Vektormodulation

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Vektormodulation wird sowohl in der Antriebstechnik wie auch in der Nachrichtentechnik mit leicht unterschiedlichen Techniken und Zielen eingesetzt. Bei der Nachrichtentechnik wird durch Vektormodulationsverfahren auf einem vorhandenen Träger begrenzter Bandbreite möglichst viele Informationen übertragen. In der Antriebstechnik werden hingegen Wirkungsgrad und Regelverhalten von elektrischen Maschinen optimiert.

Vektormodulation in der Nachrichtentechnik

Durch Übertragung von gerichteten Vektoren entstehen zusätzliche Informationen bei der Bildung von Differenzen zu anderen Vektoren. Je nach Anwendung können so durch geeignete Anordnung der Verfahren weitere Informationen "versteckt" bzw. übertragen werden.

Analoge Vektormodulationsverfahren

Bekannte analoge Modulationsverfahren aus der herkömmlichen Farbfernsehtechnik basieren auf Vektormodulation (PAL, NTSC, SECAM). Hier wird die Farbinformation aus der Differenz zu den s/w Signalen aufmoduliert, bzw. später auch wieder zurückgewonnen.

Digitale Vektormodulationsverfahren

Gebräuchliche digitale Vektormodulationsverfahren sind AFSK, (Frequency Shift Keying), QPSK, APSK, (Phase Shift Keying), QAM (Quadraturamplitudenmodulation), DMT, OFDM (Multiplex auf mehreren Trägern).

Vektormodulation in der Antriebstechnik

In der Antriebstechnik ist die Vektormodulation wegen der erforderlichen Rückkopplung zur Maschine auch unter dem Begriff Vektorregelung bekannt. Darüber hinaus existieren bei verschiedenen Firmen weitere proprietäre Bezeichnungen. So wurde die Vektormodulation bei der Fa. Siemens unter der Bezeichnung Transvektorregelung ab ca. 1970 erforscht. Die aktive Vermarktung durch Siemens findet heute u.A. bei der Luftspaltregelung des Transrapid Linearmotors statt.

Allgemein versteht man unter der Vektormodulation (engl. space vector modulation) in der Antriebstechnik ein Bewegen des Raumzeigers (engl. space vector) nach verschiedenen Regeln. Die Regelung der Modulation kann bei Synchronmaschinen und Asynchronmaschinen durchaus unterschiedlich sein. Sie basiert im Allgemeinen jedoch auf Rückkopplung einer Regelschleife von der Maschine sowie auf aufeinanderfolgende Parc Transformation des Signals.

Vektormodulation bei Synchronmaschinen

Sind Statorfluss und Statorstrom im rotierenden D-Q Feld beim Synchronmotor parallel, so ist der Drehmoment gleich Null. Bei einem rechtwinklig stehendem Raumvektor entsteht hingegen ein maximales Drehmoment.

Zur Ausregelung des Raumvektors im rechten Winkel ist ein Regelkreis mit Rückkopplung zur Maschine erforderlich. Diese Rückkopplung wird bei Synchronmaschinen meist mit 3 Hallsensoren, häufig aber auch mit optischen Encodern realisiert. Sensorlose Regelungen können bei Blockkommutierung durch das Zurückmessen der im Motor induzierten Gegen EMK (engl. Back EMF) realisiert werden. Dieses Rückkopplung hat jedoch inbesondere bei kleinen Geschwindigkeiten zunehmende Nachteile.

Vektormodulation bei Asynchronmaschinen

Asynchronmaschinen können zur Leistungssteigerung ebenfalls mit vektormodulierter Frequenz angesteuert werden. Hierbei ist der Wirk und Blindstrom Iw und Iu interessant. Der Blindstrom sorgt für eine Magnetisierung des Ständers, der Wirkstrom für den Drehmoment. Da sich der Blindwiderstand X vom Ständer mit der Frequenz ändert, der ohmsche Widerstand R jedoch bei Frequenzänderungen konstant bleibt, ist die U/f Kennlinie bei einem Asynchronmotor nicht wirklich linear. Insbesondere bei niedrigen Frequenzen ist der Spannungsabfall an R so groß, daß kein voller Blindstrom mehr durch X fliessen kann und die Maschine dann wegen ungenügender Magnetisierung an Drehmoment verliert. Dies ist auch der Grund, weshalb man sehr kleine Geschwindigkeiten mit Asynchronmaschinen nur noch schlecht ausregeln kann und der Asynchronmotor zum genauen Positionieren ungeeignet ist.

Um diese Nachteile bei kleinen Geschwindigkeiten auszugleichen, bieten viele Frequenzumrichter welche nach der U/f Kennlinie arbeiten, für kleine Geschwindigkeiten einen "Boost" Betrieb an, bei welchem die über dem Ständer R abfallende Spannung zusätzlich eingespeist wird. Allerdings sind derart feste Boost Faktoren lediglich ein Kompromiss für eine mittlere Drehmomentabgabe da der Drehmoment ja ebenfalls einen Wirkstrom verursacht. Dieser Wirkstrom hat einen ebensolchen Spannungsabfall im Ersatzschaltbild des Ständer R zur Folge weshalb der gewünschte Blindstrom wiederum nicht optimal ist. Bei einem fehlerhaften Blindstrom ist damit entweders der Drehmoment zu gering oder die Maschine hat bei Übermagnetisierung hohe Eisenverlust in Wärme umzusetzen. Ausserdem verändert sich der Wirkwiderstand R der Maschine bei Erwärmung auf einen besonders bei niedrigen Drehzahlen durchaus nicht mehr zu vernachlässigenden Wert.

An dieser Stelle greift nun die Vektormodulation ein und führt den Drehfeldvektor in einer geschlossenen Regelschleife nach, welche idealerweise sämtliche Störeinflüsse des Systems berücksichtigt. In der Praxis können damit auch bei Asynchronmaschinen zum Positionieren bis zur Geschwindigkeit Null nahezu ideale Servoeigenschaften erreicht werden. Bei verschiedenen Frequenzumrichtern ist es heute Stand der Technik, daß die Regelung der Vektormodulation adaptiv arbeitet. Unbekannte Maschinenmodelle werden selbst erlernt und applikationsspezifische Lastsprünge automatisch verbessert nachgeregelt.