Die Entwicklung und Fertigung von Antriebsverstärkern für Hochgeschwindigkeitsanwendungen ist ein Nischenbereich – aber ein besonders komplexer: Schließlich gilt es, eine Vielzahl von Anwendungen mit teils sehr unterschiedlichen Anforderungsprofilen zu bedienen. Umso wichtiger ist ein flexibles Produktportfolio, das sich eng an den Bedürfnissen der Anwender orientiert. Die zahlreichen Antriebsverstärker von Sieb & Meyer bieten Anwendern deshalb verschiedene Antriebsarten, die den Betrieb von Hochgeschwindigkeitsmotoren in unterschiedlichen Einsatzbereichen ermöglichen.
Der Autor: Torsten Blankenburg, Vorstand Technik Antriebstechnik, Sieb & Meyer
Die Basisherausforderung bei der Entwicklung von Antriebsverstärkern für Hochgeschwindigkeitsanwendungen besteht darin, die erforderliche Drehfeldfrequenz bereitzustellen. Gleichzeitig sind die technischen Rahmenbedingungen komplex: Hochgeschwindigkeitsmotoren (HG) generieren ihre Leistung über die Drehzahl und nicht über das Drehmoment. Überschlägig gilt: Das Rotorvolumen verändert sich analog zum Kehrwert der Drehzahlerhöhung, d. h. bei zehnfachen Drehzahlen verringert sich das Rotorvolumen auf ein Zehntel. Daraus ergibt sich ein Problem – denn das geringe Rotorvolumen und die daraus resultierende Rotoroberfläche ermöglichen nur eine eingeschränkte Wärmeabfuhr. Das wirkt sich vor allem dann negativ aus, wenn die Motoren im Vakuum oder in Gasen mit geringer Wärmeleitfähigkeit betrieben werden.
Dazu kommt, dass sich die wirksame Motorinduktivität bei HG-Motoren ähnlich verhält wie das Rotorvolumen, d. h. sie sinkt mit zunehmender Drehzahl. Entsprechend nimmt die Glättung des Stromrippels proportional zur geringeren Motorinduktivität ab. Das Problem: Diese harmonischen Stromanteile verursachen nicht vernachlässigbare Zusatzverluste im Motor – etwa 90 % der umrichterbedingten Verluste entstehen im Rotor. Diese Verluste wiederum resultieren in einer vermehrten Wärmeentwicklung und Lagerbelastung. Aufgrund der eingeschränkten Wärmeabfuhr bzw. Kühlung müssen die Antriebsverstärker die Verluste im Motor/Rotor deshalb auf ein Maß reduzieren, das einen sicheren Betrieb gewährleistet.
Große Vielfalt auf der Anwendungsseite
Dazu kommen die Anforderungen, die sich aus den jeweiligen Anwendungen ergeben. Die Vielzahl der Einsatzbereiche ist groß, Flexibilität ist gefragt – schließlich gibt es eine Reihe von Optionen: Erfolgt der Antrieb über Asynchron- oder Synchronmotoren? Läuft der Rotor im Vakuum oder wird er aktiv flüssigkeitsgekühlt? Ist ein Betrieb mit fester Drehzahl oder eine hochdynamische Positionierung gewünscht? Soll die Montage des Antriebsverstärkers im Schaltschrank erfolgen oder gibt es andere anwenderspezifische Vorgaben? Häufig müssen zudem unterschiedliche Motoren mit nur einem Antriebsverstärker angetrieben werden. Nicht zuletzt ist Hochgeschwindigkeitsanwendung nicht gleich Hochgeschwindigkeitsanwendung: Darunter fallen Applikationen mit einer Leistung von 1 kW bei einer Drehzahl von 300 000 min-1 (5000 Hz) genauso wie solche mit einer Leistung von 250 kW bei einer Drehzahl von 30 000 min-1 (500 Hz).
Entsprechend kann es keinen universalen Antriebsverstärker geben. Im Produktportfolio von Sieb & Meyer befinden sich deshalb insgesamt sieben verschiedene Antriebsverstärker – vom SD2 für Mehrachsanwendungen und dem beliebten Allrounder SD2S über die Komplettlösung SD2T bis hin zum innovativen SD2M, der auf der Multi-Level-Endstufentechnologie basiert. Die jeweiligen Antriebsverstärker unterstützen teilweise mehrere Antriebsarten (für einen vollständigen Überblick s. Tabelle). Nur so lässt sich für jede Hochgeschwindigkeitsanwendung die richtige Lösung finden.
Ideale Unterstützung der Halbleiterindustrie
Ein gut gewählter Antriebsverstärker mit der richtigen Antriebsart kann maßgeblich zum Erfolg beitragen. Der Antriebsverstärker SD2S von Sieb & Meyer bietet z. B. die Antriebsfunktion HSBlock (High-Speed-Blockkommutierung), von der vor allem die Halbleiterindustrie profitiert: Sie wird dort zur Vereinzelung von Wafern (Dicing) eingesetzt. Dabei kommen permanenterregte, 4-bis-6-polige Synchronmotoren mit Drehzahlen bis 120 000 min-1 zum Einsatz. Sie treiben hochgenaue, luftgelagerte Spindeln mit einer typischen Leistung von 600 bis 2400 W an.
Mit der Antriebsart HSBlock lassen sich die Spindeln auf Basis einer Hallgeber-basierten Drehzahlrückführung mit Drehfeldfrequenzen bis 6000 Hz betreiben. Dabei ist nicht nur eine hohe Drehzahlstabilität bei Laständerungen gewährleistet, sondern auch eine möglichst geringe Spindelerwärmung – so lassen sich ungünstige thermische Ausdehnungen von vornherein vermeiden. Diese Faktoren stellen zusammen mit einer hohen mechanischen Steifigkeit der Spindeln die wichtigsten Voraussetzungen für diesen Applikationsbereich dar. Eine hohe Störfestigkeit der Hallsensor-Auswertung sorgt zudem für eine hohe Regelungsgüte bezüglich Gleichlauf und Dynamik im Lastfall. Insgesamt ermöglicht die Antriebsart HSBlock somit eine optimale Bearbeitungsgüte, die den kontinuierlich steigenden Anforderungen der Halbleiterindustrie gerecht wird.
Antrieb von HS-Spindeln in Schleifmaschinen
Die Antriebsart U/f-PWM (Pulsweitenmodulation mit U/f- Steuerung), die bei den Antriebsverstärkern SD2M und SD2S verfügbar ist, eignet sich hingegen speziell für Schleifanwendungen, bei denen Asynchronmotoren mit mittleren Drehzahlen bis zu 120 000 min-1 zum Einsatz kommen. Mithilfe der U/f-Kennlinie lässt sich die Motorparametrierung mit einer grafischen Unterstützung vornehmen. Gerade im Bereich der Schleifanwendungen ist diese Nutzung der U/f-Kennlinie eine etablierte Form der Motorparametrierung, sodass Anwender auf dieser Erfahrung aufbauen können.
Der Antriebsverstärker SD2S überzeugt bei Schleifanwendungen übrigens durch weitere Features: In dem Gerät können bis zu 64 Parametersätze für unterschiedliche Spindeln vorgehalten werden. Über die Steckerkodierung der jeweiligen Motorspindeln erkennt der Antriebsverstärker, welcher Parameteraufsatz gefahren wird. Der SD2S verfügt zudem über eine integrierte dynamische Wirklasterkennung. Damit wird es z. B. möglich, den Antriebsverstärker ohne zusätzliche bzw. externe Hardware zur Erkennung der Werkstückoberfläche zu nutzen. So können Anwender den Bearbeitungsprozess effizienter gestalten und Zeit sparen: Beim Erreichen der Oberfläche – also ab dem Lastsignal – schaltet das Gerät automatisch von einem schnellen Vorschub auf den Bearbeitungsvorschub um. Beim Betrieb von Schleifmaschinen kann zudem eine Kollisionsüberwachung erfolgen.
Für Geräte mit geregelter Zwischenkreisspannung
Die Alternative zu einer konventionellen Ausführung mit fester Zwischenkreisspannung und Pulsweitenmodulation (PWM) ist eine Umrichtertopologie mit geregeltem Zwischenkreis und Pulsamplitudenmodulation (PAM). Sie ist bei den Produktreihen SD2S und SD2T verfügbar und unterstützt auch hohe Drehzahlen bis 480 000 min-1. Der Unterschied liegt in dem zusätzlichen geregelten DC/DC-Wandler, er ermöglicht die variable Regelung der Zwischenkreisspannung. In Kombination mit der PAM kann so eine Ausgangsspannung geliefert werden, deren Spannungshöhe unabhängig von der Drehfeldfrequenz ist.
Aus dieser Lösung resultieren grundsätzliche Vorteile: 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 gewissermaßen 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, sodass speziell bei niedrigeren Drehzahlen niedrigere harmonische Oberwellen auftreten. Dies hat eine geringere Motorerwärmung zur Folge. Aufgrund der sehr geringen Schaltfrequenz sind Probleme in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) oder die Motorisolation nicht zu befürchten. Statt entweder-oder lässt sich von Motor und Leistungselektronik gleichermaßen ein sehr guter Wirkungsgrad erzielen. Die beschriebenen Anwendungen, Antriebsverstärker und -arten sind nur einige Beispiele für die komplexe Vielfalt in dieser Nische. Der Hersteller deckt mit sieben verschiedenen Antriebsverstärkern insgesamt sechs Antriebsarten ab.
Dazu kommen anwenderspezifische Entwicklungen, auf die sich das Unternehmen spezialisiert hat. So wurde z. B. für CO2-Lasergebläse ein maßgeschneiderter Antriebsverstärker mit der Antriebsart FPAM (Fluss-Pulsamplitudenmodulation) konzipiert. Er ermöglicht den Betrieb von hochdrehenden Synchronmotoren im Drehzahlbereich bis ca. 480 000 min-1 und gewährleistet besonders geringe umrichterbedingte Motorverluste. I
Halle 4, Stand 230
Info & Kontakt
Sieb & Meyer AG
Rolf Gerhardt
Leiter Vertrieb Antriebselektronik
Tel.: +49 4131 203-1304
Detaillierte Informationen zu allen Produkten für Hochgeschwindigkeitsspindeln: t1p.de/9t3a
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