Frequenzrumrichter Watercooled: Umrichter versorgt Synchronmotor mit Energie

Redakteur: Karin Pfeiffer

Frequenzumrichter können besondere Anforderungen exakt erfüllen – wenn sie kundenspezifisch ausgelegt sind. Sieb & Meyer hat für Gebr. Becker einen kompakten, wassergekühlten Frequenzumrichter realisiert. Der Spezialist für Vakuum- und Drucklufttechnologie setzt ihn in magnetgelagerten Radialverdichtern ein.

Die Anwendung in Radialverdichtern für CO2-Laser bringt in der Praxis so einige Anforderungen mit sich. Darauf richtet Sieb & Meyer seine Frequenzumrichter kundenspezifisch aus.
Die Anwendung in Radialverdichtern für CO2-Laser bringt in der Praxis so einige Anforderungen mit sich. Darauf richtet Sieb & Meyer seine Frequenzumrichter kundenspezifisch aus.
(Bild: Bystronic)

Die Gebr. Becker GmbH ist ein mittelständisches Unternehmen in der vierten Generation – und ein international führender Hersteller auf dem Gebiet der Vakuum- und Drucklufttechnologie. Als Komponenten- und Systemlieferant des Maschinen- und Anlagenbaus hat sich das Unternehmen weltweit in zahlreichen Anwendungsmärkten einen Namen gemacht. Zum Sortiment gehören neben Vakuumpumpen und Luftversorgungssystemen auch Verdichter, zum Beispiel die Baureihe Magnatec, die sich durch den Einsatz von Magnetlagern auszeichnet.

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„Mit dieser wartungsfreien Technologie erübrigt sich ein Lagertausch“, erläutert Frank Diedrichsen, Entwicklungsingenieur bei der Gebr. Becker GmbH. „Im Vergleich zu einem Verdichter mit Kugellagern sinken die Energie- und Instandhaltungskosten für das System deutlich.“ Mit Drehzahlen bis 70.000 min-1 können Magnatec-Radialverdichter überall dort zum Einsatz kommen, wo große Volumenströme inerter Gase unter besonders hohen Anforderungen an die technische Sauberkeit umgewälzt werden müssen. Beispielsweise bewähren sie sich in schnellgeströmten CO2-Lasern für Leistungen von 3 kW bis 6 kW.

Anforderungen an das Spannungssignal

Bei der Entwicklung des aktuellen Modells Magnatec 2 suchte Becker nach einem neuen Partner im Bereich der Frequenzumrichter. „Eine Standard-Lösung kam hier nicht in Frage, weil wir konkrete Sonderwünsche hatten“, so Diedrichsen. „Sieb & Meyer überzeugte uns mit einer ausgefeilten technischen Lösung zu einem sehr guten Preis-Leistungsverhältnis.“ Hauptaufgabe des Frequenzumrichters ist die Energieversorgung des Synchronmotors. Darüber hinaus ist der Umrichter der Master für das Steuergerät (Controller) der Magnetlager. Und er versorgt dieses über einen DC/DC-Wandler mit der benötigten Energie. Der Frequenzumrichter übernimmt somit also eine zentrale Funktion im Gesamtsystem Verdichter-Steuereinheit-Umrichter.

Niedriger Absolutdruck: Anforderungen an das Spannungssignal

„Eine Besonderheit ist der Betrieb des Motors bei einem niedrigen Absolutdruck von ca. 150 hPa“, erklärt Entwicklungsingenieur Diedrichsen. „Daraus ergeben sich besondere Anforderungen an das Spannungssignal des Frequenzumrichters, hohe Spannungsspitzen müssen in jedem Fall vermieden werden.“

Der Umrichter sollte es ermöglichen, die geforderten Spannungssignale ohne externe Filter oder Drosseln zu erzeugen. Und zwar im Dauerbetrieb, schließlich laufen zum Beispiel CO2-Laser oft tagelang ohne Unterbrechung.

Auf der Liste der speziellen Anforderungen standen zudem eine möglichst kompakte Bauform und eine Wasserkühlung. Hintergrund: Der Bauraum in einem CO2-Laser ist äußerst begrenzt und eine Luftkühlung ist in diesem Anwendungsfall von vornherein ausgeschlossen. Dabei würden elektrisch leitende Metallstäube, die beim Laserschneiden entstehen, in den Umrichter gesaugt werden und mittelfristig zu Ausfällen führen.

Deshalb ist die Wasserkühlung für leistungselektronische Komponenten in Hochleistungslasern erste Wahl. „Neben einem funktionierenden Kühlsystem ist es bei dieser Applikation sehr wichtig, eine geringe Rotorerwärmung sicherzustellen, weil der Rotor durch die Magnetlagerung keine Verlustwärme über die Lager abführen kann“, erläutert Torsten Blankenburg, Vorstand Technik bei Sieb & Meyer. „Damit von vornherein möglichst wenig Wärme entsteht, haben wir die umrichterseitigen Verluste auf ein Minimum reduziert.“

Der Lüneburger Spezialist für Antriebs- und Steuerungselektronik Sieb & Meyer bietet kundenspezifische Lösungen im Bereich der Hochgeschwindigkeits-Frequenzumrichter und -Einspeisesysteme sowie der intelligenten Antriebsverstärker.

Die Bandbreite der Leistungen reicht dabei von einfachen Hardwareanpassungen wie speziellen Gehäuseformen oder Schnittstellen bis hin zu komplett neu definierten Geräten und Funktionen. Für die Entwicklung der Lösung stehen im Haus alle notwendigen Experten zur Verfügung, zum Beispiel in den Bereichen Leistungselektronik, Regelungstechnik, PC- und Embedded-Programmierung, Leiterplattenlayout, EMV und mechanische Konstruktion.

Für eine zeitnahe und sichere Umsetzung der Entwicklungsziele werden unter anderem moderne Simulations- und Designtools eingesetzt. Die Fertigung erfolgt in den modernen Anlagen von Sieb & Meyer: Vom Prototypen bis zur Serienproduktion von bis zu einigen tausend Geräten beziehungweise Baugruppen pro Jahr ist alles möglich.

Gesicherte Versorgungsspannung

Für Gebr. Becker realisierte Sieb & Meyer auf Basis des Standard-Geräts SD2S-FPAM einen kundenspezifischen Frequenzumrichter, der Drehfeldfrequenzen bis 2334 Hz mit möglichst geringen harmonischen Frequenzanteilen bereitstellt. Zusätzlich gewährleistet die Lösung eine gesicherte Versorgungsspannung des Magnetlagers beim Ausfall der Netzspannung: Im Falle eines Stromausfalls wird kontrolliert ein Bremsvorgang eingeleitet. Dabei dient der Motor des Radialverdichters als Generator und speist elektrische Energie zurück in den Frequenzumrichter. Diese Energie wird dann zum Betrieb der Steuereinheit verwendet. Dadurch wird das elektrisch betriebene Magnetlager fast bis zum Stillstand funktionsfähig gehalten.

Konstruktive Anpassungen

Konstruktiv haben die Entwickler neben den applikationsseitigen Besonderheiten in Bezug auf Kühlung und Bauform auch spezielle Schnittstellen realisiert, sodass sich der Umrichter optimal in das Gesamtsystem des Endkunden integrieren lässt. Konkret handelt es sich dabei um digitale sowie analoge Schnittstellen sowie eine CAN-Bus-Ansteuerung. Sie sollen die Kommunikation mit den Steuerungen der Maschinen ermöglichen, in denen die Radialverdichter verbaut werden. „Diese und alle anderen Anforderungen wurden auf ganzer Linie erfüllt“, bestätigt Frank Diedrichsen. „Sieb & Meyer ist ein kompetenter Entwicklungspartner, der die Zeitpläne genau eingehalten hat und kleinere Probleme schnell lösen konnte. Von der Qualität des Endprodukts sind wir absolut überzeugt.“ (pf)

SPS IPC Drives 2016: Halle 4, Stand 4-230

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