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Antriebstechnik: Die Herausforderungen im High-Speed-Bereich

Viele Prozesse in der Auto­matisierungstechnik erfordern sehr schnell drehende Antriebe. Bei der Entwicklung der hierfür erforderlichen High-Speed-Lösungen ergeben sich eine Reihe technischer Heraus­forderungen – insbesondere wenn es um den Leistungs­bereich größer 10 kW geht.

Highspeed Antrieb Bildquelle: © LTi Drives

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.

LTi, Zweipunkt Wechselrichter Bildquelle: © LTi Drives

Bild 1. Zweipunkt-Wechselrichter mit LC-Ausgangsfilter für den klassischen HF-Motorbetrieb.

Servoregler mit einer Schaltfrequenz von 16 kHz gewährleisten Ausgangsfrequenzen bis etwa 1600 Hz und können so prinzipiell zweipolige High-Speed-Motoren bis über 90.000 Umdrehungen pro Minute betreiben. Eine Herausforderung in diesem Zusammenhang besteht darin, dass die für Hochgeschwindigkeits-Anwendungen optimierten Drehfeldmaschinen sehr kleine Induktivitäten haben. Durch die schaltende Arbeitsweise des zur Speisung typischerweise eingesetzten Pulswechselrichters weisen die Strangströme der Maschine ohne zusätzliche Maßnahmen eine große, schaltfrequente Welligkeit auf, die zu nicht vernachlässigbaren Zusatzverlusten in der elektrischen Maschine führen und damit zur Erwärmung des Motors beitragen.

Die Verluste im Rotor sind auch deshalb zu vermeiden, da sie grundsätzlich nur schwer abgeführt werden können und bei der Materialbearbeitung durch die thermische Längenausdehnung die Maßhaltigkeit beeinträchtigen. Besonders negativ wirkt sich dies bei Vakuumanwendungen aufgrund der eingeschränkten Luftkühlung aus.

Zur Reduktion dieser Verluste müssen daher abhängig von der Motorkonstruktion ab einer gewissen Frequenz zusätzliche Komponenten wie Motordrosseln oder LC-Sinusfilter eingesetzt werden (Bild 1). Aufgrund ihrer geringeren Rotorverluste hat generell die permanentmagnetisch erregte Synchronmaschine Vorteile gegenüber der Asynchronmaschine. Geringere Verluste lassen sich aber auch durch höherpolige Maschinen erzielen, was allerdings wieder die Anforderungen an den Umrichter hinsichtlich Schaltfrequenz und Ausgangsfrequenz erhöht.

LTi, Topologie und elementare Stellmöglichkeiten Bildquelle: © LTi Drives

Bild 2. Topologie und elementare Stell­möglichkeiten des Dreipunkt-Wechselrichters in Raumzeiger­darstellung.

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:

LTi, Vergleich der Spannungsspektren Bildquelle: © LTi Drives

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

  • 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.