Hydraulikaggregat mit Synchronmotor – frequenzgeregelt

Frequenzvariable Antriebe kommen zum Einsatz wenn Wechselstrommotoren oder Drehstrommotoren drehzahlvariabel betrieben werden sollen. Dieses wird in der Fluidtechnik benötigt, wenn bei einem Hydraulikaggregat eine Primärregelung des Fördervolumenstromes einer Pumpe realisiert werden soll, anstatt einer Sekundärregelung über Ventiltechnik.

Daneben gibt es aber auch Anwendungen insbesondere im Bereich der E-Mobilität, in denen frequenzvariable Antriebe in Kombination mit Gleichstromversorgungen genutzt werden.

Zum Einsatz kommende Motorentypen sind z.B. Synchronmotoren. Um sie drehzahlvariabel betreiben zu können ist ein Umrichter und ein Winkelencoder erforderlich.

Synchronmotoren mit Umrichter kommen zur Anwendung wo bürstenbehaftete DC-Motoren nicht eingesetzt werden können. U.a. dort wo besondere Anforderungen an Dauerlauf, Effizienz, Dynamik oder Regelgüte gestellt sind.

Synchronmotoren mit Winkelencoder – Aufbau und Funktionsweise

Ein Synchronmotor ist ein mehrphasiger AC-Permanentmagnet-Motor, der in der Regel mit drei Phasen angesteuert wird. Die Motoren können dabei für unterschiedliche Spannungen ausgelegt sein, Versionen für Kleinspannungen von 24 V oder 48 V sind ebenso verfügbar wie Versionen für Niederspannungen im Bereich 230 V. Fluitronics greift hierbei auf Motoren bekannter Hersteller zurück.
Welches Spannungslevel sinnvoll ist hängt von der benötigten Leistung ab. Bei hohen Leistungsanforderungen wählt man häufig gerne hohe Spannungen, da ansonsten die zu führenden Stromwerte so hoch werden, dass sie nicht mehr vernünftig gehandhabt werden können, was sich auch auf Kühlung, Bauraum und Bauteilauswahl auswirkt.
Das Spannungsniveau hängt aber auch von der generell zur Verfügung stehenden Spannungsversorgung und ggf. Anforderungen an die Handhabbarkeit und das Gefahrenpotenzial ab.

Umrichter – Aufbau und Funktionsweise

Der Umrichter ist ein wesentlicher Bestandteil bei der kundenspezifischen Anpassung. Kommunikationsart, Regelungsart und Motorüberwachung werden durch den Umrichter bestimmt. Aber auch die Dynamik und Effizienz werden maßgeblich durch den Umrichter beeinflusst.

Im Rahmen von Kundenprojekten kommen häufig handelsübliche Umrichter zum Einsatz In Serienanwendungen mit speziellen Anforderungen, so dem hier gezeigten Beispiel, ist es aber ggf. sinnvoll eine eigene kundenspezifische Umrichterplatine zu entwickeln. Motivation für die Eigenentwicklung sind die Stückzahl, Anforderungen an eine spezielle, integrierte Aufbauart sowie Anforderungen an Kommunikation, z.B. über CAN-Bus oder mit speziellen Protokollen.

Der prinzipielle Aufbau eines Umrichters ist nebenstehend gezeigt. Kern des Umrichters ist der Motorcontroller, der die phasengenaue Ansteuerung des Motors übernimmt. Dieser treibt über eine Zwischenstufe, den Gatetreiber die Leistungsendstufe, deren Herzstück sogenannte MosFETs sind. Für die Regelung der Phasenansteuerung misst der Controller kontinuierlich den Strom in den 3 Strängen und bekommt Informationen über die jeweilige Winkelposition und Winkelgeschwindigkeit.

Anwendungsbeispiel

In diesem Beispiel ist die Aufgabe die hydraulische Ansteuerung von Nebenfunktionen in einer mobilen Anwendung. Das Aggregat sollte in das zur Verfügung stehende 48 VDC Boardnetz integriert werden. Die hydraulische Leistungsanforderung liegt bei 700 W im Dauerbetrieb. Aufgabe ist die Druck- und Positionsregelung von Positionierzylindern. Ferner ist die Anforderung einer Kommunikation über CAN-Bus und die umfangreiche Überwachung des Systems.

Typische sonstige Anwendungen

Weitere typische Beispiele, in denen drehzahlvariable Synchronmotoren zum Einsatz kommen können, sind nachfolgend aufgezeigt

Legeantriebe oder Ernteantriebe mit hoher Regeldynamik und Regelgenauigkeit in Kombination mit Untersetzungsgetrieben

In der Agrartechnik kommen beispielsweise Legeantriebe (z.B. Kartoffellegeantriebe) oder Ernteantriebe zum Einsatz, bei denen eine hohe Regelgüte und Dynamik benötigt wird. Derartige Antriebe werden auf mobilen Landmaschinen häufig hydraulisch mit Hilfe hydraulischer Stromregler und Hydromotoren umgesetzt. Als Alternative bieten sich aber auch Synchronmaschinen mit Frequenzumrichter und evtl. Getriebeuntersetzung an. Vorteil ist die Möglichkeit der Buskommunikation zwischen unterschiedlichen Legeantrieben und zum zentralen Maschinenmaster, der z.B. über einen in der Landtechnik üblichen ISOBUS mit der Zugmaschinen kommuniziert.

Bandantriebe mit hohen Dynamik und Regelgüteanforderungen

In unterschiedlichen mobilen und stationären Anwendungen kommen Bandantriebe zum Einsatz. Während Standardantriebe keine besonderen Anforderungen an die Dynamik, Regelbarkeit und ggf. Positionierbarkeit stellen und in der Regel mit einfachen Asynchronmaschinen betrieben werden, kann in besonderen Fällen ein Synchronmotor erforderlich werden, wenn die Abforderungen an Regelbarkeit, Positionierbarkeit und Dynamik steigen. Auch wenn der Motor mit anderen Teilnehmern des Antriebes kommunizieren soll kann ein Synchronmotor mit intelligenter Umrichtertechnik sinnvoll sein.

  • Vermeidung von Schaltverlusten

  • Hohe Leistungsdichte

  • Geringe Rotor-Massenträgheit

  • Robuste Bauweise

  • Hoher Wirkungsgrad

  • Keine Feldflusskontrolle

  • Ummagnetisierungs Effekt

  • Höhere Kosten als Asynchronmaschinen

  • Bild Aggregat mit Synchronantrieb
  • Schnitt durch Motor mit Platine
  • Bild Elektronikplatine
  • Prinzipbild Schaltplan Synchronmotor
  • Prinzipbild Schaltplan Umrichterelektronik
  • Video Dynamische Anwendung