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antriebstechnik 4/2016

antriebstechnik 4/2016

STEUERN UND

STEUERN UND AUTOMATISIEREN 02 03 04 02 Geringe Rotorverluste sind insbesondere für HG-Motoren wichtig, da das Rotorvolumen im Vergleich zu einem Standardmotor wesentlich geringer ist 03 Statt einer herkömmlichen Leistungsendstufe setzt der SD2M auf eine Drei-Level-Umrichtertechnologie 04 Die Drei-Level-Technologie ermöglicht eine Erhöhung der PWM-Schaltfrequenz und eine Halbierung des Spannungshubs portional zur geringeren Motorinduktivität ab. Das Problem: Diese harmonischen Stromanteile verursachen nicht zu vernachlässigende Zusatzverluste im Motor – ca. 90 % der umrichterbedingten Verluste entstehen im Rotor. Diese Verluste wiederum resultieren in einer vermehrten Wärmeentwicklung und Lagerbelastung. Aufgrund der eingeschränkten Wärmeabfuhr bzw. Kühlung müssen die Verluste im Motor/Rotor deshalb auf ein Maß reduziert werden, das einen sicheren Betrieb gewährleistet. Grenztemperaturen von Synchronrotoren liegen im Bereich von ca. 90..150 °C. Am Markt verfügbare Zwei-Level-Frequenzumrichter bieten im Leistungsbereich > 100 kW maximal zulässige Schaltfrequenzen von 4 bzw. 6 kHz, da für eine Zwischenkreisspannung bis 600 V Halbleiterschalter (IGBTs) mit einer Sperrspannung von 1 200 V benötigt werden. Eine Erhöhung der Schaltfrequenzen ist aus technischen und wirtschaftlichen Gründen nicht zielführend, da die resultierenden höheren Schaltverluste eine überproportionale Erwärmung und Reduzierung der Stromtragfähigkeit verursachen. Basierend auf diesem Sachverhalt ist eine effektive Drehfeldfrequenz von maximal 600 bis 800 Hz möglich, da die PWM-Frequenz zur Realisierung eines näherungsweise sinusförmigen Ausgangsstroms das Acht- bis Zehnfache der Drehfeldfrequenz betragen soll. Hohe Schaltfrequenz, niedriger Spannungshub „Im Fall eines Drei-Level-Frequenzumrichters ist eine Erhöhung der Schaltfrequenz aber möglich“, sagt Rolf Gerhardt. „Und genau das ist unser Lösungsansatz.“ Bei der Nutzung dieser Technologie müssen die einzelnen Halbleiterschalter nur noch die halbe Zwischenkreisspannung in Höhe von 300 V schalten, sodass Halbleiter mit einer Sperrspannung von 600 V zum Einsatz kommen können. Diese Halbleitertypen haben bessere Schalteigenschaften, entsprechend ist die resultierende Verlustleistung trotz Schaltfrequenzen von bis zu 32 kHz beherrschbar. So lassen sich die harmonischen Stromanteile reduzieren, die umrichterbedingten Verluste im Rotor sind gering. Neben der PWM-Schaltfrequenz ist auch der Spannungshub entscheidend, welcher mit dem PWM-Muster auf die Motorwicklungen beaufschlagt wird. Durch die Drei-Level-Technologie wird der Spannugshub halbiert, was in erster Näherung auch den Stromrippel nochmals um die Hälfte verringert. In der Folge stellen sich abermals wesentlich verringerte Wärmeeinträge im Rotor ein. Der geringe Spannungshub wirkt sich aber auch noch anderweitig positiv aus: So schonen die geringeren Spannungsanstiege die Motorisolation, sodass deren Lebensdauer steigt. Zudem sind geringere externe EMV-Filtermaßnahmen notwendig – gegenüber der klassischen Zwei-Level-Technologie lassen sich so die Systemkosten senken. Die Firmware des SD2M basiert auf der Serie SD2S von Sieb & Meyer. Die Multi-Level-Technologie machte es jedoch notwendig, die bestehenden Regelungsalgorithmen und -modelle für den sensorlosen Betrieb von Synchronmotoren anzupassen. Diese Softwareteile wurden also strukturell und codeseitig angepasst. Die hardwareseitig realisierten Schnittstellen wurden firmwareseitig implementiert. Die Weiterentwicklung hat sich bei Sieb & Meyer bewährt: „Wir orientieren uns an den Bedürfnissen unserer Kunden“, betont Rolf Gerhardt. Auch beim SD2M gibt es noch Entwicklungspotenzial, so der Vertriebsleiter: „Die Leistung wäre noch erweiterbar – wenn der Markt danach verlangt.“ www.sieb-meyer.de 72 antriebstechnik 4/2016

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