Dimensionierung Der Leistungsteile Für Den Betrieb Mit Niedrigen Ausgangsfrequenzen; Betrieb Ohne Überlast Bei Niedrigen Ausgangsfrequenzen; Betrieb Ohne Überlast Bei Gelegentlich Auftretenden Niedrigen Ausgangsfrequenzen - Siemens SINAMICS G130 Projektierungshandbuch

Bei periodischen Lastspielen mit starken Laststromschwankungen (hoher Kurzzeitstrom und niedriger Grundlaststrom)
erwärmen sich die IGBT-Chips während der Überlastphase sehr stark. In der anschließenden Grundlastphase kühlen
die IGBT-Chips wieder sehr stark ab. Dadurch stellen sich sehr hohe Temperaturhübe ΔT
Anzahl von Temperaturzyklen gering ist. In Kombination mit kurzen Lastspieldauern kann deshalb die zulässige Anzahl
von Temperaturzyklen relativ schnell erreicht werden, wodurch sich eine relativ geringe Lebensdauer der IGBTs
ergeben kann. Um bei periodischen Lastspielen mit starken Laststromschwankungen eine Reduktion der Lebensdauer
der IGBTs zu vermeiden, ist bei der Projektierung von Lastspielen der entsprechende Strom-Derating-Faktor k
Abschnitt „Beliebige Lastspiele" zu berücksichtigen.
Beim Betrieb mit niedrigen Ausgangsfrequenzen und gleichzeitig hohem Ausgangsstrom fließt während der positiven
Halbwelle der Ausgangsstrom aufgrund der niedrigen Ausgangsfrequenz sehr lange Zeit nur über den mit der Plus-
Schiene des Zwischenkreises verbundenen IGBT, so dass sich dessen Chips bei hohem Ausgangsstrom sehr stark
erwärmen, während sich die Chips des mit der Minus-Schiene des Zwischenkreises verbundenen IGBTs stark ab-
kühlen. Während der negativen Halbwelle des Ausgangsstromes drehen sich dann die Verhältnisse um. Unter diesen
Betriebsbedingungen liegt – auch bei konstantem Effektivwert des Ausgangsstromes – eine mit der Ausgangsfrequenz
wechselnde Strombelastung der IGBT-Chips vor, bei der sich sehr hohe absolute Chip-Temperaturen T
hohe Temperaturhübe ΔT
Chip
Ausgangsstrom sowohl eine unmittelbare Störabschaltung als auch eine Reduktion der Lebensdauer der IGBTs zu
vermeiden, ist bei der Projektierung wie im Folgenden beschrieben vorzugehen.
Für den ordnungsgemäßen Betrieb eines IGBT-Moduls bei niedrigen Ausgangsfrequenzen müssen zwei Bedingungen
erfüllt sein, damit weder eine unmittelbare Störabschaltung durch eine zu hohe Chip-Temperatur T
unzulässige Reduktion der Lebensdauer durch einen zu hohen Temperaturhub ΔT
•
Die absolute Chip-Temperatur T
Bedingung muss grundsätzlich immer und in allen Betriebssituationen erfüllt sein, damit der IGBT-Chip nicht
unmittelbar durch das Versagen seiner Sperrschicht zerstört wird. Die Zerstörung aufgrund zu hoher Chip-
Temperatur wird zwar durch das in den SINAMICS-Geräten implementierte Thermische Überwachungsmodell
zuverlässig verhindert, indem beim Erreichen der zulässigen Grenztemperatur die Überlastreaktion eingeleitet
wird. Jedoch muss die Projektierung dafür Sorge tragen, dass dieser Schutzmechanismus nicht unter den
normalen Betriebsbedingungen anspricht, für die der Antrieb dimensioniert ist.
•
Der Temperaturhub ΔT
Bruchteil der Gesamtbetriebsdauer überschreiten. Diese Bedingung muss erfüllt sein, damit keine nennens-
werte Reduktion der IGBT-Lebensdauer eintritt. Eine kontinuierliche Überwachung des Temperaturhubes
durch das Thermische Überwachungsmodell findet nicht statt. Daher muss die Projektierung dafür sorgen,
dass der IGBT nicht oder nur für einen sehr geringen Bruchteil von weniger als ca. 1 % bis max. 2 % der
Gesamtbetriebsdauer den zulässigen Temperaturhub überschreitet. Kurzzeitige Überschreitungen, z. B. beim
seltenen Anfahren oder Bremsen, stellen also kein Problem dar, solange diese Betriebszustände nur einen
geringen Bruchteil von weniger als ca. 1 % bis max. 2 % der Gesamtbetriebsdauer ausmachen.
1.12.3 Dimensionierung der Leistungsteile für den Betrieb mit niedrigen Ausgangsfrequenzen
Bei hohen Ausgangsfrequenzen liegen sowohl im stationären Dauerbetrieb als auch bei allen zulässigen Lastspielen
gemäß dem Abschnitt „Lastspiele" die Chip-Temperatur T
zulässigen Grenzen. Mit abnehmender Ausgangsfrequenz steigen Chip-Temperatur und Temperaturhub stetig an und
können unterhalb von 10 Hz kritische Werte erreichen.
Wird dies bei der Projektierung nicht beachtet, kann es abhängig von den Betriebsbedingungen zu ungewollten Ein-
griffen des Thermischen Überwachungsmodells und/oder zu einer Reduktion der Lebensdauer der IGBTs kommen.
Im Folgenden wird beschrieben, wie dieses durch entsprechende Projektierung verhindert werden kann.
1.12.3.1 Betrieb ohne Überlast bei niedrigen Ausgangsfrequenzen < 10 Hz
Abhängig davon, ob bei gelegentlich auftretenden niedrigen Ausgangsfrequenzen nur das Eingreifen des Thermischen
Überwachungsmodells verhindert werden muss oder ob bei häufig auftretenden niedrigen Ausgangsfrequenzen von
mehr als ca. 1 % bis max. 2 % der Gesamtbetriebsdauer auch die Lebensdauer der IGBTs berücksichtigt werden muss,
sind unterschiedliche Maßnahmen zu ergreifen.
1.12.3.1.1 Betrieb ohne Überlast bei gelegentlich auftretenden niedrigen Ausgangsfrequenzen < 10 Hz
Hier muss die Projektierung nur dafür sorgen, dass es zu keiner Überlastreaktion durch das Thermische Über-
wachungsmodell kommt. Der Einfluss auf die Lebensdauer der IGBTs ist vernachlässigbar und braucht nicht berück-
sichtigt zu werden.
Soll der Umrichter ohne Eingreifen der Überlastreaktion gelegentlich mit einem Anteil von weniger als ca. 1 % bis max.
2 % seiner Gesamtbetriebsdauer bei Ausgangsfrequenzen kleiner 10 Hz betrieben werden, so ist der Ausgangsstrom
abhängig von der Ausgangsfrequenz gemäß der folgenden Derating-Kennlinie zu reduzieren (Voraussetzung:
Einstellung der Überlastreaktion p290 = 1).
Grundlagen und Systembeschreibung
einstellen. Um beim Betrieb mit niedrigen Ausgangsfrequenzen und gleichzeitig hohem
des IGBTs darf niemals den zulässigen Grenzwert überschreiten. Diese
Chip
des IGBTs darf den zulässigen Grenzwert nicht oder nur für einen sehr geringen
Chip
SINAMICS Projektierungshandbuch – Februar 2020
Projektierungshinweise
Chip
und der Temperaturhub ΔT
Chip
ein, so dass die zulässige
Chip
IGBT
sowie sehr
Chip
eintritt noch eine
Chip
:
immer innerhalb der
Chip
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