Siemens SINAMICS G130 Projektierungshandbuch Seite 180

Grundlagen und Systembeschreibung
Projektierungshinweise
Anmerkungen zum Berechnungsbeispiel 2:
In dem folgenden Diagramm ist neben dem Betrag des Motorstromes |I(t)| gemäß der blauen Kurve und der Motor-
frequenz f(t) gemäß der roten Kurve auch der zeitliche Verlauf der Sperrschichttemperatur T
Leistungsteil als schwarze Kurve dargestellt.
I(t) /A
T T
f(t)/Hz
1 2
T (t)/°C
j
I =
520A
2
100°C
80°C
T (t)
j
60°C
I =
1
40°C
115A
20°C
10Hz
0°C
0 60 120
Betrag des Motorstroms |I(t)|, Motorfrequenz f(t) u. zeitlicher Verlauf der Sperrschicht-
temperatur T (t) der IGBT-Chips während des periodischen Lastspiels der Zentrifuge
j
Man erkennt, dass in diesem periodischen Lastspiel die auftretenden Spitzenwerte der Sperrschichttemperatur T
IGBT-Chips mit ca. 105° C deutlich unterhalb der zulässigen Grenze von 150° C bleiben. Aber aufgrund zweier Effekte
kommt es zu relativ hohen Temperaturschwankungen im IGBT. Einerseits wegen der sehr großen Unterschiede im
Strom, die in den unterschiedlichen Betriebszuständen des Lastspiels abwechselnd auftreten (kleiner Strom beim Be-
füllen und beim Schleudern, großer Strom beim Beschleunigen und Abbremsen), und andererseits wegen der relativ
langen Ausräumphase mit sehr niedriger Ausgangsfrequenz und gleichzeitig relativ hohem Strom.
Beide Effekte wurden im vorliegenden Beispiel durch Anwendung der entsprechenden Derating-Faktoren berücksich-
tigt, so dass sich die ergebenden Temperaturschwankungen von ca. 35°C im Hinblick auf die Lebensdauer noch inner-
halb akzeptabler Grenzen bewegen.
Um die unvermeidlichen Temperaturschwankungen aufgrund der verschiedenen Belastungszustände innerhalb des
Lastspiels so gering wie irgend möglich zu halten, empfiehlt es sich hier, nicht nur die Projektierung des Antriebs nach
den zuvor beschriebenen Kriterien vorzunehmen, sondern zusätzlich bei der Inbetriebnahme die folgenden Punkte zu
beachten, weil sich bei der Projektierung ein Strom-Derating-Faktor k
Der Antrieb ist entweder mit der projektierten Pulsfrequenz in Betrieb zu nehmen, welche im vorliegenden Beispiel der
Werkseinstellung entspricht, oder mit sinnvoll gewählten, stromabhängigen Pulsfrequenzumschaltungen.
Zur zusätzlichen Reduktion der Temperaturhübe ΔT
Lösung dar. Denn in den Betriebszuständen mit sehr hohem Strom (Beschleunigungsphase T
kann der Temperaturanstieg minimiert werden, indem der Umrichter mit möglichst niedriger Pulsfrequenz betrieben
wird (Werkseinstellung). In den Betriebszuständen mit sehr niedrigem Strom (Befüllphase T
kann der Temperaturrückgang minimiert werden, indem der Umrichter mit möglichst hoher Pulsfrequenz betrieben
wird. Als Resultat dieser stromabhängigen Pulsfrequenzumschaltungen ergibt sich eine Reduktion der Temperatur-
schwankungen und somit eine Erhöhung der Lebensdauer der IGBTs.
Desweiteren sollten die Temperaturschwankungen aufgrund der niedrigen Ausgangsfrequenz in der Ausräumphase
T minimiert werden, indem hier grundsätzlich nur die niedrige Pulsfrequenz gemäß Werkseinstellung genutzt wird und
5
im Rahmen der prozesstechnischen Möglichkeiten angestrebt wird, in der Ausräumphase T
hoch wie möglich und den Ausgangsstrom so niedrig wie möglich einzustellen. Schon geringfügige Erhöhungen der
Ausgangsfrequenz, z. B. von 5 Hz auf 7 Hz, bzw. geringfügige Absenkungen des Ausgangsstroms um einige 10 A
können hier schon eine merkliche Reduktion der Temperaturschwankungen bewirken.
Auf keinen Fall sollte – z. B. zur Reduktion der Motorgeräusche – eine generelle, von den verschiedenen Belastungs-
zuständen unabhängige Erhöhung der projektierten Pulsfrequenz unter Verwendung einer Überlastreaktion mit
Reduktion der Pulsfrequenz (p290 = 2 oder 3) erfolgen. Denn hohe Ströme führen in Kombination mit einer erhöhten
Pulsfrequenz wegen der hohen Verlustleistung sehr schnell zum Eingreifen der Überlastreaktion. Diese Überlast-
reaktion erfolgt jedoch erst beim Erreichen eines sehr hohen Niveaus der Chip-Temperatur der IGBTs, um das Leis-
tungsteil möglichst lange mit der erhöhten Pulsfrequenz betreiben zu können. Somit maximiert diese Betriebsart mit
temperaturabhängiger Pulsfrequenzumschaltung die Temperaturhübe ΔT
spielen mit starken Laststromschwankungen – wie sie in diesem Beispiel mit ΔI = 4,5 vorliegen – nicht geeignet im
Hinblick auf die Reduktion der Temperaturschwankungen und bzw. die Erhöhung der Lebensdauer.
SINAMICS Projektierungshandbuch – Februar 2020
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© Siemens AG
T T T
3 4 5
I = 520A
4
50Hz
T (t)
j
I =
5
350A
I =
3
I(t)
115A
5Hz
f(t)
240 300
180
T
Chip
t / s
von 0,8 < 1,0 ergeben hat:
IGBT
stellen stromabhängige Pulsfrequenzumschaltungen die beste
Chip
(t) der IGBT-Chips im
j
und Abbremsphase T
2
und Schleuderphase T
1
die Ausgangsfrequenz so
5
in den IGBTs. Sie ist damit bei Last-
der
j
)
4
)
3