Guter Start für SD4x-Frequenzumrichter

Die Entwicklung der neuen SD4x-Serie von Frequenzumrichtern für Hochgeschwindigkeits-Anwendungen schreitet mit großen Schritten voran: 2022 wird die Sieb & Meyer AG insgesamt neun SD4S-Baugrößen anbieten, die den aktuellen Leistungsbereich der SD2S-Serie abdecken bzw. erweitern. Zudem werden die Möglichkeiten der SD4x-Logikplattform auch für die SD2M-Modelle zur Verfügung stehen, die sich bezüglich der Leistungselektronik auf dem neuesten Stand befinden.

„Ziel ist es, dass die SD4x-Geräte schrittweise die Frequenzumrichter der SD2x-Serie ablösen“, erläutert Ralph Sawallisch, Key Account Manager Antriebselektronik bei der Sieb & Meyer AG. „Diesbezüglich sind wir nun auf einem guten Weg. Die SD4x-Produktfamilie wächst stetig.“ Bis vor kurzem lag der Fokus noch auf der Felderprobung der neuen SD4x-Entwicklungsplattform. Die erste SD4S-Gerätevariante diente zunächst dem leistungsseitigen Lückenschluss im bestehenden Produktportfolio der Frequenzumrichter im unteren Leistungsbereich: Den Anfang machte eine Schaltschrank-Variante des SD4S mit 800 W / 1,6 kVA.

Ende des zweiten Quartals 2021 stand die nächste Baugröße mit 1.600 W / 3,2 kVA zur Verfügung. Diese SD4S-Varianten stellen die optimale Basis für den Betrieb von Hochgeschwindigkeitsspindeln bzw. Motoren im Leistungsbereich von wenigen hundert Watt bis 1,6 kW dar. „Die Geräte sind bereits erfolgreich bei Kunden im Einsatz“, so Ralph Sawallisch. „In unterschiedlichen Anwendungen hat sich bestätigt, dass wir ein allgemeingültiges, stabiles System entwickelt haben.“

Serienstart für SD4S und SD4M

Somit treten funktionsseitig erprobte Nachfolgeprodukte für die SD2S- und SD2M-Serien an. Der SD4S wird im ersten Halbjahr 2022 in fünf Baugrößen der 230 V-Klasse zur Verfügung stehen, im zweiten Halbjahr 2022 kommen zusätzlich vier Baugrößen der 400 V-Klasse auf den Markt. Insgesamt decken diese Geräte dann den aktuellen Leistungsbereich (1,4..55 kVA) der SD2S-Serie ab bzw. erweitern diesen sogar nach unten und oben (0,8..66 kVA).

Gleichzeitig wird aus der Serie SD2M die Serie SD4M. Sieb & Meyer hatte in 2021 eine neue SD2M-Baugröße auf den Markt gebracht, die durch die Erhöhung der Ausgangsleistung bzw. des Ausgangsstroms auf 470 kVA / 800 Aeff (bei 400 V) speziell im Bereich von Turboverdichtern und -kompressoren leistungsstärkere Systemlösungen möglich macht. „Bei diesem Gerät ist die Leistungselektronik auf dem neuesten Stand“, schildert Ralph Sawallisch. „Es ist alles so vorbereitet, dass man sie als neue Logikvariante in den SD4M transferieren kann. Somit wird die Umstellung relativ schnell machbar sein.“

Hauptvorteile für den Kunden werden vor allem die regelungstechnischen Verbesserungen sowie die Ethernet-basierten Bussysteme sein. Bestandskunden werden natürlich weiterhin den SD2M nutzen können – bei neuen Projekten fällt der Umstieg auf den SD4M jedoch leicht. „Leistungsseitig muss nicht viel angepasst werden“, so Ralph Sawallisch. „Der Kunde muss nur logikseitig einen etwas anderen Stecker verwenden und einige Feinheiten beachten.“ Auch der Wechsel von der SD2x- auf die SD4x-Serie fällt im Übrigen leicht: Dabei lassen sich die Parameter aus den SD2x-Geräten übernehmen.

Bereit für die Zukunft – in zahlreichen Anwendungen

„Funktionell und regelungstechnisch bietet die SD4x-Serie dem Anwender gegenüber der Vorgängerserie SD2x nochmalige Steigerungen, zum Beispiel die Erweiterung des Drehzahlbereiches der sensorlosen Vektor-Regelung auf bis zu 240.000 1/min“, so Ralph Sawallisch. „Erste positive Praxiserfahrungen mit geberlosen Synchronmotoren im Drehzahlbereich bis 180.000 1/min (3.000 Hz) konnten bereits gesammelt werden.“ Zum Vergleich: Bei der Vorgängerserie SD2x lag die Grenze für einen geberlosen Betrieb bei 120.000 1/min (2.000 Hz). Zudem hat Sieb & Meyer die bestehenden Antriebsfunktionen um eine Vektorregelung für Asynchronmotoren mit Geberrückführung ergänzt. Dadurch wurde das Einsatzspektrum der SD4x-Serie nochmals erweitert.

Dank des Multi-Protokoll-Chips für die am Markt etablierten Ethernet-basierten Schnittstellen und hilfreichen Zusatzfunktionen wie eine Echtzeituhr sind die SD4x-Geräte für die Zukunft gewappnet. Obwohl die Geräte auf die zukunftsorientierten, rein digitalen Schnittstellen ausgerichtet sind, werden auch weiterhin analoge Schnittstellen für Drehzahlgeber wie Resolver und Sin/Cos 1Vss mittels Optionsboard bereitgestellt.

Bessere Performance und neue Regelungsfunktionen

Das zentrale Element der SD4x-Produktfamilie ist aber die deutlich verbesserte Prozessorleistung: Der neue 32-Bit Prozessor ist bis zu fünfmal schneller und erlaubt somit eine höhere Auflösung und genauere Berechnungen. Zudem ist Sieb & Meyer von einer Festkomma- auf eine Fließkomma-Arithmetik umgestiegen, was eine flexiblere Gestaltung erlaubt. Insgesamt lassen sich mit dem neuen Prozessor-System komplexere Aufgaben schneller abarbeiten. Eine um bis 1,8-fache schnellere Berechnung auf der Hardware-Seite ermöglicht ein neuer FPGA: Er erlaubt es, komplexere Regelaufgaben abzuarbeiten. Für den Kunden bedeutet das eine eklatante Steigerung der Performance. Höhere Schaltfrequenzen und eine verbesserte Regelgüte bei nochmals gesteigerten Drehzahlen bewirken Verbesserungen im Gesamtprozess.

SD4x-Geräte können dank eines integrierten Lagereglers eigenständige hochgenaue Positionierungen durchführen. Unterstützt werden nun auch PWM-Schaltfrequenzen von 24 und 32 kHz. Für eine noch feinere Modulierung des sinusförmigen Signals ist eine Kommutierungswinkel-Steuerung für 32, 48 und 64 kHz integriert. Dadurch ergibt sich ein nahezu optimaler Sinus, es treten so gut wie keine harmonischen Ströme mehr auf. Die durch die PWM verursachte Verlustleistung kann auf ein Bruchteil minimiert werden. Die regelungstechnischen Verbesserungen bringen im Übrigen auch bei dynamischen Servo-Anwendungen Vorteile: Bauartbedingte Motoreinflüsse wie das Cogging werden minimiert – das wurde bei Referenzkunden im praktischen Einsatz nachgewiesen.

Zusätzlich hat Sieb & Meyer die zur Verfügung stehende Prozessorperformance für neue Regelungsfunktionen genutzt. So ist es nun möglich, Synchronmotoren mit „vergrabenen“ Magneten, auch Interior Permanent Magnet Motor (IPM) genannt, optimal zu betreiben. Das bei diesen Motoren zusätzlich zur Verfügung stehende Reluktanzmoment wird dabei arbeitspunktunabhängig in Echtzeit optimiert. „Stand der Technik bei anderen Systemen ist eine statische Optimierung auf einen festen Arbeitspunkt“, erläutert Ralph Sawallisch. „So können die Möglichkeiten der Motoren in weiten Arbeitsbereichen jedoch nicht ausgenutzt werden.“

Einfach parametrieren und diagnostizieren

Ein Highlight ist zudem die neue drivemaster4-Software. Sie ist die Schaltzentrale der Frequenzumrichter-Familie, die sowohl eine initiale Parametrierung und Inbetriebnahme als auch Diagnose ermöglicht. Das integrierte Software-Tool Motor Analyzer erlaubt zudem aussagekräftige Simulationen des Betriebs von Frequenzumrichtern. So lässt sich nun eine FFT-Analyse des simulierten Ausgangsstroms durchführen. Die Ergebnisse zum Gesamtoberschwingungsgehalt THD (Total Harmonic Distortion) des Motorstroms (THDi) und der Motorspannung (THDu) ermöglichen dem Experten, die Motorerwärmung genauer abzuschätzen. Die Daten sind dabei auch Grundlage für die Realisierung eines digitalen Systemzwillings. Dies führt zu einer nennenswerten Risikominimierung und Kostenreduzierung im Entwicklungsprozess.

Darüber hinaus entwickelt Sieb & Meyer den Drivemaster4 laufend für eine internationale Kundschaft weiter: So wird die Software neben Deutsch und Englisch in Kürze auch in chinesischer Sprache bereitgestellt. Japanisch, Koreanisch und Französisch werden folgen.

„Wir freuen uns auf den breiten Serienstart von SD4S und SD4M“, so Ralph Sawallisch abschließend. „Somit können nun immer mehr Kunden von den zentralen Vorteilen der SD4x-Produktfamilie profitieren: Die optimierte Performance, höhere Drehzahlen sowie die geringe Motorerwärmung ohne Sinusfilter.“ Hinter den Kulissen geht die Entwicklung weiter. Die nächsten Schritte werden vor allem funktionsseitige Erweiterungen sein. Zudem will Sieb & Meyer vermehrt kundenspezifische Lösungen auf Basis der SD4x-Plattform realisieren – schließlich ergeben sich dadurch ganz neue Möglichkeiten.

von Torsten Blankenburg, CTO, Sieb & Meyer AG

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