3 Verständnis von Fehlerereignissen in Elektromotorantrieben

Elektromotorantriebe sind anfällig für verschiedene elektrische Fehlerereignisse. Wie gezeigt in Abbildung 2, tritt ein Shoot-Through-Fehler auf, wenn die benachbarten Leistungsschalttransistoren 1 und 2 versehentlich gleichzeitig eingeschaltet werden. Dieser Fehler kann aus mehreren Gründen auftreten: elektromagnetische Störung, Fehlfunktion des Mikrocontrollers zur Steuerung der Schalttransistoren oder einfach abgenutzte Schalttransistoren. Dieser Fehler führt zu einem Kurzschluss des DC-Link-Kondensators und kann zu einem katastrophalen Ausfall mit übermäßiger Erwärmung, einem Brand oder sogar einer Explosion führen. Daher ist es unerlässlich, Shoot-Through-Fehler zu erkennen und Korrekturmaßnahmen zu ergreifen, wie zum Beispiel das sehr schnelle Ausschalten des Leistungsschalttransistors.

Abbildung 2 Ein Shoot-Through-Fehler in Elektromotorantrieben.

Wie dargestellt in Abbildung 3, tritt ein Erdschluss auf, wenn die Motorkabel, das Motorgehäuse oder die Motorwicklungen gegen Masse kurzgeschlossen werden. Solche Kurzschlüsse gegen Masse können aufgrund einer Verschlechterung der dielektrischen Festigkeit in der Isolierung durch Überlastung bei Temperatur oder Spannung über einen längeren Zeitraum auftreten. Alte Motoren und Kabel sind anfälliger für Erdschlussereignisse, die menschliche Bediener einem Stromschlagrisiko aussetzen können. Daher erfordert ein Erdschluss die Erkennung und Korrekturmaßnahmen, wie zum Beispiel das Neuwickeln oder Austauschen des Motors.

Abbildung 3 Erdschluss in Elektromotorantrieben.

Wie dargestellt in Abbildung 4, tritt ein Phase-Phase-Kurzschlussfehler auf, wenn zwischen zwei Wicklungen der beiden Phasen am Stator ein Isolationsbruch auftritt. Diese Phase-zu-Phase-Kurzschlüsse können aufgrund einer Verschlechterung der dielektrischen Stärke in der Isolierung durch Überlastungsbedingungen bei Temperatur oder Spannung über einen längeren Zeitraum auftreten. Dieser kurze Vorgang führt zu einem enormen Anstieg des Statorstroms, was zu potenziellen Schäden an den IGBTs in der Leistungsstufe führen kann. Alte Motoren und Kabel sind anfälliger für Phase-Phase-Kurzschlüsse. Wie Erdschluss-Fehler müssen auch Phase-zu-Phase-Fehler erkannt und korrigiert werden, z. B. durch Neuwickeln oder Austauschen des Motors.

Abbildung 4 Ein Phase-zu-Phase-Kurzschluss in Elektromotorantrieben.

Überspannung tritt aus mehreren Gründen auf – Rückeinspeisung vom Motor zur DC-Link-Schiene beim Bremsen, schlechte Regelung von anormalen Schaltungslasten der Wechselstromversorgung, Verdrahtungsfehler und Isolationsfehler. Überspannung kann zu Spannungsüberlastungen und Überstrom führen, die die DC-Link-Kondensatoren und IGBTs beschädigen, die elektrische Isolierung verschlechtern und ein Motorantriebssystem beschädigen oder dessen Lebensdauer verkürzen können. Es ist äußerst wichtig, die thermische Energie durch den IGBT zu begrenzen, indem der Shoot-through, Erdschluss und Phase-zu-Phase-Kurzschlüsse unterbrochen oder reduziert werden, sowie transiente Überspannungsbedingungen zu vermeiden.