Moderne Umrichtertechnik 30.11.2012, 19:56 Uhr

Highspeed-Antriebe von LTi Drives und Siemens Drive Technologies

Neuentwicklungen in der Umrichtertechnik versprechen Leistungssprünge für die Produktion: Durch eine Erhöhung der Antriebsdrehzahl können Produktivität, aber auch die Qualität und Energieeffizienz gesteigert werden, wie auf dem Messekongress auf der SPS/IPC/Drives in dieser Woche in Nürnberg zu hören war. Experten stellten dort ihre Hightech-Lösungen vor.

LTi Drives und Siemens: Neuentwicklungen in der Umrichtertechnik

LTi Drives und Siemens: Neuentwicklungen in der Umrichtertechnik

Foto: Siemens Pressebild/press photo

Etliche Produktionsprozesse erfordern sehr schnell drehende Antriebe mit hohen Leistungen. Welche Herausforderungen sich bei der Entwicklung von Highspeed-Antrieben im Leistungsbereich über 10 kW in der Praxis ergeben, darüber berichteten auf dem Messekongress Jörg Brinkemper, von LTi Drives, Unna. Brinkemper erläuterte, dass gängige Standardservoregler mit Zweipunkt-Wechselrichter-Topologien beim Betrieb mit Schaltfrequenzen oberhalb von 4 kHz bei großen Leistungen nicht mehr wirtschaftlich seien. Ein Grund: Die üblichen Halbleiterbauelemente (IGBT) sind eher auf geringe Durchlassverluste als auf Schaltverluste optimiert.

Um auch den Markt von Highspeed-Anwendungen zu bedienen, werden bei LTi Drives jetzt relativ schnell schaltende IGBTs eingesetzt, sodass mit den Standardendstufen ein großes Leistungsspektrum bis zu ca. 200 kW Antriebsleistung bei 8 kHz Schaltfrequenz sowie 150 kW bei 16 kHz abgedeckt wird. „Derartige Servoregler gewährleisten Ausgangsfrequenzen bis etwa 1600 Hz und können so prinzipiell zweipolige Highspeed-Motoren bis über 90 000 U/min betreiben“, erläuterte Brinkemper.

LTi Drives entwickelt Highspeed-Antriebe mit Dreipunkt-Wechselrichtern

Werden also Motorfrequenzen von über 1000 Hz gefordert, so sind die typischerweise verwendeten Schaltfrequenzen in den Zweipunkt-Wechselrichtern zu gering, um Ströme mit geringen Verzerrungen in die Motorwicklungen einbringen zu können. Inzwischen wurden bei LTi Drives aufgrund der zu erwartenden Vorteile für Highspeed-Antriebe basierend auf der ServoOne-Plattform sogar Dreipunkt-Wechselrichter mit einer Schaltfrequenz von 64 kHz für einen Leistungsbereich von 15 kW bis 37 kW entwickelt. Hiermit sind Ausgangsfrequenzen von 4 kHz problemlos realisierbar. Weiterer Vorteil laut LTi-Produktmanager Brinkemper: Durch Parallelschaltungen von Endstufen sind sogar Antriebsleistungen bis zu 300 kW bei 16 kHz Schaltfrequenz möglich.

Aber auch Siemens arbeitet an modernen Frequenzumrichtern mit Ausgangsfiltern für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, wie Stefan Künzel und weitere Experten von Siemens Drive Technologies – Motion Control Systems auf dem Kongress erläuterten: „Besonders die Werkzeugmaschinenindustrie sieht sich derzeit dem Druck ausgesetzt, dass zunehmend produktivere Maschinen nachgefragt werden, mit denen Werkstücke in immer kürzerer Zeit gefertigt werden können – und dies bei mindestens gleichbleibender Qualität.“ Erstaunliches technisches Detail: Trotz gesteigerten Zeitspanvolumens sinken Energieverbrauch, Zerspankräfte und Werkzeugverschleiß bei gleichzeitig verbesserter Oberflächenqualität.

Siemens Drive Technologies entwickelt moderne Frequenzumrichter für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung

Die notwendigen Schnittgeschwindigkeiten der Spindel, oberhalb derer dieser Effekt einsetzt, sind jedoch 5 bis 10 Mal größer als die üblichen Schnittgeschwindigkeiten und hängen stark vom Material des Werkstücks ab, erläutert Künzel. Die Bandbreite der Schnittgeschwindigkeiten reicht von ca. 50 m/min bei zähen Werkstoffen wie Nickelbasislegierungen bis über 5000 m/min bei Aluminium und Kunststoffen. Dies entspricht bei 10 mm Fräserdurchmesser einer Spindeldrehzahl von 32 000 min-1 für Eisen und Stahl und für Aluminium etwa 160 000 min-1. „Solch hohe Leistungen und Drehzahlen zu kombinieren, ist eine enorme technologische Herausforderung für die Antriebsentwicklung“, so Stefan Künzel. Denn die notwendigen Leistungen für Highspeed-Cutting (HSC) liegen im Bereich zwischen 80 kW und 120 kW.

Übliche Umrichter im Leistungsbereich von 120 kW arbeiten nach Stand der Technik mit einer Schaltfrequenz von 4 kHz. Derartige Antriebe sind temperaturempfindlich und benötigen ein LC-Ausgangfilter. „Bei der Verwendung standardmäßiger Halbleiter aus Silizium mit einer für den Betrieb am 400-V-Netz erforderlichen Sperrspannung von 1200 V sind die Schaltverluste jedoch so hoch, dass eine Schaltfrequenz von 32 kHz nicht mehr wirtschaftlich realisierbar ist“, gab Künzel zu bedenken. Erst durch Einsatz von Freilaufdioden aus Siliziumcarbid (Unipolare Schottky-Dioden) für das Umrichterleistungsteil mit einer Pulsfrequenz von 32 kHz könne eine Lösung erzielt werden.

Durch die hohe zulässige elektrische Feldstärke in dem Halbleitermaterial SiC sei es möglich, Dioden der erforderlichen Spannungsklasse herzustellen: „Mit den Siliziumcarbid-Schottky-Dioden konnten die Schaltverluste sowohl der Dioden als auch der Leistungs-IGBTs deutlich gesenkt werden.“ Denn die Schottky-Dioden hätten in der Sperrschicht keine Raumladungen und würden in der Umschaltphase die Rückstromspitze vermeiden, die auch durch die Leistungsschalter fließt. Damit lassen sich laut Künzel die Schaltverluste von Diode und IGBT um mehr als 70 % senken.“ Mit einem solchen Umrichtersystem könne die für HSC erforderliche hohe Ausgangsfrequenz mit sinusförmiger Ausgangsspannung erreicht werden und zudem lassen sich die Wechselrichter und Sinusfilter mit vergleichsweise geringem Bauvolumen realisieren. 

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