High-Speed-Umrichter
Coole Performance in nachhaltigen Applikationen
Eine möglichst geringe Motorerwärmung ist das A und O beim Betrieb von Hochgeschwindigkeitsmotoren. Diese sind nicht nur das Herzstück von Bearbeitungszentren und Werkzeugmaschinen, sondern leisten unter anderem auch in Turboverdichtern und Schwungmassenspeichern einen wichtigen Beitrag zur Energiewende. Frequenzumrichter aus der SD4x-Produktfamilie von Sieb & Meyer reduzieren umrichterbedingte Motorverluste auf ein Minimum.
Daraus resultieren eine geringere Motorerwärmung und ein verbesserter Systemwirkungsgrad. Der Anwender spart Energie und Kosten und profitiert zudem von einer hervorragenden Bearbeitungsqualität.
Etwa 90 % der Leistungsverluste, die durch den Frequenzumrichter verursacht werden, treten im Rotor auf und können dort zu einer schädlichen Erwärmung des Motors führen. Dieses Temperaturproblem wird durch das naturgemäß geringe Volumen des Rotors in Hochgeschwindigkeitsmotoren zusätzlich verschärft. Genau diese Herausforderung hatte Sieb & Meyer bei der Entwicklung ihrer SD4x-Produktfamilie im Blick. Durch geeignete Regelungsverfahren und eine durchdachte Topologie ermöglichen die High-Speed-Umrichter der Lüneburger Hochgeschwindigkeits-Spezialisten Motorströme mit minimalen harmonischen Frequenzanteilen. Verglichen mit Wettbewerbsprodukten sind die Verluste um bis zu 90 % reduziert, was zu einer entsprechenden Verringerung der Motorerwärmung führt.
Das Ziel: Die perfekte Sinuskurve
Doch wie genau lässt sich der Motorstrom in der gewünscht hohen Qualität erzeugen? „Dazu muss man wissen, dass alle Ströme, die von der idealen Sinusform abweichen, Verluste im Motor erzeugen“, erläutert Torsten Blankenburg, Technikvorstand der Sieb & Meyer AG. „Dieser Motorstromanteil wird durch den Umrichter erzeugt und stellt sich als sogenannter Rippelstrom dar, der den sinusförmigen Motorstrom überlagert.“ Der auftretende Rippelstrom hängt maßgeblich von der Schaltfrequenz, der Umrichter-DC-Spannung und vor allem von der Motorinduktivität ab. Geringe Induktivitäten verursachen erhebliche Rippelströme. Das ist besonders bei schnelllaufenden Synchronmotoren problematisch, da diese naturgemäß niedrige Induktivitäten aufweisen. Die resultierende Rotorerwärmung kann enorme Auswirkungen auf die Rotorstabilität, die Permanentmagnete und die Lagerung haben. Besonders bei hohen Nenndrehzahlen des Motors manifestieren sich diese Probleme.
Als eine Gegenmaßnahme wird bei Standard-Umrichtern mit Zwei-Level-Puls-Weiten-Modulation (PWM) und niedriger Schaltfrequenz oft auf LC-Filter zurückgegriffen. Diese maßgeschneiderten Lösungen basieren auf passiven elektronischen Komponenten und erlauben entweder die Dämpfung der Schaltflanken des ausgegebenen Pulsmusters durch du/dt-Filter oder sogar die Annäherung an sinusförmige Motorspannungen und Ströme. Der Einsatz von LC-Filtern geht jedoch mit zusätzlichen Kosten, erhöhtem Platzbedarf, zusätzlichem Gewicht und Wirkungsgradverlusten einher. Zudem kostet die vorab erforderliche Auslegung der Filter für die spezifische Applikation Zeit und Flexibilität.
Die Lösung: Drei-Level-Technologie und Schaltfrequenzerhöhung
Eine weitere Option besteht darin, die Schaltfrequenz für die PWM zu erhöhen. Dabei gilt die Faustregel, dass eine Verdoppelung der Frequenz den Rippelstrom um die Hälfte reduziert. Dieser Möglichkeit sind allerdings technische und wirtschaftliche Grenzen gesetzt. Zum einen sind hochfrequente Leistungstransistoren im höheren Spannungsbereich kostspieliger. Zum anderen steigen die Schaltverluste in der Endstufe drastisch an, was sich nachteilig auf den Wirkungsgrad und Kühlungsaufwand auswirkt. Zudem reagieren nicht alle Motoren positiv auf eine Erhöhung der Schaltfrequenz. In bestimmten Fällen, insbesondere bei Synchronmotoren ohne Segmentierung der Permanentmagnete, führt eine Frequenzerhöhung baubedingt nur zu marginalen Verbesserungen der Motorverluste.
Alternativ kann die Drei-Level-Technologie eingesetzt werden, die beispielsweise im SD4M von Sieb & Meyer implementiert ist. Die Leistungshalbleiter der Endstufen werden dabei im Vergleich zur Zwei-Level-Technologie nur mit der Hälfte der Spannung beaufschlagt. Dies ermöglicht den Einsatz von Leistungshalbleitern, die für niedrigere Spannungen ausgelegt sind und somit (technologiebedingt) schneller schalten können. Das Ergebnis: In der Endstufe treten weniger Schaltverluste auf, und die Schaltfrequenz lässt sich erheblich steigern. Gleichzeitig wird der Motor im Vergleich zur Zwei-Level-Technologie nur mit 50 % der Spannungssprünge belastet. Durch den Einsatz der Drei-Level-Technologie lassen sich die im Rotor auftretenden Verluste um etwa 75 % verringern. Bei kombinierter Anwendung von Drei-Level-Technologie und Schaltfrequenzerhöhung können die Rotorverluste sogar um bis zu 90 % reduziert werden, was LC-Filter in vielen Fällen überflüssig macht.
SD4x: Entwicklungsplattform für eine zukunftsfähige Geräteserie
Sieb & Meyer entwickelt kontinuierlich zukunftsfähige Geräteserien auf Basis der Entwicklungsplattform SD4x.
„Unser Ziel ist es, hochdrehende Motoren dynamisch und mit noch weniger Verlustleistung anzutreiben“, so Blankenburg. „Deshalb unterstützen wir nun auch PWM-Schaltfrequenzen von 24 und 32 kHz.“ Für eine noch feinere Modulierung des sinusförmigen Signals ist eine Kommutierungswinkel-Steuerung nun auch für 32, 48 und 64 kHz integriert. Dadurch ergibt sich ein nahezu optimaler Sinus und es treten so gut wie keine harmonischen Ströme mehr auf. Die durch die PWM verursachte Verlustleistung kann auf ein Bruchteil minimiert werden.
„Die optimierte Performance, höhere Drehzahlen sowie die geringe Motorerwärmung ohne Sinusfilter – das sind die wesentlichen Vorteile der SD4x-Produktfamilie“, fasst Blankenburg zusammen. „Die Verbesserungen ermöglichen es, die Produktionsqualität bestehender Anwendungen zu optimieren und darüber hinaus ganz neue Einsatzbereiche zu erschließen.“
Autor: Markus Finselberger, Leiter Vertrieb Antriebselektronik bei SIEB & MEYER AG
Bilder: SIEB & MEYER AG
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