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Macht ein Sinusfilter Sinn?
Gängige Umrichtersysteme stellen keine sinusförmige Ausgangspannung bereit. Die Spannungen werden mittels Pulsbreitenmodulation (PWM) erzeugt. D.h. die Zwischenkreisspannung wird im Verhältnis zur gewünschten Ausgangsspannung ein- und ausgeschaltet. Dies führt dazu, dass der Motorstrom, abhängig von der Motorinduktivität, einen "Rippel" erfährt. Der "Rippel" trägt nicht zum Drehmoment bei, erzeugt aber insbesondere im Eisen des Motors Wärme.
Für einen optimalen Spindelbetrieb wird ein möglichst kleiner "Rippel" angestrebt.
Um dies zu erreichen gibt es verschiedene Möglichkeiten:
1.) Erhöhung der Schaltfrequenz (PWM-Frequenz)
Je höher die Frequenz ist, desto besser wird die Spannung nachgebildet und umso weniger "Rippel" entstehen dabei. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass höhere Verluste im Umrichter auftreten. Dies bedingt ggf. einen größeren Umrichter. Dieser Effekt heißt "Strom-De-Rating".
2.) Einsatz einer Vorschaltinduktivität ("Motordrossel")
Eine höhere Induktivität führt dazu, dass der Strom langsamer auf eine Spannungsänderung reagiert. Somit nähert man sich einem idealen Sinusstrom an. "Rippel" und somit die Wärme werden reduziert. Die nachfolgende Abbildung zeigt eine Messung mit relativ hoher Schaltfrequenz im Verhältnis zur Ausgangsfrequenz. Rot: die Spannung, Blau: der Strom. Im Strom sind immer noch deutlich die resultierenden „Stufen“ der PWM zu erkennen. (Die Stufen des Stroms decken sich zeitlich nicht mit der Spannung, da dieser 90° phasenverschoben ist.)
3.) Einsatz eines LC-Filters ("Sinusfilter")
LC-Filter sind richtige Filter und bestehen aus einer Induktivität und einer nachgeschalteten Kapazität. Der wesentliche Unterschied dieser Lösung besteht darin, dass die geschaltete, rechteckförmige Spannung, in eine Sinusspannung gefiltert wird. Der resultierende Strom muss demnach sinusförmig sein, d.h. es gibt keinen "Rippel" und daher auch keine Erwärmung durch diesen. Dies ist die ideale Lösung, aber etwas kostenintensiver als die Drossel-Lösung. LC-filter haben eine Resonanz. D.h. weder Motorfrequenz noch PWM-Frequenz dürfen sich mit der Resonanz decken. Die Filter müssen individuell auf Spindeltypen und Umrichter ausgelegt werden. Der wesentliche Nachteil des LC-Filters ist, dass dieser nicht ohne Weiteres in geregelten Systemen („Closed-Loop“ oder „Vector-Control“) eingesetzt werden kann, da die Filter die Strominformationen gegenüber dem Umrichter verfälschen.
Beispiele für den Temperaturverlauf
ohne Sinusfilter
mit Sinusfilter
4. Reduzierung des Leerlaufstroms
Eine weitere Temperaturreduzierung kann durch Absenken der Spannung, bzw. des Stroms im Leerlauf erzielt werden. Diese Möglichkeit ist jedoch nur in Einzelfällen, bei individueller Betrachtung der Anwendung in Erwägung zu ziehen.
Der Nachteil dieser Lösung ist, dass nicht sofort das ganze Drehmoment der Spindel zur Verfügung steht. Dies kann sich insbesondere bei schnellen Lastwechsel als nachteilig erweisen und die Motorspindel als zu schwach erscheinen lassen.
Fazit:
Ja, der Einsatz eines Sinusfilters macht Sinn!
Die Verluste durch "Rippel" entstehen hauptsächlich im Eisen, zum grossen Teil im Rotor des Motors. Diese Wärme ist schwierig abzuführen, da der Rotor gewöhnlich nicht gekühlt wird.
Wärme im Rotor führt zu unerwünschtem Längenwachstum der Welle und im Extremfall zu einem Lagerausfall. Die technisch beste Lösung um eine hohe Performance und lange Standzeiten für Motorspindeln zu erzielen ist ein LC-Filter ("Sinusfilter").
FAQ 2016-04-010