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Regeln ohne Sensor

Text: Rolf Gerhardt, Sieb & Meyer
Wenn im technischen Bereich Neuland betreten wird, stellt sich oft der Dominoeffekt ein: Neu entwickelte Komponenten müssen passend aufeinander abgestimmt sein, wodurch sich eine ganze Reihe von speziellen Anforderungen ergeben. So auch für die Konstruktion eines Mikro-Turboverdichters, die einen ganz besonderer Frequenzumrichter benötigt.

Fischer Engineering Solutions wurde 2005 als Think Tank der Schweizer Fischer Precise Gruppe ins Leben gerufen. Auf der Agenda stehen Projekte rund um die schnelle, leistungsstarke und präzise Rotation. Eines der Projekte ist der Luftverdichter EMTC-180k Air, der sich vor allem in seinen Strömungseigenschaften sowie der Lagertechnik von herkömmlichen Produkten abheben soll. Dabei spielt die Antriebstechnik eine entscheidende Rolle. „Weil wir sehr spezielle geberlose Synchronmotoren mit hohen Frequenzen einsetzen wollten, begaben wir uns auf die Suche nach einem passenden Umrichter“, erläutert Thomas Frisch, Geschäftsführer von Fischer Engineering Solutions. Die Anforderungen waren klar: Das gesuchte System sollte die verwendeten Hochgeschwindigkeitsmotoren antreiben können, dabei sehr robust sein und eine sensorlose Regelung ermöglichen. „Ein Sensor braucht Platz, ist störanfällig und teuer“, sagt Frisch. „Zudem hätten sich bei einem Betrieb mit Sensor unsere Anforderungen an Motortemperatur und Drehzahl nicht erfüllen lassen.“

Schnell stellte sich heraus: Ein Umrichter, der all diese Maßgaben in sich vereint, war nicht als Standardmodell verfügbar. Jedoch arbeitet Fischer seit Jahren mit Sieb & Meyer zusammen. „Fischer Engineering involvierte uns frühzeitig in das Projekt und spezifizierte das Anforderungsprofil“, sagt Torsten Blankenburg, Vorstand Technik bei Sieb & Meyer. „Zu diesem Zeitpunkt arbeiteten wir bereits an der Umsetzung eines Umrichters mit geregeltem Zwischenkreis und sensorlosem Betrieb, der unserer Einschätzung nach eine gute Lösung für diese spezielle Anwendung darstellen würde.“ Beide Entwicklungsprozesse – von Verdichter und Umrichter – liefen ab diesem Zeitpunkt parallel und in enger Abstimmung.

Synchronmotoren sensorlos regeln

Bei Sieb & Meyer entstand eine neue Ausführung des bewährten Antriebsverstärkers SD2S, der generell für Hochgeschwindigkeits-Anwendungen konzipiert ist. Die Lüneburger Ingenieure gestalteten eine neue Version für Synchronmotoren – mit einem geregelten Zwischenkreis, einer Fluss-Puls-Amplituden-Modulation (FPAM) und einer sensorlosen Regelung mittels einfacher und robuster Parametrierung auf Basis der Motorkenndaten. Der Unterschied zur konventionellen Ausführung mit fester Zwischenkreisspannung und Pulsweitenmodulation (PWM) der getakteten Leistungsendstufe liegt in einem zusätzlichen geregelten DC/DC-Wandler. Dieser ermöglicht die variable Regelung der Zwischenkreisspannung. In Kombination mit der FPAM kann so eine Ausgangsspannung geliefert werden, deren Spannungshöhe unabhängig von der Drehfeldfrequenz ist.

Die blockförmige Ausgangsspannung weist nur geringfügige niederfrequente harmonische Stromanteile auf, die Motorinduktivität ist voll wirksam. Dies reduziert die umrichterbedingten Motorverluste so weit, dass auf externe Motordrosseln komplett verzichtet werden kann. Es besteht quasi keine Begrenzung in Bezug auf die mögliche Drehfeldfrequenz, da ihr die Endstufentaktung jeweils entspricht. Der Motor wird nur mit der für den Betriebspunkt definierten Spannung beaufschlagt, so dass speziell bei niedrigeren Drehzahlen niedrigere harmonische Oberwellen auftreten. Das führt zu einer geringeren Motorerwärmung. Aufgrund der sehr geringen Schaltfrequenz sind Probleme in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) oder die Motorisolation nicht zu befürchten.

Der EMTC-180k Air von Fischer Engineering wurde mit der zwischenzeitlich am Markt verfügbaren Serienausführung des Antriebsverstärkers SD2S FPAM getestet – und für gut befunden. „Die Lösung von Sieb & Meyer ist in dieser Kombination einzigartig“, so Frisch. „Sie erfüllt alle unsere Anforderungen, gerade was die Ausrichtung auf Höchstgeschwindigkeiten und die extrem robuste Regelung anbelangt.“

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