Coole Performance für Hochgeschwindigkeitsanwendungen

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. Die geringeren Temperaturen verlängern wiederum die Lebensdauer der typischerweise bei Bearbeitungsspindeln zum Einsatz kommenden Kugellager und verbessern die Bearbeitungsqualität.

Alle Ströme, die von der idealen Sinusform abweichen verursachen Verluste im Motor. Dieser sogenannte Rippelstrom wird durch den Umrichter erzeugt und überlagert den sinusförmigen Motorstrom. Er 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.

Neben dem Einsatz von LC-Filtern besteht eine Lösung darin, die Schaltfrequenz für die PWM zu erhöhen. Dabei gilt die Faustregel, dass eine Verdoppelung der Frequenz den Rippelstrom um die Hälfte reduziert. Diese Möglichkeit hat allerdings technische und wirtschaftliche Grenzen. Alternativ kann die Multi-Level-Technologie eingesetzt werden, die im SD4M von SIEB & MEYER implementiert ist. Dadurch lassen sich die im Rotor auftretenden Verluste um etwa 75 % verringern. Bei kombinierter Anwendung von Multi-Level-Technologie und Schaltfrequenzerhöhung können die Rotorverluste sogar um bis zu 90 % reduziert werden, was LC-Filter in vielen Fällen überflüssig macht.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel sind Schnellladelösungen für Regionen mit schwacher Netzstruktur. Die Schnellladestation arbeitet in Verbindung mit einem Schwungmassenspeicher, auch Flywheel genannt, der die zum Laden des Elektro-Fahrzeugs benötigte Energie bereitstellt. Die große Herausforderung dieser Anwendung ist das Hochvakuum, unter dem der Rotor des Flywheels arbeitet. Durch dessen hohe Isolationswirkung kann die Wärmeabfuhr ausschließlich über Strahlungswärme erfolgen. Das heißt, das System benötigt die geringstmögliche Erwärmung, damit es überhaupt vernünftig arbeiten kann. Die Frequenzumrichter von SIEB & MEYER unterstützen solche Anwendungen optimal und machen sie zum Teil überhaupt erst möglich.

Die SD4S-Serie steht in Baugrößen der 50 V-, der 230 V- und der 400 V-Klasse zur Verfügung. Unterstützt werden nun auch PWM-Schaltfrequenzen von 24 und 32 kHz. Für eine noch feinere Modulierung des sinusförmigen Signals ist eine Kommutierungswinkel-Steuerung für 32, 48 und 64 kHz integriert. Dadurch ergibt sich ein optimaler sinusförmiger Motorstrom, nahezu ohne störenden Oberschwingungen. Die durch die PWM verursachte Verlustleistung im temperaturanfälligen Motor bzw. Rotor kann somit sehr deutlich minimiert werden.

Auch die Multi-Level-Umrichter aus der SD4M-Serie ermöglichen beim Einsatz in Hochgeschwindigkeitsanwendungen eine geringe Motorerwärmung und einen hohen Systemwirkungsgrad. Außerdem reduziert der Wegfall von Motordrosseln bzw. Sinusfiltern das Bauvolumen und die Herstellungskosten des Gesamtsystems. Es stehen Varianten für die AC- und DC-Einspeisung in einem Leistungsbereich von 70..500 kVA zur Verfügung. Die Modelle mit DC-Einspeisung ermöglichen dabei den Einsatz in generatorischen Anwendungen wie Flywheel oder Mikrogasturbinen.

Die besonders kompakten Drive Controller aus der SD4B-Serie eignen sich sowohl für den Einsatz als hochdynamischer Servoverstärker für den Betrieb von rotativen und linearen Niedervolt-Servomotoren als auch für einen optimierten Betrieb von hochdrehenden Niedervolt-Synchron- und Asynchronmotoren. Im Hochgeschwindigkeitsbereich ermöglicht der SD4B einen sensorbehafteten Betrieb von Motoren mit überlagerter Synchronisationsfunktion auf Basis von 24 V-Synchronisations-Signalen. Auf diese Weise lassen sich mehrere Hochgeschwindigkeitsmotoren im Master-/Slave-Betrieb winkelsynchron betreiben. Die robuste Drehzahlregelung erlaubt dabei auch hohe Massenträgheitsverhältnisse von bis zu 1:100 zwischen Motor und Werkzeug.

SIEB & MEYER AG
Auf dem Schmaarkamp 21
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