Smart-Power-Module Energieeffizienter mit PSMS und Advanced Motion Controller

Energieverbrauch-relevante Produkte müssen den ErP-Vorgaben der EU entsprechen. Hier bringen BLDC- oder PMSM-Motoren mit dem Advanced Motion Controller den geforderten höheren Wirkungsgard.

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FAULHABER Antriebssysteme

ET System electronic GmbH

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Fairchild Semiconductor

Viele Anwendungen verwenden elektrische Motoren für eine Vielzahl von Funktionen. Wenn keine genaue Positionskontrolle benötigt wird, aber andere Faktoren im Vordergrund stehen, wurden in der Vergangenheit einfache AC- oder DC-Motoren mit Bürsten verwendet. Dabei waren vor allem eine kompakte Konstruktion, Systemkosten und eine einfache Implementierung wichtig.

Viele dieser Anwendungen müssen auch zahlreiche Betriebsstunden fehlerfrei funktionieren. Synchron-Motoren passen da genau, weil ihr Aufbau einfach ist (was eine gute Zuverlässigkeit ermöglicht) und die Implementierung auf Systemebene nicht schwierig ist. Deren Wirkungsgrad ist allerdings niedrig, oft unter 70%, und die Drehgeschwindigkeit zu ändern oder andere komplexere Funktionen zu implementieren ist sehr schwer oder gar nicht möglich.

In vielen Volkswirtschaften wird Elektrizität zu knapper Ware mit steigendem Preis. Neue gesetzliche Regelungen werden allerorten implementiert, um den Verschwendern den Marktzugang abzuschneiden und die Verwendung effizienterer Lösungen voranzutreiben. Ein Beispiel hierfür sind die ErP-Regeln der Europäischen Union (ErP; Energy-related Products, energieverbrauchrelevante Produkte), die für viele verschiedene Anwendungen bereits festgeschrieben oder in Entwicklung sind und durch alle Mitgliedsstaaten ratifiziert werden müssen. In ihnen sind Mindest-Wirkungsgrade festgeschrieben, die den Einsatz von BLDC- oder PMSM-Motoren quasi erzwingen.

Stand August 2012 sind die Regeln in Kraft für Umwälzpumpen, Kompressoren im privaten Gebrauch, Lüfter, Waschmaschinen und Geschirrspüler. Für Klima-Anlagen für privaten Gebrauch, Staubsauger, Wasserpumpen und Industrie-Kompressoren sind die Regelungen bereits fertig und in Ratifizierung. Für Schmutzwasserpumpen, Pumpen für Schwimmbecken sowie alle Motor-Anwendungen, die durch die obigen Kategorien nicht erfasst sind, sind die Vorbereitungen bereits angelaufen.

Doch das ist noch nicht alles. Mit der weiten Verbreitung elektronisch gesteuerter Systeme, die alle am Energieversorgungsnetz angeschlossen sind, wie zum Beispiel Umrichter-basierte Motorsteuerung, LED-Beleuchtung oder Schaltnetzteile, hat die Blindleistung im Netz stark zugenommen, und der Leistungsfaktor ist schlechter geworden. Dies zwingt die Elektrizitätswerke, mehr Leitungskapazität bereitzustellen als tatsächlich erforderlich ist, was die Kosten treibt.

Vergleichbar zur LED-Beleuchtung, in der eine PFC-Korrekturschaltung oder andere Implementierungen mit gutem Leistungsfaktor zum Stand der Technik geworden sind, werden daher Antriebssteuerungen wohl mittelfristig dieselben Anforderungen treffen. Während Umrichter-basierte Antriebssteuerung dieses Problem nicht löst, macht der Einsatz elektronischer Steuerungen für E-Motoren die Implementierung einer Leistungsfaktor-Korrektur doch etwas einfacher, um diese neuen Erfordernisse abdecken zu können.

System-Architektur und Modulationsverfahren

Ein typisches Blockdiagramm für die Ansteuerung von BLDC- oder PMSM-Motoren zeigt Bild 2. Die Netzspannung wird zunächst gleichgerichtet und anschließend mit einer PFC-Stufe auf einen konstant hohen Wert geboosted. Dies stellt sicher, dass am Eingang Strom und Spannung weitgehend in Phase sind, um einen guten Leistungsfaktor zu erzielen. Diese Spannung versorgt den Umrichter, der aus drei Halbbrücken besteht, die von einem Gate-Treiber angesteuert werden.

Die Steuersignale des Controllers sind reine Logik-Signale, die der Gate-Treiber in die korrekten Steuer-Spannungen für die Leistungsschalter umsetzt. Dies ist insbesondere für die oberen Transistoren wichtig und nicht ganz einfach, denn ihr Bezugspotenzial ändert sich ja laufend. Der Controller empfängt Feedback-Signale von Sensoren am Motor oder durch Messung der Phasenströme. In vielen industriellen Anwendungen werden hierfür Optokoppler eingesetzt, da Störsignale die unter Umständen recht schwachen Sensorsignale verfälschen können.

Für die Leistungsschalter der Umrichter-Stufe gibt es verschiedene Möglichkeiten. In vielen Anwendungen werden Smart-Power-Module wie beispielsweise die FSB5x-Serie von Fairchild Semiconductor verwendet, in denen Leistungsschalter wie MOSFETs oder IGBTs zusammen mit den Gate-Treiben implementiert sind, sodass sich die gesamte Leistungsstufe mit Logik-Signalen ansteuern lässt und das aufwendige Routing der Ansteuersignale sowie der Leistungsanschlüsse durch das Modul bereits abgedeckt ist. Nur wenige Anwendungen mit extremem Kostendruck oder geringen Anforderungen an die Kompaktheit werden noch mit diskreten Komponenten implementiert, da dies auch mit reduzierter Zuverlässigkeit einhergeht.

Ein wichtiges Optimierungsziel bei der Systementwicklung ist üblicherweise die Erzielung eines niedrigen Drehmoment-Rippel. Das führt zu reduzierter mechanischer Geräuscherzeugung, höherer Zuverlässigkeit und niedrigeren Systemkosten, weil beispielsweise die Lager nicht überdimensioniert werden müssen. Das kann allerdings den Einsatz komplexerer Modulationsschemata erfordern, etwa die Raumzeiger-Modulation.

Die Implementierung weitergehender Funktionalität wie zum Beispiel variable Geschwindigkeit, kontrollierter Einschalt- und Ausschaltverlauf sowie Schutzfunktionen (zum Beispiel Rotationsumkehr, um Fremdkörper aus einer Pumpe zu entfernen) erhöht die Anforderungen an den Controller. Die Kontrolle der Leistungsschalter in jedem Schaltzyklus, fortschrittliche Modulationsalgorithmen sowie diese zusätzlichen Funktionen können die Anforderungen an die Rechenleistung selbst für einfache Anwendungen sehr hoch legen.

Umrichter-basierte Antriebssteuerungen gibt es bereits seit geraumer Zeit. Diese Systeme verwenden üblicherweise einen DSP (digitaler Signal-Prozessor), der die notwendige Leistungsstärke für die Berechnungen der Ansteuer-Pulse in Echtzeit bereitstellt. Es gibt aber viele Anwendungen, etwa Pumpen, Lüfter, Material-Transport und motorgesteuerte Ventile, Türen und Fenster, bei denen keine komplizierten Funktionen auf Systemebene erforderlich sind. In diesen Anwendungen müssen die Motoren in der Regel mit vordefinierten langsamen Geschwindigkeiten laufen, ohne große dynamische Variation. Die erforderliche Leistung wird recht konstant sein, ohne besonderen Regelaufwand.

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