplitude von Spannung und Frequenz. Es hat eine einfache Struktur und niedrige Kosten und eignet sich für Szenarien mit geringen Anforderungen an die Genauigkeit der Drehzahlregelung, wie z. B. Lüfter, Wasserpumpen (z. B. Außengeräte von Haushaltsklimaanlagen).
  • Vektorsteuerung: Zerlegt den Motorstrom in „Erregerstrom“ und „Drehmomentstrom“ und steuert diese jeweils präzise, ​​um eine hohe Dynamik ähnlich der von Gleichstrommotoren zu erreichen (z. B. CNC-Werkzeugmaschinen, Aufzugsantriebsmaschinen).
  • Direkte Drehmomentregelung (DTC): Überspringt die Stromzerlegung und steuert direkt das Motordrehmoment und die Flussverkettung. Es verfügt über eine schnellere Reaktionsgeschwindigkeit und eignet sich für hochdynamische Szenarien wie Walzwerke und Servosysteme.
• Vorteile: Großer Drehzahlregelbereich (0 bis Nenndrehzahl, sogar über der Nenndrehzahl), hoher Wirkungsgrad (nahe dem Nennwirkungsgrad) und stabiles Drehmoment.
• Nachteile: Hohe Kosten des Frequenzumrichters; bei hohen Frequenzen können harmonische Störungen auftreten (ein Filter muss hinzugefügt werden).

2. Sanftanlasser-Drehzahlregelung (Hilfsdrehzahlregelung, diskontinuierliche Drehzahlregelung)

• Prinzip: Erhöhen Sie die Statorspannung des Motors schrittweise über einen Thyristor (SCR), um einen „sanften Anlauf“ zu erreichen und große Stromstöße während des Anlaufs zu vermeiden. Einige Sanftanlaufgeräte unterstützen eine „Drehzahlregelung vom Spannungsregelungstyp“ (Reduzierung des Schlupfverhältnisses s durch Absenken der Spannung, um indirekt die Drehzahl zu verringern).
• Anwendung: Gilt nur für die „Anlaufphase“ oder „kurzzeitige, ungenaue Geschwindigkeitsreduzierung“ (z. B. Geschwindigkeitsregelung von Förderbändern bei geringer Last). Eine kontinuierliche Geschwindigkeitsregelung über einen großen Bereich ist nicht möglich (zu niedrige Spannung führt zur Überhitzung des Motors).
• Vorteile: Geringere Kosten als Frequenzumrichter; vollständige Schutzfunktionen (Überstrom, Überlast).
• Nachteile: Enger Drehzahlregelbereich (normalerweise nur auf 70 % der Nenndrehzahl reduzierbar); niedriger Leistungsfaktor bei niedrigen Drehzahlen.

II. Drehzahlregelung basierend auf „Polpaaranpassung“ (Variable-Pole-Drehzahlregelung)

• Prinzip: Nach der Asynchronmotor-Drehzahlformel n = 60f(1-s)/pDie Synchrondrehzahl des Motors wird direkt durch die Änderung der Polpaarzahl p der Statorwicklung des Motors verändert (z. B. 2 Pole → 4 Pole). Bei 50 Hz beträgt die Synchrondrehzahl eines 2-poligen Motors 3000 U/min und die eines 4-poligen Motors 1500 U/min.
• Implementierungsmethode: Durch eine „Kommutierungsumschaltung“ (z. B. Stern-Dreieck-Schaltung, Doppelstern-Schaltung) der Motorwicklung die Stromrichtung der Wicklung ändern und dadurch die Polpaarzahl verändern.
• Anwendung: Gilt nur für Szenarien mit „gestufter Drehzahlregelung“ (z. B. Stanzpressen, Kompressoren, Lüfter). Der Motor muss für die Unterstützung mehrerer Polpaare ausgelegt sein (z. B. 2/4-polige, 4/6-polige Motoren mit zwei Drehzahlen).
• Vorteile: Einfache Struktur, niedrige Kosten, zuverlässiger Betrieb und kein Effizienzverlust bei der Geschwindigkeitsregelung.
• Nachteile: Es kann nur eine „Fixed-Getriebe“-Geschwindigkeitsregelung erreicht werden (z. B. 2 Gänge, 3 Gänge); eine kontinuierliche und gleichmäßige Geschwindigkeitsregelung ist nicht möglich.

III. Geschwindigkeitsregelung basierend auf „Schlupfverhältnisanpassung“ (Szenarien mit geringer Genauigkeit und geringer Leistung)

1. Statorspannungsregelung Drehzahlregelung

• Prinzip: Reduzieren Sie die Statorspannung U durch einen Spannungsregler (z. B. Spartransformator, Thyristor-Spannungsregler), wodurch das Motordrehmoment T (T ist proportional zu U²) reduziert wird. Bei unverändertem Lastdrehmoment erhöht sich der Schlupf s, und die Istdrehzahl sinkt.
• Vorteile: Einfache Schaltung und extrem niedrige Kosten.
• Nachteile: Enger Drehzahlregelbereich (nur 10 % – 30 % Drehzahlreduzierung erreichbar); starke Motorerwärmung bei niedrigen Drehzahlen (großer Schlupfleistungsverlust) und unzureichendes Drehmoment.

2. Drehzahlregelung durch Reihenwiderstand des Rotors (gilt nur für Asynchronmotoren mit gewickeltem Rotor)

• Prinzip: Die Rotorwicklung eines Asynchronmotors mit gewickeltem Rotor kann an einen externen Widerstand angeschlossen werden. Durch Erhöhen des Rotorkreiswiderstands R2 erhöht sich der Schlupf s (s ist proportional zu R2), wodurch die tatsächliche Drehzahl reduziert wird (die Synchrondrehzahl bleibt unverändert, und eine Erhöhung des Schlupfes führt zu einer Verringerung der tatsächlichen Drehzahl).
• Anwendung: Geeignet für Szenarien zur „kurzfristigen Geschwindigkeitsregelung“ oder „Anlaufgeschwindigkeitsregelung“ (z. B. Kräne, Winden). Es muss mit einem „Rotor-Rheostat“ kombiniert werden, um den Widerstandswert manuell oder automatisch anzupassen.
• Vorteile: Einfache Struktur, niedrige Kosten und stabiles Drehmoment während der Drehzahlregelung (großes Anlaufdrehmoment).
• Nachteile: Großer Rotorwiderstandsverlust bei niedrigen Drehzahlen (elektrische Energie wird in Wärmeenergie umgewandelt), geringer Wirkungsgrad und schlechte Drehzahlregelungsgenauigkeit (Getriebe mit begrenztem Widerstand).