Frequenzumrichter Frequenzumrichter mit Multi-Level-Technologie

Redakteur: Jan Vollmuth

Das Lüneburger Unternehmen entwickelt derzeit einen Freuquenzumrichter auf Basis der Drei-Level-Technologie. Der sogenannte SD2M gewährleistet geringe Rotorverluste, sodass sich die Lagerbelastung verringern und eine übermäßige Erwärmung des Motors vermeiden lässt.

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Der neue Frequenzumrichter SD2M von Sieb & Meyer ist für motorische und generatorische Hochgeschwindigkeits-Anwendungen mit hohen Ausgangsleistungen konzipiert.
Der neue Frequenzumrichter SD2M von Sieb & Meyer ist für motorische und generatorische Hochgeschwindigkeits-Anwendungen mit hohen Ausgangsleistungen konzipiert.
(Bild: Sieb & Meyer)

Sieb & Meyer steht seit 50 Jahren für Kompetenz in Antriebselektronik und Steuerungstechnik. Zum Erfolgsrezept der Lüneburger gehört auch, kontinuierlich neue Technologien zu erforschen – so widmet man sich derzeit der Entwicklung eines innovativen Hochgeschwindigkeits-Umrichters für den Leistungsbereich > 100 kW. Das Entwicklungsprojekt wird im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.

„Wir haben hier eine Marktlücke erkannt“, erläutert Rolf Gerhardt, Leiter Vertrieb Antriebselektronik bei SIEB & MEYER. Denn bislang waren auf dem Markt keine Umrichter für Ausgangsleistungen > 100 kW und Drehfeldfrequenzen bis 2.000 Hz erhältlich – und erst recht keine Lösungen, die auch Synchronmotoren sensorlos regeln konnten. Gerade im Zuge der Energiewende werden solche Systeme aber benötigt: Schließlich ermöglichen sie eine deutliche Effizienzsteigerung von rotierenden Energiespeichern (Flywheel) und Strömungsmaschinen wie Turboverdichtern und Kompressoren, zum Beispiel für Abwasseraufbereitungssysteme oder ORC-Anlagen zur Verstromung von Restenergie.

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Herausforderungen bei Wärmeabfuhr und Motordesign

Die technischen Rahmenbedingungen sind komplex: Hochgeschwindigkeits (HG)-Motoren generieren ihre Leistung über die Drehzahl und nicht über das Drehmoment. Überschlägig gilt: Das Rotorvolumen verändert sich analog zum Kehrwert der Drehzahlerhöhung, d.h. bei 10-fachen Drehzahlen verringert sich das Rotorvolumen auf ein Zehntel. Daraus ergibt sich ein Problem – denn das geringe Rotorvolumen und die daraus resultierende Rotoroberfläche ermöglichen nur eine eingeschränkte Wärmeabfuhr. Das wirkt sich vor allem dann negativ aus, wenn die Motoren im Vakuum oder Gasen mit geringer Wärmeleitfähigkeit betrieben werden.

Das anwendungsseitig benötigte Leistungs-/Drehzahlverhältnis erfordert aber auch eine besondere Betrachtung des Motordesigns. „Beim Rotor muss die zulässige Umfangsgeschwindigkeit beachtet werden, bei der dazugehörigen Welle die biegekritischen Frequenzen“, erklärt Rolf Gerhardt. In der Praxis bedeutet das zum Beispiel für einen Synchronmotor mit 100 kW bei 60.000 1/min, dass die benötigte Leistungsdichte nur mittels eines 4-poligen Motordesigns realisierbar ist; es wird eine Drehfeldfrequenz von 2.000 Hz anstatt von 1.000 Hz benötigt.

Erhöhung der Schaltfrequenz

Um die nötigen Drehfeldfrequenzen erzeugen zu können, wurden bislang Zwei-Level-Frequenzumrichter eingesetzt, die die benötigte Ausgangsspannung mittels Pulsweiten-Modulation (PWM) erzeugen. In Abhängigkeit von der verwendeten Schaltfrequenz und der Induktivität des Motors ergibt sich dabei jedoch eine schaltfrequente Welligkeit (Stromrippel) des Motorstroms. Eine Erhöhung der Schaltfrequenzen könnte das Problem lösen – im Fall von Zwei-Level-Frequenzumrichtern ist das jedoch aus technischen und wirtschaftlichen Gründen nicht zielführend. „Im Fall eines Drei-Level-Frequenzumrichters ist eine Erhöhung der Schaltfrequenz aber möglich“, sagt Rolf Gerhardt. „Und genau das ist unser Lösungsansatz.“

Bei der Nutzung dieser Technologie müssen die einzelnen Halbleiterschalter nur noch die halbe Zwischenkreisspannung in Höhe von 300 V schalten, sodass Halbleiter mit einer Sperrspannung von 600 V zum Einsatz kommen können. Diese Halbleitertypen haben signifikant bessere Schalteigenschaften, entsprechend ist die resultierende Verlustleistung trotz Schaltfrequenzen von bis zu 32 kHz beherrschbar. So lassen sich die harmonischen Stromanteile reduzieren, die umrichterbedingten Verluste im Rotor sind gering.

Spannungshub ist ebenfalls entscheidend

Neben der PWM-Schaltfrequenz ist auch der Spannungshub entscheidend, welcher mit dem PWM-Muster auf die Motorwicklungen beaufschlagt wird. Durch die Drei-Level-Technologie wird der Spannugshub 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.

Die Firmware des neuen SD2M basiert auf der bewährten Serie SD2S von SIEB & MEYER. Die Multi-Level-Technologie machte es jedoch notwendig, die bestehenden Regelungsalgorithmen und -modelle für den sensorlosen Betrieb von Synchronmotoren anzupassen. Diese Softwareteile wurden also nennenswert strukturell und codeseitig angepasst. Die hardwareseitig realisierten Schnittstellen wurden firmwareseitig implementiert. „Auf der SPS/IPC/Drives präsentieren wir die erste Ausbaustufe der neuen Gerätetechnologie mit einer Nennleistung von 160 kW“, kündigt Rolf Gerhardt an. „Gleichzeitig arbeiten wir bereits an einer Variante mit 250 kW, die Entwicklung schreitet hier gut voran.“ (lz)

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