Hallo zusammen,
es gibt ja viele Frequenzumrichter die ein Schalten zwischen
Umrichterausgang und Motor nicht aushalten. Manche Hersteller geben
jedoch an, dass dies bei bestimmten Modellen erlaubt ist. Für mich
stellt sich eigentlich die Frage, welche physikalischen Effekte hier
eine Rolle spielen. Kennt hierzu jmd. eine gute Lektüre die sich mit
dieser Thematik beschäftigt, gerne auch eine Dissertation. Mich würde
interessieren was hier genau physikalisch passiert.
Einen guten Anfang habe ich mal mit diesem Link erhalten, es ist jedoch
das obige Problem nicht erklärt:
https://www.semikron.com/dl/service-support/downloads/download/semikron-applikationshandbuch-leistungshalbleiter-de-2015-08-04.pdf
Wie beispielswiese würde man eine Beschädigung des IGBTs in der
Treiberschaltung verhindern und weshalb genau wird der IGBT dadurch
zerstört?
Dabei wird wohl der Anlaufstrom die grösste Rolle spielen. Eine
Strombegrenzung kann man bei vielen FU einstellen, bei einigen aber auch
nicht. Wird ein FU ohne Begrenzung auf einen Motor geschaltet, kann der
Anlaufstrom die Tragfähigkeit der FU Endstufe überschreiten und
zerstören.
Ist meine Annahme dann richtig dass ein Trennen des Motors während des
Betriebes unkritisch für den Umrichter ist und nur ein Aufschalten
kritisch ist?
Könnte man die physikalischen Effekt mit denen des Kurzschlussfall 2
(Semikron-Handbuch PDF-Seite: 358) gleichsetzen?
Warum aber geben dann manche Hersteller an, dass ein Schalten des
Ausganges unkritisch ist und andere wieder nicht? Denn ein
Kurzschlussfall sollte immer vermieden werden. Und andererseits hat
gewöhnlicherweise jeder eine Kurzschlussabschaltung drin.
Bei den Umrichtern die es uns aber zerlegt, ist eine Abschaltung via
Fehlerstromerkennung durch Shunt vorhanden (Schaltplan ist vorhanden
aber ich darf diesen leider nicht veröffentlichen!). Ist diese
vielleicht zu langsam, da über Software implementiert oder schaltet
dieser bei Kurzschluss vielleicht zu hart ab?
Chucky4 schrieb:> Ist meine Annahme dann richtig dass ein Trennen des Motors während des> Betriebes unkritisch für den Umrichter ist und nur ein Aufschalten> kritisch ist?
Normalerweise ja. Denn ein Frequenzumrichter schaltet ja im Rythmus der
PWM den Motor aus und an und ist gegen die EMK des Motors normalerweise
gefeit, weil die Endstufen Bodydioden haben, die die Gegen-EMK in die
Versorgung ableiten.
Chucky4 schrieb:> Ist diese> vielleicht zu langsam, da über Software implementiert
Keine Ahnung. Aber viel Zeit ist meistens nicht da, vor allem, wenn die
Endstufen auf Kante genäht sind. Wer da erstmal ein paar dutzend µs
vertrödelt, ist oft zu spät. Sinnvoll ist es auf jeden Fall, Endstufen
mit spezifizierten Bodydioden zu verbauen und nicht irgendwelche, die es
gerade günstig gibt.
Matthias S. schrieb:> Wer da erstmal ein paar dutzend µs> vertrödelt, ist oft zu spät.
Ausschließen, kann ich dies leider nicht da ich nicht der Entwickler des
FUs war. Aber ich hoffe einfach dass dies der damalige Entwickler
beachtet hat. Dies zu prüfen wäre richtig aufwendig für mich, die
Verzögerung der dazwischen geschalteten OPs hab ich schnell raus, aber
die Software ist nicht wirklich ein Augenschmauss :) Zumindest ein Test
von mehreren Kurzschlussfällen (Fall 1) hat zumindest keinen Defekt
verursacht.
Matthias S. schrieb:> Endstufen> mit spezifizierten Bodydioden zu verbauen und nicht irgendwelche, die es> gerade günstig gibt.
Die Bodydioden sind schon integriert. Da ein komplettes IGBT-Modul
verwendet wurde.
Was mich wirklich interessieren würde, was muss ein FU-Hersteller bei
der Dimensionierung beachten, um ein Schalten auf der Ausgangsseite zu
erlauben?
Ein Drehstrom-Asynchronmotor nimmt beim Hochlauf an starrer Spannung
gerne mal den 10fachen Nennstrom auf. Daß der Frequenzumrichter das
nicht besonders prickelnd findet, sollte klar sein.
Zweitens überwachen die meisten Umrichter den angeschlossenen Motor.
Wenn man ihn einfach wegschaltet, bekommt man eine Fehlermeldung
(Motorstrom untere Regelgrenze oder Unterbrechung).
Bestimmte Umrichter können es aber bzw. manche Fräsantriebe schalten den
Motor für niedrige Drehzahlen auf Stern, bei hohen Drehzahlen wird auf
Dreieck umgeschaltet. Ich könnte mir aber vorstellen, daß das vor dem
Hochfahren des Motors oder kurzzeitig leistungslos umgeschaltet wird.
Es gibt auch keinen Grund, den Motor vom Umrichter zu trennen. Die
besseren Geräte können alle sowas wie Notaus (Reglerfreigabe) oder
Nothalt (Auswahl eines programmierten 0Hz mit sehr kurzer Rampenzeit),
manche können auch eine Gleichstrombremsung.
Ich denke eher, dass das Trennen des Motors problematisch ist:
Der entstehende Lichtbogen im Relay / Schütz erzeugt ein weites
Frequenzspektrum und scharfe Transienten.
Die in der Induktivität gespeicherte Energie "will ja irgendo hin".
Umfangreiche VDR, Snubber oder Suppressor-Dioden etc. können die
Endstufe etwas schonen. Dabei auf deren Kapazitäten achten. Bei
Blitzschlägen passiert ähnliches.
Vorsicht, auch während des Verbindens kann es durch "Prellen" zu
temporären Unterbrechungen kommen.
Erkläre bitte, warum Du den Motor galvanisch trennen willst.
Ben hat schon angedeutet, dass dies (zumindest aus elektrischer Sicht)
meist unnötig ist, Stichwort: STO (safe turn off). Hierbei werden in
Hardware (ohne Software, also nicht über den Prozessor - dieser könnte
ja mal abstürzen) die Endstufentransistoren abgeschaltet (oft mit
Sicherheitseingängen, d.h. zwei Eingänge, falls mal einer nicht
reagieren sollte), damit sind die Motorausgänge potentialfrei. (Danach
könnte man problemlos trennen).
Wir nutzen dieses Feature, wenn Motoren über Stecker verbunden sind.
Falls mal jemand den Stecker im Betrieb löst, schaltet ein voreilender
Kontakt die Endstufe ab. Die Energie wird noch schnell über die
Bodydioden in den Zwischenkreis abgeleitet.
> Ein Drehstrom-Asynchronmotor nimmt beim Hochlauf an starrer Spannung> gerne mal den 10fachen Nennstrom auf. Daß der Frequenzumrichter> das nicht besonders prickelnd findet, sollte klar sein.
Moderne Endstufen messen den Ausgangsstrom sehr schnell und reagieren
entsprechend.
Die Problematik besteht nicht nur bei FU-AC-Motoren, sondern generell
bei induktiven Lasten, z.B. Schrittmotoren. Dabei beachten, dass auch
lange Kabel eine Induktivität haben.
Im sehr guten Semikron-PDF ist ja beschrieben, wie man
Überspannungsschutz relalisieren kann (Kapitel 4.4.3 ff
(Avalance-Dioden, Varistoren)).
> Moderne Endstufen messen den Ausgangsstrom sehr schnell> und reagieren entsprechend.
Genau das würde ich so pauschal nicht beschreiben.
Die billigen Typen probieren es trotz 10fachem Motorstrom trotzdem, ihre
Anfahrrampe zu halten - bis das Silizium meint verdammt heiß hier drin,
ich muß hier raus. Andere geben immerhin einen Fehler aus (Motor
Überstrom oder Regelgrenze wenn sie ihre Rampe nicht halten können),
dann kann die Maschine/Software entscheiden, wie sie damit umgeht und
richtig gute können in Verbindung mit einem fähigen Programmierer ihre
Anfahrrampe am Motorstrom ausrichten.
Schnelles Bremsen ist auch nochmal ein Thema für sich, bei viel
rotierender Masse braucht man einen rückspeisefähigen Umrichter oder
einen Bremswiderstand, damit die Zwischenkreisspannung nicht durch die
Decke geht (die meisten Umrichter schalten in dem Fall einfach auf
freien Auslauf). Wenn es wirklich um einen Nothalt geht, würde ich immer
eine DC-Bremse bevorzugen, weil die Energie dann im Motor bleibt (dem
normalerweise bei einem einmaligen Ereignis so schnell nichts passiert)
und das System dadurch recht zuverlässig wird. Bei Servoantrieben mit
permanenterregten Synchronmotoren (die Dinger verfügen dann auch über
weitere Features wie eine Rotorlageerkennung) verwendet man dazu
Bremsschütze (Reglerfreigabe weg und Kurzschlußbremsung).
Ich versuch mal die jeweiligen Fragen/Antworten durch meinen
Wissensstand zu ergänzen, warum mir aber der FU um die Ohren fliegt (was
passiert genau?) und was schaltungstechnisch notwendig ist um dies zu
verhindern, hab ich immer noch nicht so ganz verstanden:
Ben B. schrieb:> Ein Drehstrom-Asynchronmotor nimmt beim Hochlauf an starrer Spannung> gerne mal den 10fachen Nennstrom auf
Dies sehe ich aber als unkritisch. Da der IGBT nur einen bestimmten
maximalen Strom durchlässt bei Kurzschluss. Dieser IGBT hält laut
Datenblatt 10 us bei 450 A aus. Der 10-fache Nennstrom liegt hier weit
darunter (Nennstrom von Motor 5 bis 10 A)
Ben B. schrieb:> Wenn man ihn einfach wegschaltet, bekommt man eine Fehlermeldung
Unser Umrichter wertet zumindest Phasenverlust aus. Dies wird über die
Shunt-Messung realisiert. Meinst du dies? Diese Auswertung ist aber
vergleichsweise sehr langsam (Langsam da dies als Schutz vor
Fehlauslösungen dient).
Ben B. schrieb:> manche Fräsantriebe schalten den> Motor für niedrige Drehzahlen auf Stern, bei hohen Drehzahlen wird auf> Dreieck umgeschaltet.
Bei FUs kenn ich diese Umsetzung so nicht. Dies macht man meines Wissens
nur bei reiner Schützansteuerung um einen geringeren Anlaufstrom zu
haben. Stichwort: Vorschrift bei 5,5 kW-Grenze!
Vorn N. schrieb:> Der entstehende Lichtbogen im Relay / Schütz erzeugt ein weites> Frequenzspektrum und scharfe Transienten.
OK, das versteh ich, aber was passiert dann deshalb? Anschalten aufgrund
von Miller-Kapazität und ggf. deshalb High- und Low-Gate zur gleichen
Zeit an?
Vorn N. schrieb:> Die in der Induktivität gespeicherte Energie "will ja irgendo hin"
Das muss ja der Schütz verbraten. Dieser ist ja hochohmig zu diesem
Zeitpunkt. Der IGBT bleibt niederohmig und auch wenn der IGBT gerade
schaltet, schaltet dieser nicht schneller als im normalem Betrieb.
Ben B. schrieb:> braucht man einen rückspeisefähigen Umrichter oder> einen Bremswiderstand
Ausreichender Bremswiderstand ist vorhanden. Dies stellt kein Problem
dar.
Vorn N. schrieb:> Erkläre bitte, warum Du den Motor galvanisch trennen willst
Ich will nicht, ich muss! Es ist eine Bestandsanlage. Der Grund ist auch
wirklich akzeptabel auch wenn ich selbst grundsätzlich gegen Schalten am
Motorausgang bin. Es ist aus Preisgründen erforderlich! Ohne jetzt im
Detail auf die Anlage einzugehen hier eine etwaige Beschreibung: Es sind
ca. 200 Motore im Einsatz und nur 20 FUs. Es sind pro FU maximal 2
Motoren gleichzeitig eingeschaltet. Es kann jedoch auf sehr viele
verschiedene Motore umgeschalten werden über Schütze. Dies läuft
automatisiert ab. Wenn umgeschalten wird ist der FU normalerweise aus!
Da jedoch diese Umschaltung über Sensorik läuft, kann es unter Umständen
passieren dass diese Sensorik kurz Fehlinformationen bekommt und deshalb
kurz einen Motor trennt und kurz danach wieder zuschaltet (im laufendem
FU-Betrieb). Dies kann leider nicht verhindert werden, außer durch eine
sorgfältige Einstellung der Sensorik. Auch das verzögerte Schalten der
Schütze ist hierbei prozesstechnisch unter keinen Umständen möglich
sondern muss direkt durch die Sensorik übernommen werden (um die
Notwendigkeit zu erklären, müsste ich wirklich viel zusätzlich
erklären). Um eins vorweg zu nehmen: Es ist nicht möglich dass sich zwei
verschiedene Umrichterausgänge über Schütze verbinden (diese Möglichkeit
wird technisch unterbunden). Zu der Motorart: Es handelt sich hierbei um
Drehstrom-Asynchronmotoren.
> Bei FUs kenn ich diese Umsetzung so nicht.
Z.B. Mazak CNC-Bohr-/Fräszentren machen das.
Wenn Du es nicht vermeiden kannst, dann mach es doch einfach und hoffe
das Beste... oder welche andere Wahl hast Du? Ich sehe da nur eine
komplette Überarbeitung der Sensorik, damit keine Fehlsteuerungen
passieren während die Motoren laufen.
Man könnte auch etwas bauen, was eine Änderung der Schaltzustände nur
während des Stillstands zulässt und eine Zu/Abschaltung während des
FU-Betriebes unterbindet. Dann würden Fehlsteuerungen der Sensorik kein
Umschalten der Motoren bewirken.
Wofür werden die FUs gebraucht, also wieso ist kein direkter Betrieb der
Motoren am 230/400V-Netz möglich?
