Gate-Drive- und Current-Feedback-Signalisolation in Antrieben: Sicher isoliert

Neue internationale Energieeffizienzvorschriften für Motoren beschleunigen den Übergang von Wechselstrom- oder Induktionsmotoren hin zu Maschinen mit Wechselrichter-Steuerung. Doch diese stellen zusätzliche Anforderungen an die Signalisolation.

Die Energieeffizienz von Elektromotoren steht seit über zwei Jahrzehnten im Fokus der Energieregulierungsbehörden weltweit. Der Kohlendioxidausstoß soll durch die Kombination aus mehr Energieeffizienz und dem Umstieg auf erneuerbare Energiequellen minimiert werden. Das Einhalten der ersten Bestimmungen bzgl. der Energieeffizienz von Motoren war freiwillig. Schnell wurden die Bestimmungen Pflicht und die Mindestwirkungsgrade alle fünf bis zehn Jahre erhöht.

Der Asynchronmotor ist seit jeher das Arbeitspferd der Industrie, da er direkt am Drehstromnetz arbeitet. Derzeitige IEC-Standards klassifizieren die Effizienz dieser Motoren je nach Leistung auf verschiedenen Ebenen, angefangen bei Standard-Effizienz (IE1) bis zur Super-Premium-Effizienz (IE4). Heute sind die IE3-Premium-Effizienz-Ebenen in den größten Industrieregionen der Welt, u.a. die EU, USA, China und Japan, Pflicht. Fabrikbetreiber haben sich dieser Veränderung nicht widersetzt, da die Kapitalkosten von Motoren über ihre Lebensdauer lediglich einen kleinen Teil der Elektrizitätskosten betragen. Die höheren Kosten eines IE4-Motors mit 15 kW an Stelle eines Premium-Effizienz-Motors können in zwei Jahren durch Energieeinsparung zurückgewonnen werden.

Hersteller von Asynchronmotoren haben bis heute strengere Energievorschriften als Marktchance betrachtet. Motoren der Premium- und Super-Premium-Effizienzklasse sind hinsichtlich Material, Design und Fertigung teurer als Standard-Effizienz-Motoren. Die Entwicklung der neuen IEC-Effizienz-Klassen IE5 und IE6 werden Motorherstellern jedoch Probleme bescheren: Motorexperten glauben, dass es schwer und teuer wird, direkt an das Netz anschließbare Asynchronmotoren dieser Effizienzklassen zu entwickeln, speziell bei Modellen mit niedrigeren Leistungen [1].

Höchstwahrscheinlich werden nur über Wechselrichter angeschlossene Motoren in der Lage sein, IE5 und höhere Effizienzklassen zu erreichen. Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) werden i.d.R. für Anwendungen mit sehr hoher Effizienz gewählt. Doch die Kosten und die Verfügbarkeit der Magnete mit Seltenen Erden als Ausgangsstoff wirft Bedenken auf.

Neue Axial-Motor-Entwicklungen mit Ferritmagneten oder neuen Magnetmaterialien, die für den wachsenden Markt für Elektrofahrzeuge entwickelt wurden, könnten einige dieser Bedenken abschwächen. Synchron-Reluktanz-Motoren (SRM) werden als Antriebe der Effizienzklasse IE5 ebenfalls in Betracht gezogen [2]. SRMs haben weder Rotorwicklungen noch Magnete. Dies ermöglicht eine hohe Effizienz bei niedrigeren Kosten und Abmessungen als bei Asynchronmotoren der gleichen Leistungsklasse.

Wechselrichter und Isolation

Dieser Trend hin zu noch effizienteren Motoren erhöht den Bedarf an IGBT-basierten Wechselrichtern, die die gleichgerichtete Netzspannung am Eingang in Spannungen mit variabler Frequenz zur Versorgung des Motors transformieren. Bei über Wechselrichter gesteuerten Motoren sind Drehmoment oder Drehzahl auf die Last an der Welle abgestimmt. Dies minimiert die Energieaufnahme und die Betriebstemperatur des Motors und erhöht die Zuverlässigkeit. Steuerungsfunktionen mit Zusatznutzen, z.B. Condition Monitoring, Power Metering und Factory Network Connectivity, erhöhen die Prozess­effizienz. Isolationstechnologie ist ein entscheidendes Element im Antriebssystem, da sie die Controller-Anwenderschnittstelle von den gefährlich hohen Spannungen am Wechselrichter trennt.

Mehrere High-Level-Faktoren beeinträchtigen die Isolationsanforderungen und die Architektur eines Antriebs. Dazu zählen die Motorleistung, die Komplexität der Kommunikationsschnittstelle, die Controller-Architektur und die Spannungspegel im System (Bild 1). In vielen Fällen sind die wichtigsten Isolationsknoten die Gate-Treiber und die Strommessschaltungen.

Beide Stellen erfordern kontrollierte oder gemessene Signale, die auf geschaltete Hochspannungspegel referenziert sind. Daher müssen sie mindestens eine Art der Pegelanpassung enthalten; in vielen Fällen auch eine Isolation, um auf Masse bezogene Signale anzulegen oder zu extrahieren.

Die Ersatzschaltung in Bild 2 zeigt dies. Dargestellt ist eine Phase eines Wechselrichters, in der die Pegelanpassung – und damit potenzielle Signal­isolation – erfolgt. Anforderungen für das High-Side-Gate-Treiber-Signal und das Phasenstrom-Messsignal sind zu sehen.