Elektrische Antriebe Diese parasitären Effekte sollten Sie kennen

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SAB Bröckskes GmbH & Co KG

FAULHABER Antriebssysteme

Wechselrichter versorgen Elektromotoren mit einzelnen Spannungsblöcken. Diese Spannungsblöcke enthalten jedoch eine Vielzahl von Oberschwingungen, die zu Schäden führen können. Konstrukteure sollten diese parasitären Effekte kennen.

Moderne elektrische Antriebe bestehen aus mindestens zwei Komponenten: Wechselrichter und elektrische Maschine. Der Wechselrichter hat die Aufgabe, die elektrische Maschine mit variabler Frequenz und variabler Spannung zu versorgen.

Mit Hilfe der variablen Frequenz kann die Drehzahl, mit Hilfe der variablen Spannung das Drehmoment der elektrischen Maschine verändert werden. Bei elektrischen Maschinen mit Drehstrom-Netzspeisung sind die drei Spannungen U, V, W sinusförmig. Bei Wechselrichterspeisung wird die elektrische Maschine mit einzelnen Spannungsblöcken versorgt, deren Grundschwingung sinusförmig ist. Jedoch enthalten diese Spannungsblöcke eine Vielzahl von Oberschwingungen, sowohl im Strom als auch in der Spannung. Sie verursachen in der elektrischen Maschine folgende parasitäre Effekte:

• Drehmomentenpulsationen

• Geräusche

• Zusatzverluste

• Lagerströme

• Elektromagnetische Felder

• Zusätzliche Isolationsbelastung

Drehmomentenpulsation führt zu Torsionsschwingungen

Die oben genannten Oberschwingungsspannungen und -ströme verursachen in der elektrischen Maschine, genauso wie der Grundschwingungsstrom und das Grundschwingungsdrehfeld, Drehmomente. Die Grundschwingungswerte erzeugen im Idealfall ein konstantes Drehmoment. Die Oberschwingungswerte verursachen zusätzliche Torsionsschwingungs-Drehmomente, die auf das konstante Drehmoment addiert werden.

Es ergibt sich auf der Rotorwelle ein pulsierendes Drehmoment mit einem entsprechenden Momentenrippel. Inwieweit sich dieser Momentenrippel im gesamten Antriebsstrang auswirkt, ist unter anderem vom Massenträgheitsmoment des Rotors und den Drehsteifigkeitswerten des Antriebsstranges abhängig. Ungeachtet dieser Dämpfung treten auf allen Bauteilen des Rotors Torsionsschwingungen auf, die eine zusätzliche Belastung für alle rotierenden Bauteile verursachen. Dadurch können z. B. bei Asynchron-Maschinen Stabbrüche des Kurzschlussringsystems und bei Permanentmagnet-Maschinen Brüche der Permanentmagneten entstehen. In beiden Fällen kann dies zum Totalausfall der elektrischen Maschine führen.

Akustische Emissionen weisen auf Torsionsschwingungen hin

Die oben genannten Oberschwingungen verursachen sowohl im Rotor als auch im Stator Schwingungen. Wenn die Frequenz dieser Schwingungen zwischen 16 Hz und 16 kHz liegen, spricht man von Geräuschen bzw. akustischen Emissionen. Die dominanten Geräuschentwicklungen bei umrichtergespeisten Maschinen werden durch die Taktfrequenz des Wechselrichters erzeugt.

Dabei ist festzustellen, dass die dominante Tonfrequenz der doppelten Taktfrequenz entspricht. Grund dieser elektromagnetischen Geräusche sind Verformungswellen des Statorblechpaketes mit bestimmten Modenformen. Besonders geräuschauffällig werden diese Schwingungen dann, wenn die Eigenfrequenz der Bauteile mit der Taktfrequenz bzw. deren Vielfachen übereinstimmt. Der Hochlauf einer elektrischen Maschine lässt sich in einem Wasserfalldiagramm (Campbell-Diagramm) darstellen.

Wechselrichterbedingte Zusatzverluste verursachen Erwärmung der Maschine

Die oben genannten Oberschwingungen versuchen außerdem zusätzliche Verluste in der elektrischen Maschine. Diese werden wechselrichterbedingte Zusatzverluste genannt und verursachen eine zusätzliche Erwärmung und somit höhere Temperaturen in der Maschine. Bei allen elektrischen Maschine wird dadurch der Widerstand der Statorwicklung erhöht und bei Permanentmagnet-Maschinen der magnetische Fluss der Permanentmagneten reduziert.

Beides wirkt sich negativ auf den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine aus. Die wechselrichterbedingten Zusatzverluste sind unter anderem von der Taktfrequenz abhängig. Je höher die Taktfrequenz ist, desto geringer sind diese Oberschwingungsverluste in der Maschine. Allerdings steigen bei höherer Taktfrequenz die Schaltverluste im Wechselrichter. Daraus ergibt sich eine optimierte Schalt- bzw. Taktfrequenz für den Wechselrichter, bei der der Gesamtwirkungsgrad des Systems am höchsten ist.

Im Schmierfilm der Lager treten Stoßentladungen auf

Elektrische Ströme, die über die Wälz- oder Gleitlager bei elektrischen Maschinen fließen, treten auch bei sinusgespeisten Maschinen auf. Allerdings sind diese in der Regel niederfrequent bzw. Gleichströme, so dass eine dünne Keramikisolation an den Außenringen der Lager ausreicht, um diese sogenannte Zirkularströme zu unterbinden.

Bei wechselrichtergespeisten Maschinen treten allerdings hochfrequente Lagerströme durch die sogenannte Common-Mode-Spannung des Wechselrichters auf. Diese Spannungen entstehen durch unsymmetrische Schalthandlungen im Wechselrichter und können zwischen dem Sternpunkt der elektrischen Maschine und der Mittelpunktspannung im Zwischenkreis gemessen werden. Konsequenz dieser Spannung sind über die internen Kapazitäten der Maschine gespeiste Stoßentladungen im Schmierfilm der Lager.

Diese sehr kleinen Lichtbögen, welche nur einige Microsekunden andauern, verursachen Micropittings in den Lageroberflächen. Außerdem wird das Fett bzw. Öl im Lager thermisch stark beansprucht. Das Bild zeigt die Micropittings in der Lagerlaufbahn und verkoktes, schwarzes Fett im Lager.

Hohe Taktfrequenzen verursachen elektromagnetische Felder

Durch die hohen Taktfrequenzen im kHz-Bereich entstehen im Außenraum der elektrische Maschine hauptsächlich magnetische Felder im höheren Frequenzbereich. Diese können Nachrichtensignale für Fernsehen/Radio oder Funktelefone negativ beeinträchtigen. In entsprechenden Normen werden die Grenzwerte dieser B-Felder in Abhängigkeit zur Frequenz angegeben.

Kapazitive Ableitströme in der Isolation

Durch die Spannungsblöcke des Wechselrichters mit einer Spannungssteilheit von ca. 1 bis 10 kV/µs entstehen in der Isolation der Maschinenwicklung zusätzliche kapazitive Ableitströme. Diese beanspruchen die Wicklungsisolation zusätzlich und können zum Windungs- bzw. Masseschluss in der elektrischen Maschine führen. Ein Totalausfall ist die Folge.

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