Durch den Einsatz von Hochgeschwindigkeits-Antrieben lassen sich in der Regel unter anderem Prozessverbesserungen hinsichtlich Geschwindigkeit und Qualität erzielen. Des Weiteren ist eine Leistungssteigerung durch Reduzierung des Bauraumes oder eine bessere Energie-Effizienz der Anlagen und Maschinen möglich.

Die einfachste Variante zur Realisierung von Hochgeschwindigkeits-Antriebsreglern ist die Verwendung der Leistungsendstufen von Standard-Servoreglern mit Zweipunkt-Wechselrichter-Topologien.

Werden Ausgangsfrequenzen von über 1000 Hz gefordert, so sind die typischerweise verwendeten Schaltfrequenzen in den Zweipunkt-Wechselrichtern zu niedrig, um Ströme mit geringen Verzerrungen in die Motorwicklungen einprägen zu können. In einigen Anwendungsfällen kann dann die Verwendung erweiterter Endstufen-Topologien sowohl technische als auch wirtschaftliche Vorteile für die Gesamtlösung bringen.

Eine geeignete Topologie ist der Dreipunkt-Wechselrichter (Bild 2), bei dem jeder Motorstrang mit drei verschiedenen Potenzialen verbunden werden kann. Neben dem positiven und negativen Zwischenkreispotenzial steht zusätzlich das Mittenpotenzial des Zwischenkreises zur Verfügung, welches geeignet zu stabilisieren ist. Die drei verschiedenen Potenziale lassen sich einstellen, indem jeweils zwei benachbarte IGBTs einer Halbbrücke angesteuert und die restlichen IGBTs aus-geschaltet werden (+: T×1, T×2 ein; 0: T×2, T×3 ein; –: T×3, Tx4 ein). Es ergeben sich somit insgesamt 33 = 27 Schaltzustände, von denen aber einige – bezogen auf die Last – die gleiche Wirkung entfalten.

Zusätzliche Vorteile beim Einsatz von Dreipunkt-Wechselrichtern im Niederspannungsbereich sind:

• günstiges EMV-Verhalten, insbesondere bei langen Motorleitungen, durch Halbierung der Potenzialsprünge,
• geringe Geräuschentwicklung durch kleinere Stromwelligkeit sowie
• Reduzierung der Motorlagerströme.

Des Weiteren lassen sich die spezi­fi­schen Eigenschaften des Dreipunkt-Wechsel­richters auf ein für High-Speed-Motoren zugeschnittenes, kostengünstiges Antriebssystem anwenden. Durch die geringe Sperrspannungsbeanspruchung sind bei einer Zwischenkreisspannung von 565 V IGBTs mit einer Sperrspannung von nur 600 V einsetzbar, während beim Zweipunkt-Wechselrichter mit 1200-V-Typen gearbeitet wird. Die 600-V-Typen haben drastisch bessere Schalteigenschaften, insbesondere die Schaltverluste sind deutlich geringer. Da letztere bei höheren Schaltfrequenzen dominieren, ist mit dem Dreipunkt-Wechselrichter eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades zu erreichen. Alternativ kann die Schaltfrequenz deutlich erhöht werden – zum Beispiel von 8 kHz auf 32 kHz –, was im Hinblick auf die Applikation zwei positive Effekte hat:

Bild 3. Vergleich der Spannungsspektren (Speisefrequenz 800 Hz, Modulationsgrad 80 %) sowie Motor- und Filtereingangsstrom beim Dreipunktwechselrichter.

© LTi Drives

• Die notwendigen Ausgangsfilter werden deutlich kleiner und preiswerter. Die Einsparungen kompensieren die Mehrkosten für die Halbleiter erheblich. Zudem wird durch die Verkleinerung oder Elimination die Verlustleistung im System reduziert.
• Auch mit der asynchronen Taktung sind deutlich größere Speisefrequenzen möglich. Dadurch können Hochgeschwindigkeitsmotoren mit Polpaarzahlen größer als 1 realisiert werden, was wiederum die Baugröße beziehungsweise die Größe der Wickelköpfe des Motors reduziert.

Aufgrund der zu erwartenden Vorteile für High-Speed-Antriebe wurden zum Beispiel von LTi Dreipunkt-Wechselrichter für einen Leistungsbereich von 15 kW bis 37 kW bei einer Schaltfrequenz von 64 kHz entwickelt. Hiermit sind Ausgangsfrequenzen von 4000 Hz problemlos realisierbar.

Die Vorteile, die für Hochgeschwindigkeitsantriebe mit diesem System zu erzielen sind, zeigt ein Vergleich der Spannungsspektren in Bild 3. Mit einem Zweipunkt-Wechselrichter muss aufgrund der kleinen Schaltfrequenz eine sehr kleine Resonanzfrequenz des Filters gewählt werden. Beim Dreipunkt-Wechselrichter sind die Verhältnisse günstiger: Die zu dämpfenden Spektralanteile liegen bei deutlich höheren Frequenzen und deren Amplituden sind geringer. Im vorliegenden Fall konnte so das Gewicht des LC-Filters von 16,9 kg auf 1,3 kg verringert werden. Ähnliche Faktoren gelten für das Volumen und die Kosten. Der in Bild 3 gezeigte Filter-Eingangsstrom beinhaltet bereits so wenige Oberschwingungen, dass auf das Filter zum Teil ganz verzichtet werden kann. Durch diese Einsparungen werden die zusätzlichen Kosten für die Endstufe mehr als kompensiert.

Mehr Leistung durch Parallelbetrieb

Mittlerweile steigen auch die Bedarfe im sehr hohen Leistungsbereich. Teilweise sind Antriebsleistungen um die 200 kW zu gering, um High-Speed-Motoren anzutreiben. Natürlich besteht immer die Möglichkeit, noch größere Leistungsendstufen zu entwickeln, was aber mit hohen Entwicklungskosten und Zeitaufwand verbunden ist. Zudem sind in diesem Bereich erhältliche Leistungsschalter für hohe Schaltfrequenzen eher ungeeignet.

Als Alternative dazu wurde eine Technologiefunktion für ein bestehendes Servoreglersystem entwickelt, die es ermöglicht, zwei oder mehrere Endstufen parallel zu schalten. So vergrößert sich der verfügbare Leistungsbereich. Zudem ist durch eine geeignete Endstufen-Ansteuerung die Stromwelligkeit reduzierbar. Über eine bidirektionale High-Speed-Kommunikation erfolgen der Datenaustausch zwischen den Reglern sowie die synchrone Ansteuerung von zwei Endstufen mit aufeinander abgestimmten Pulsmustern. Dabei stellen sich die über einen Feldbus angeschlossenen Regler als nur ein Teilnehmer dar.

Hiermit lassen sich unterschiedliche Motor-Wicklungstopologien ansteuern. Das heißt: Der Motor kann klassisch mit einer Sternwicklung oder auch mit zwei verlustoptimal zueinander angeordneten Sternwicklungen ausgeführt sein. Auch 690-V-Wicklungen mit offenem Sternpunkt sind anschließbar.

Der Doppelumrichter erzielt seine höhere Leistung aus der Tatsache, dass dieser bei gleicher Zwischenkreisspannung eine höhere Spannung an den Motor anlegen kann als ein konventioneller Umrichter. Die maximale augenblickliche Spannung, die ein Servoregler an einen Motor anlegen kann, ist die Zwischenkreisspannung. Bei einem konventionellen Umrichter wirkt diese Spannung als verket­tete Spannung am Motor. Bei einem Doppelumrichter kann diese maximale Spannung als Phasenspannung wirken, was die Spannung und damit die Leistung um den Faktor „Wurzel aus 3“ erhöht.

Regelungsverfahren für die High-Speed-Antriebe

Sowohl Zweipunkt- als auch Dreipunkt-Wechselrichter stellen für Hochgeschwindigkeitsantriebe die gleichen Softwarefunktionen zur Verfügung. Zur Ansteuerung der Motoren wird die feldorientierte Regelung verwendet, bei der für Hochgeschwindigkeitsantriebe einige Details besonders zu beachten sind.

Stromregelung und PWM mit FPGAs

Die im Motorstrang befindlichen Filterkomponenten sind in der Regelungsstruktur zu berücksichtigen. Hierdurch werden Schwingungen im Stromregelkreis gedämpft und stationäre Fehler kompensiert (Bild 4). Die innerhalb der Regelkreise wirksamen Totzeiten sind bei den Koordinatentransformationen exakt zu berücksichtigen; denn aufgrund der hohen Motorfrequenzen führen selbst kleine Totzeiten zu nicht vernachlässigbaren Winkelfehlern. So legt das Polrad bei einer Abtastrate von 16 kHz und einer Speisefrequenz von 1 kHz in einem Abtastschritt bereits einen elektrischen Winkel von 22,5° zurück.

Bild 4. Regelungsstruktur mit Berücksichtigung des Motorfilters.

© LTi Drives

In der Regel weisen High-Speed-Motoren sehr kleine Induktivitäten auf, was es schwierig macht, den Strom verzerrungsfrei und stabil zu regeln. Neben den höheren Schaltfrequenzen und dem Einsatz von Sinusfiltern sind daher auch schnelle Stromregelungen vorteilhaft. Im Gegensatz zu Servoantrieben ist die dadurch erreichbare hohe Dynamik weniger für das schnelle Anregeln von Drehmomenten wichtig, als vielmehr für eine schnelle Reaktion auf Störungen, die durch Unzulänglichkeiten von Motor und Regler verursacht werden.

Die Regler werden dabei in einem FPGA realisiert, um den Mikroprozessor zu entlasten. So ist bei einem Zweipunkt-Wechselrichter ein 32-kHz-Stromreglerzyklus bei 16 kHz Schaltfrequenz erreichbar. Als technisches Highlight wird bei Verwendung einer Dreipunkt-Wechselrichter-Topologie eine Rechen- und Modulationsfrequenz von 128 kHz mit 64 kHz Schaltfrequenz möglich. Bisher haben sich in den Anwendungen Rechenfrequenzen von 32 kHz als ausreichend herausgestellt.

Schaltende Hallsensoren statt Resolver und optische Geber

Für die angestrebten hohen Drehzahlen sind die in der Servotechnik eingesetzten Gebertypen, wie Resolver und optische Geber, ungeeignet. Spezielle Drehgeber – zum Beispiel Zahnradgeber mit SinCos-Spuren – scheiden zudem in einigen Anwendungen aus Kostengründen aus. Als Alternative hierzu bieten sich für High-Speed-Anwendungen, die in der Regel geringere Dynamikanforderungen an die Drehzahlregelung stellen, schaltende Hallsensoren an. Sie sind preiswert und lassen sich einfach in den Motor integrieren.

Bei zwei „elektrisch“ um 90° versetzten Hall-Elementen ist die Rotorlage nach einer Vierfachauswertung der Sensorsignale mit einer Genauigkeit von 45° bekannt. Wird im Stillstand nicht das Nenndrehmoment des Motors gefordert, reicht diese Lage-Information aus, um den Antrieb sicher zu beschleunigen. Die in Kauf zu nehmende Drehmomenteinbuße beträgt dann maximal 29 %. Die grob quantisierte Rotorlage wird durch einen PLL-Regelkreis interpoliert, so dass mit zunehmender Drehzahl ein gut aufgelöster Schätzwert der Rotorlage vorliegt und die Synchronmaschine exakt polradorientiert arbeitet. Die maximale Drehmomentausbeute ist somit im mittleren und oberen Drehzahlbereich sichergestellt. Dabei erfordert die eingeschränkte Auswahlmöglichkeit an Gebersystemen den Einsatz einer sensorlosen Motorregelung, zumal oft nur eine Drehzahlregelung und keine Positionierung verlangt wird. Neben der klassischen und für den Hochgeschwin­digkeitsbereich angepassten U/f-Kennliniensteuerung, die besonders bei Asynchronmotoren Einsatz findet, wurde deshalb ein sensorloses Verfahren zur Drehzahlregelung für Synchronmotoren entwickelt.

Es basiert auf einem erweiterten Kalman-Filter, welches derart in die Antriebsregler integriert ist, dass es auch mit der im FPGA implementierten Stromregelung zusammenarbeitet.

Synchronmotoren sensorlos regeln

Werden aufgrund der besseren energetischen Eigenschaften die Asynchronmotoren durch Synchronmotoren ersetzt, so muss auch weiterhin ohne Geber ge-arbeitet werden. Vor diesem Hintergrund wurde von LTi ein sensorloses Regelungsverfahren in die Servoregler integriert, das als erweitertes Kalman-Filter (EKF) implementiert ist. Zur Drehzahl- und Lage- bestimmung wertet dieses Verfahren gleichzeitig die elektromotorische Kraft (EMK) in Amplitude und Phase sowie die Anisotropien des Motors über die Bestimmung einer Induktivitätsdifferenz aus, wodurch er auch im Stillstand unter definierten Randbedingungen regelbar ist.

Bisher sprach die Einstellung der vielen Parameter gegen den Einsatz eines EKF. Dieses wurde durch die Entwicklung einer neuartigen Selbsteinstellung relativiert: Während der Inbetriebnahme sind nur die Nenndaten des Synchronmotors und möglichst auch das Trägheitsmoment der angekoppelten Last vorzugeben. Der Servoregler ermittelt mit Hilfe eines in­tegrierten Testsignalgenerators die elek­trischen Parameter (Widerstand und Induktivitäten). Anschließend berechnet er daraus alle Parameter für das sensorlose Modell und die feldorientierte Stromregelung sowie eine Grundeinstellung für den Lage- und Drehzahlregelkreis.

Zusammenfassend lässt sich festhalten: Durch verschiedene Arten von Pa­rallelschaltungen von High-Speed-Servoregler für Motorfrequenzen bis 4000 Hz, wie sie LTi im Portfolio hat, sind bis zu 300 kW Antriebsleistung bei 16 kHz Schaltfrequenz möglich. Durch diese neuen Schaltungstopologien lassen sich zusätzliche Systemkomponenten wie LC-Filter oder Drosseln für den High-Speed-Bereich verkleinern oder ganz eliminieren. Darüber hinaus können High-Speed-spezifische Sensorsysteme ausgewertet oder durch die sensorlose Regelung ganz entfernt werden. Dies erlaubt letztlich auch den energieeffizienten Umstieg vom gesteuerten Asynchronmotor auf den Synchron­motor.

Autor: Jörg Brinkemper ist Produktmanager für Servosysteme bei der LTi Drives in Lahnau.