Auslegung elektrischer Antriebe

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Auswahl des Stellgerätes

Stellgeräte sind grundsätzlich so auszuwählen, dass ihre Ausgangsspannung zur Nennspannung des Motors passt und es nicht zu einer Überschreitung der Isolationsfestigkeit der Motorwicklungen kommt. Diese Bedingung wird in den folgenden Abschnitten als gegeben vorausgesetzt.

Die Energiewandlung im Stellgerät ist verlustbehaftet. Ein Teil der zugeführten elektrischen Energie wird nicht an den Ausgangsklemmen wieder abgegeben sondern in Wärme umgesetzt. Die größten Verluste treten dabei in den Leistungshalbleitern auf. Sie sind keine idealen Schalter sondern weisen auch im durchgesteuerten Zustand einen ohmschen Widerstand auf, der Stromwärmeverluste hervorruft. Zusätzliche Verluste treten bei jedem Schaltvorgang auf. Damit stehen die Verluste der Leistungshalbleiter im direkten Zusammenhang mit der Strombelastung des Stellgerätes und der Pulsfrequenz, mit der es betrieben wird.
Ähnliches gilt für die Kondensatoren des Zwischenkreises, die sich ebenfalls erwärmen.

Neben den lastabhängigen Verlusten treten auch lastunabhängige Verluste in der Stromversorgung und Signalelektronik des Stellgerätes auf. Sie sind für die Auslegung des Stellgerätes jedoch von untergeordneter Bedeutung und werden deshalb nicht weiter betrachtet.

Durch die richtige Auslegung des Stellgerätes soll erreicht werden, dass es nicht zu einer thermischen Überlastung der Leistungshalbleiter kommt. Sie kann zur sofortigen Zerstörung oder zu einer beschleunigten Alterung der Halbleiter führen.
Im allgemeinen verfügen Stellgeräte über eine Temperaturüberwachung, die das Gerät vor unzulässiger Überlastung schützt. In diesem Fall dient die richtige Dimensionierung des Stellgerätes dazu, die automatische Abschaltung des Antriebes aufgrund von thermischer Überlastung zu vermeiden und die Betriebsfähigkeit der Maschinen und Anlagen aufrecht zu erhalten.

 

Thermisches Modell

Das Leistungsteil eines Stellgerätes besteht, wenn man die Details vernachlässigt, aus

  • Leistungshalbleitern, die in einem Leistungsmodul untergebracht sind,
  • einer Kupferplatte, mit der die Leistungshalbleiter thermisch verbunden sind und die das Leistungsmodul abschließt sowie
  • einem Kühlkörper, der mit der Kupferplatte des Leistungsmoduls thermisch verbunden ist.

Dementsprechend weist das thermische Modell eines Stellgerätes eine Wärmequelle und zwei Wärmeübergänge auf. Die Wärmequelle Qth ist der Leistungshalbleiter. In ihm wird in Abhängigkeit vom fließenden elektrischen Strom und der Pulsfrequenz ein Wärmestrom ith erzeugt. Dieser lädt die sehr kleine Wärmekapazität CCh des Chips auf. Als Folge steigt die Temperatur νCh des Chips sehr schnell an.
Über den Kontakt zur Kupferplatte des Leistungsmoduls gibt der Chip seine Wärme an die Kupferplatte und den angeschlossenen Kühlkörper ab. Dabei muss der Wärmestrom einen kleinen thermischen Widerstand RthK überwinden. Im Ergebnis erwärmen sich die Kupferplatte und der Kühlkörper, die in Summe die Wärmekapazität CK aufweisen, auf die Temperatur νK.
Über seine Oberfläche gibt der Kühlkörper Wärme an die Umgebung ab. Dabei wird sein thermischer Widerstand RthU wirksam, der den Wärmestrom vom Kühlkörper an die Umgebung begrenzt. Die Wärmekapazität CU der Umgebung wird als unendlich groß angenommen. Unter dieser Annahme bleibt die Umgebungstemperatur νU konstant. Durch entsprechende Belüftung mit Frischluft oder Rückkühlung des Kühlmediums ist diese Bedingung in der praktischen Anwendung erfüllt.

Thermisches Modell

TemperaturverlaufWird das Stellgerät aufgrund des Stromflusses im angeschlossenen Motor belastet, stellt sich am Leistungshalbleiter näherungsweise ein Temperaturverlauf ein, der aus zwei Abschnitten besteht. Im ersten, relativ kurzen Abschnitt, steigt die Chiptemperatur im Bereich einiger Millisekunden sehr schnell an. Die Wärmekapazität des Chips ist sehr gering, so daß beim Auftreten von thermischen Verlusten sehr schnell eine hohe Übertemperatur des Chips im Vergleich zum Kühlkörper erreicht wird.
Die hohe Temperaturdifferenz zwischen Chip und Kupferplatte bzw. Kühlkörper führt zu einem hohen Wärmestrom vom Chip zum Kühlkörper. Der Kühlkörper erwärmt sich entsprechend. Die Temperaturerhöhung des Kühlkörpers wirkt auf den Leistungshalbleiterchip zurück und führt im zweiten Abschnitt des Diagramms zu einem weiteren Temperaturanstieg im Chip. Dieser Temperaturanstieg erfolgt mit der thermischen Zeitkonstante des Kühlkörpers und erreicht schließlich einen stationären Zustand. Die Endtemperatur des Kühlkörpers und damit auch die Endtemperatur des Leistungshalbleiterchips sind wesentlich

  • von der Belastung des Stellgerätes,
  • von den thermischen Widerständen aber auch
  • von der Umgebungstemperatur νU

abhängig. Durch richtige Dimensionierung des Stellgerätes, Schutz des Kühlkörpers vor Verschmutzung und Bereitstellung einer ausreichenden Kühlluftmenge muss die thermische Überlastung des Leistungshalbleiterchips vermieden werden.

Der zeitliche Verlauf für die Erwärmung des Kühlkörpers, insbesondere die Geschwindigkeit mit der die Temperatur ansteigt, ist von der thermischen Zeitkonstante des Kühlkörpers abhängig.

Diese ergibt sich zu: Tth = RthU * CK

Typische thermische Zeitkonstanten für Stellgeräte liegen im Bereich von ca. 1 min bis 5 min.

Im stationären Zustand stellen sich etwa folgende Temperaturverhältnisse ein

Leistungschip ca. 100 °C
Kühlkörper

ca. 80 °C

Kühlluft beim Austritt aus dem Stellgerät ca. 60 °C

Angenommen wird eine Kühllufttemperatur von 40 °C beim Eintritt in das Stellgerät.
Die angegebenen Werte geben nur eine grobe Orientierung und schwanken von Hersteller zu Hersteller und in Abhängigkeit von der Leistung des Stellgerätes.

 

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