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Power auf allen Ebenen

Antriebstechnik

Umrichter – Für hohe Geschwindigkeiten hat Sieb & Meyer eine Antriebslösung auf Basis der Drei-Level-Technologie entwickelt, die Motorverluste reduziert und weniger Störausstrahlung bringt. Anwender profitieren zudem von geringen System- und Betriebskosten.

12. Juni 2018

In der Antriebstechnik sind derzeit noch fast alle Frequenzumrichter und Servoverstärker auf Basis der Zwei-Level-Technologie aufgebaut. Das bedeutet, dass die Umrichter eine vorab aus der Netzwechselspannung gleichgerichtete DC-Spannung auf den Motor schalten, um eine Wechselspannung mit variabler Frequenz und Amplitude darzustellen. Dies erfolgt mit wechselnder Polarität auf zwei Stufen, sogenannten Leveln. Häufig wird dazu die Puls-Weiten-Modulation (PWM) eingesetzt.

Für motorische und generatorische Hochgeschwindigkeitsanwendungen mit hohen Ausgangsleistungen ist diese Standardtechnologie aber nicht mehr ausreichend. Darum gibt es Multi-Level-Umrichter, die mindestens eine weitere Spannungszwischenstufe aufweisen. Die Endstufentopologie unterscheidet sich dabei deutlich: Ein herkömmlicher dreiphasiger Zwei-Level-Umrichter benötigt sechs elektronische Leistungsschalter, ein Drei-Level-Umrichter bereits zwölf.

Multi-Level-Umrichter werden unter anderem in der Energieerzeugung verwendet. So ermöglichen sie zum Beispiel eine deutliche Effizienzsteigerung von rotierenden Energiespeichern (Flywheel) und Strömungsmaschinen wie Turboverdichtern und Kompressoren. Bei diesen Systemen gilt: Je höher die Drehzahlen, desto effizienter arbeiten sie. Jedoch waren auf dem Markt bislang kaum Umrichter für Ausgangsleistungen von mehr als 100 Kilowatt und Drehfeldfrequenzen bis 2.000 Hertz erhältlich – speziell wenn es darum geht, Synchronmotoren auch sensorlos zu regeln. Hier kommen Multi-Level-Frequenzumrichter in Spiel.

Nötig werden die neuartigen Umrichter wegen der in den Anlagen eingesetzten Hochgeschwindigkeitsmotoren. Diese generieren ihre Leistung über die Drehzahl und nicht über das Drehmoment. Überschlägig gilt: Das Rotorvolumen verändert sich analog zum Kehrwert der Drehzahlerhöhung, das heißt, bei zehnfachen Drehzahlen verringert sich das Rotorvolumen auf ein Zehntel. Dieser Umstand und die daraus resultierende Oberfläche ermöglichen aber nur eine eingeschränkte Wärmeabfuhr. Das wirkt sich vor allem dann negativ aus, wenn die Motoren im Vakuum oder mit Gasen mit geringer Wärmeleitfähigkeit betrieben werden.

Das anwendungsseitig benötigte Leistungs-Drehzahl-Verhältnis erfordert eine besondere Betrachtung des Motordesigns. Beim Rotor ist die zulässige Umfangsgeschwindigkeit zu beachten, bei der dazugehörigen Welle die biegekritischen Frequenzen. Um die nötigen Drehfeldfrequenzen erzeugen zu können, wurden bislang Zwei-Level-Frequenzumrichter eingesetzt, die die benötigte Ausgangsspannung mittels PWM erzeugen. In Abhängigkeit von der verwendeten Schaltfrequenz und der Induktivität des Motors ergibt sich dabei jedoch eine schaltfrequente Welligkeit (Stromrippel) des Motorstroms.

Hierbei ist zu beachten, dass sich die wirksame Motorinduktivität bei HG-Motoren ähnlich verhält wie das Rotorvolumen, sie sinkt also mit zunehmender Drehzahl. Entsprechend nimmt die Glättung des Stromrippels proportional zur geringeren Motorinduktivität ab. Das Problem: Diese hochfrequenten Stromanteile verursachen nicht vernachlässigbare Zusatzverluste im Motor – rund 90 Prozent der umrichterbedingten Verluste entstehen im Rotor. Diese Verluste wiederum resultieren in einer vermehrten Wärmeentwicklung und Lagerbelastung. Aufgrund der eingeschränkten Wärmeabfuhr beziehungsweise Kühlung müssen die Verluste im Motor und Rotor deshalb auf ein Maß reduziert werden, das einen sicheren Betrieb gewährleistet. Grenztemperaturen von Synchronrotoren liegen im Bereich von 90 bis 150 Grad Celsius.

Begrenzungen aufheben

Am Markt verfügbare Zwei-Level-Frequenzumrichter bieten im Leistungsbereich über 100 Kilowatt standardmäßig zulässige Schaltfrequenzen von vier oder sechs Kilohertz, da eine Zwischenkreisspannung bis 600 Volt Halbleiterschalter mit einer Sperrspannung von 1.200 Volt benötigt wird. Eine Erhöhung der Schaltfrequenzen ist aus technischen und wirtschaftlichen Gründen nicht zielführend, da die resultierenden höheren Schaltverluste eine überproportionale Erwärmung und Reduzierung der Stromtragfähigkeit verursachen. Basierend auf diesem Sachverhalt ist eine effektive Drehfeldfrequenz von maximal 600 bis 800 Hertz möglich, da die PWM-Frequenz zur Realisierung eines näherungsweise sinusförmigen Ausgangsstroms das Acht- bis Zehnfache der Drehfeldfrequenz betragen soll.

Im Fall eines Drei-Level-Frequenzumrichters, wie ihn Sieb & Meyer mit dem SD2M anbietet, ist eine Erhöhung der Schaltfrequenz aber möglich: Bei der Nutzung dieser Technologie müssen die einzelnen Halbleiterschalter nur noch die halbe Zwischenkreisspannung in Höhe von 300 Volt schalten, sodass Halbleiter mit einer Sperrspannung von 600 Volt möglich sind. Diese haben viel bessere Schalteigenschaften, so ist die resultierende Verlustleistung trotz Schaltfrequenzen von bis zu 32 Kilohertz beherrschbar. So lassen sich die harmonischen Stromanteile reduzieren, die umrichterbedingten Verluste im Rotor sind gering.

Neben der PWM-Schaltfrequenz ist auch der Spannungshub entscheidend, der mit dem PWM-Muster auf die Motorwicklungen beaufschlagt wird. Durch die Drei-Level-Technologie wird der Spannungshub halbiert, was in erster Näherung auch den Stromrippel nochmals um die Hälfte verringert. In der Folge stellen sich abermals wesentlich verringerte Wärmeeinträge im Rotor ein.

Insgesamt lassen sich mit Drei-Level-Umrichtern die im Rotor entstehenden Verluste um bis zu 75 Prozent reduzieren – bei gleicher PWM-Frequenz. So müssen in vielen Anwendungen weder Motorfilter noch Glättungsdrosseln zwischen Umrichter und Motor eingesetzt werden. Durch den Wegfall dieser zusätzlichen Komponenten ist das Gesamtsystem leichter, zudem lassen sich Kosten und Platzbedarf reduzieren. Anwender profitieren aber auch von einem optimierten Gesamtwirkungsgrad.

Dank der Drei-Level-Technologie wird auch das häufig gefürchtete »Teilentladungsproblem« so gut wie gegenstandslos. Da der Drei-Level-Umrichter bei jedem Schaltvorgang nur 50 Prozent der Spannungsamplitude nutzt, ist dieser Effekt selbst bei längeren Motorleitungen deutlich verringert und in fast allen Fällen zu vernachlässigen. mk

Erschienen in Ausgabe: Nr. 05 /2018