Pulsinjektionsverfahren Geberlose Regelung ohne Performanceeinbuße

Bisher gab es bei sensorlosen Systemen für die Motorregelung deutliche Einbußen bei Performance und Effizienz. Das ändert sich jetzt mit dem Pulsinjektionsverfahren.

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Kostal Industrie Elektrik GmbH

Um Energiekosten und Treibhausgasemissionen signifikant zu senken, sind massive Veränderungen in der Antriebstechnik nötig. Als Konsequenz auf die Einführung verpflichtender Effizienznormen aus der Ecodesign-Richtlinie stellen viele Anwender ineffizient am Netz betriebe Asynchron-Maschinen (ASM) perspektivisch auf umrichtergespeiste Synchronmaschinen (SM) um. Um diese Motoren mit einem Umrichter effizient regeln zu können, ist es jedoch erforderlich, die Rotorlage der Synchronmaschine jederzeit exakt zu kennen. Klassischerweise setzt man einen Geber ein, der die Rotorlage des Motors erkennt und diese Information an den Umrichter weitergibt.

Sensoren verursachen Kosten

Dieser Ansatz birgt jedoch einige Nachteile für das Antriebssystem. Nicht nur, dass der Geber Kosten in der Beschaffung verursacht. Darüber hinaus muss er montiert werden; außerdem sind Stecker, Gehäuse Verkabelungen notwendig. Der Umrichter selbst benötigt eine Auswertungselektronik. Diese direkten Bauteilkosten erhöhen natürlich den Systempreis.

Gleichzeitig sind Sensoren sehr empfindliche Bauteile. Der Sensor muss an die Motorwelle montiert werden. Insbesondere in Motor-montierten Anwendungen mit höheren Belastungen wie Vibration und Staub weisen Systeme mit Gebern eine reduzierte Robustheit auf. Ein Ausfall des Sensors kann den kompletten Antrieb lahmlegen. Dies alles sind Faktoren, die die Kosten erhöhen und die Einsatzgebiete beschränken. Aus diesem Grund wäre es ideal, das Antriebssystem geberlos betreiben zu können.

Bei geberlosen Systemen im Markt mussten bislang allerdings Kompromisse bei der Performance der Regelung hingenommen werden. Typische Anforderungen an die Performance solcher Motor-montierten Applikationen sind

• ein hohes Anlaufmoment

• schnelle Beschleunigungen

• Verzögerungen

• Einsatz neuer Motortopologien um kostengünstig die zukünftigen IE5-Anforderungen zu erfüllen.

Deshalb gab es regelmäßig ein Dilemma zwischen einem System mit Geber und guter Performance, aber höheren Kosten und geringerer Robustheit oder aber einem System ohne Geber, aber deutlichen Einbußen bei Performance und Effizienz. Ein gordischer Knoten, der bisher nicht gelöst werden konnte.

So funktioniert das Pulsinjektionsverfahren

Das neue Pulsinjektionsverfahren in den Inveor Frequenzumrichtern von Kostal beseitigt dieses Dilemma. Der Inveor ist in der Lage, beliebige Typen von Synchronmaschinen ohne eine verfahrensbedingte Lastgrenze im gesamten Drehzahlbereich geberlos zu betreiben. Da das Verfahren die Rotorlage drehzahl- und lastunabhängig ermittelt, erreicht es eine Performance, die vergleichbar ist mit der von Systemen mit Drehgebern wie Resolver oder Encoder.

Speziell im Stillstand oder bei kleinen Drehzahlen, wenn keine induzierte Gegenspannung des Rotors gemessen werden kann, kommen die guten Eigenschaften des Pulsinjektionsverfahrens besonders zum Tragen. Durch das Auswerten hochfrequenter Signale kann die Anisotropie der Maschine bestimmt werden, welche einen Rückschluss auf die Rotorlage ermöglicht.

Die Anisotropie beschreibt einfach gesprochen die konstruktiv bedingte Asymmetrie des Rotors. Während die Rotorlagebestimmung im unbestromten Zustand vergleichsweise einfach ist, war es bisher bei geberlosen Verfahren mit steigendem, drehmomentbildenem Strom zunehmend schwieriger oder sogar unmöglich, die Rotorlage exakt zu bestimmen.

Was das Pulsinjektionsverfahren besser kann als andere Verfahren

Für andere am Markt befindliche, sensorlose Anisotropieverfahren besteht eine prinzipbedingte Lastgrenze ab einem bestimmten Sättigungspunkt. Das bedeutet, dass unter starker Belastung magnetische Sättigungseffekte eintreten, die eine zuverlässige Bestimmung der Rotorposition unmöglich machen. Abhängig vom Maschinentyp kann dieser Effekt schon deutlich vor Erreichen des Nennstroms eintreten, wodurch ein regelgerechter Betrieb des Motors nicht mehr möglich ist.

Für das Pulsinjektionsverfahren von Kostal ist diese Grenze nicht gegeben, da ein neuartiger Ansatz den störenden Einfluss dieser Sättigung im Algorithmus berücksichtigt. Damit konnte die Hardware-Lösung mit Geber 1:1 durch eine Software-Lösung ersetzt werden. Hierdurch wirkt das Regelungsverfahren selbst bezogen auf die Überlastfähigkeit nicht mehr als limitierender Faktor. Die Grenze zur Überlast bestimmen stattdessen lediglich die maximal zulässigen Ströme von Motor und Umrichter.

Es gibt kein vergleichbares Regelungsverfahren am Markt, das ohne Sensor eine Regelungsperformance insbesondere im niedrigen Drehzahlbereich liefert, die mit geberbehafteten Systemen vergleichbar und gleichzeitig auf nahezu jeden Motor anwendbar ist.

Einfache Inbetriebnahme der Frequenzumrichter

In allen Kostal Frequenzumrichtern der neuen Performance Klasse Inveor MP und Inveor MP Modular kommt standardmäßig das neue Pulsinjektionsverfahren zum Einsatz. Hiermit lassen sich alle Synchronmaschinen mit maximaler Energieeffizienz betreiben. Mit ihrer robusten Bauart sind diese Umrichter für motormontierte Applikationen ideal. Durch das universelle Motoradaptionskonzept können die Umrichter auf fast jeden Industriemotor mechanisch adaptiert werden.

Auch die Inbetriebnahme des Systems ist denkbar einfach. Beim Inveor setzt man auf die feldorientierte Regelung, wobei lediglich die Eingabe der Motortypenschilddaten durch den Anwender und die ca. 10-sekündige automatische Motoridentifikation (Selfcom) erforderlich ist, um den Motor zuverlässig und in allen Betriebspunkten energieeffizient betrieben zu können. Für komplexere Anwendungen und applikationsspezifische Anpassung des Umrichters kann ein Motor der gewünschten Serie am Prüfstand exakt vermessen und weitere Parameter automatisch ermittelt werden, um so einen maximal-effizienten Betrieb sicherzustellen.

Es werden aktuell alle Leistungsbereiche von 0,55 kW bis 5,5 kW abgedeckt. Bis Mitte des Jahres wird das Leistungsspektrum bis 30 kW verfügbar sein. Die Anwendungsbereiche, in denen das Verfahren zum Einsatz kommt, sind breit gefächert und reichen von Applikationen im Bereich Pumpe/Lüfter, über Logistikanwendungen wie Förderbänder bis hin zu einfachen Servo-Anwendungen. Durch das sensorlose Pulsinjektionsverfahren in den Inveor-Frequenzumrichtern werden die Motoren wirtschaftlicher, robuster und gewinnen obendrein an Effizienz. (ud)

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