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Frequenzumrichter Motorerwärmung von vornherein verhindern

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Dank der Drei-Level-Technologie reduzieren Frequenzumrichter von Sieb & Meyer umrichterbedingte Motorverluste und verhindern so schädliche Motorerwärmung.

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Die Frequenzumrichter der SD2x-Produktfamilie sind spezialisiert auf hohe Drehfeldfrequenzen und gewährleisten eine geringe Motorerwärmung.
Die Frequenzumrichter der SD2x-Produktfamilie sind spezialisiert auf hohe Drehfeldfrequenzen und gewährleisten eine geringe Motorerwärmung.
(Bild: Sieb&Meyer)

Ca. 90 % aller durch den Umrichter verursachten Verluste treten im Rotor auf und können für den Motor schädliche Erwärmung erzeugen“, erläutert Torsten Blankenburg, Vorstand Technik der Sieb & Meyer AG. „Hinzu kommt, dass das typbedingt geringe Rotorvolumen eines Hochgeschwindigkeitsmotors zusätzliche Temperaturprobleme erzeugt.“

Problem erkannt, Problem gebannt

Die Regelungsverfahren der SD2x-Frequenzumrichter von Sieb & Meyer führen zu einem geringen Anteil an harmonischen Frequenzen im Motorstrom. Die Verluste fallen im Vergleich zu Wettbewerbsprodukten um bis zu 90 % geringer aus; die Erwärmung des Motors wird entsprechend reduziert. Weitere Vorteile der geringeren Motortemperaturen sind eine höhere Lebensdauer der Kugellager sowie die positiven Auswirkungen auf die Bearbeitungsqualität.

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Qualität der Motorströme verbessern

Doch was genau sind die Hintergründe und wie lässt sich die Qualität der Motorströme verbessern? „Dazu muss man wissen, dass alle Ströme, die von der idealen Sinusform abweichen, Verluste im Motor erzeugen“, so Blankenburg. „Dieser Motorstromanteil wird durch den Umrichter erzeugt und stellt sich als sogenannter Ripple-Strom dar, der den sinusförmigen Motorstrom überlagert.“ Der sich einstellende Ripple-Strom ist abhängig von der Schaltfrequenz, der Umrichter-DC-Spannung und – ganz entscheidend – von der Motorinduktivität.

Kleine Induktivitäten führen zu großen Ripple-Strömen, was insbesondere bei schnelllaufenden Synchronmotoren sehr ungünstig ist, da diese physikalisch bedingt sehr kleine Induktivitäten haben. Die entstehende Rotorerwärmung kann extreme Auswirkungen auf die Rotorstabilität, die Permanentmagnete und die Lagerung haben. Die Probleme treten vor allem bei hohen Nenndrehzahlen des Motors auf.

Was der Einsatz von LC-Filtern bringt

Um dies zu vermeiden, werden bei Standard-Umrichtern mit Zwei-Level-Puls-Weiten-Modulation (PWM) und niedriger Schaltfrequenz häufig LC-Filter eingesetzt. Diese aus passiven elektronischen Komponenten individuell zusammengesetzten Lösungen ermöglichen es, entweder nur die Schaltflanken des vom Umrichter ausgegebenen Pulsmusters zu entschärfen (du/dt-Filter) oder sogar annäherungsweise sinusförmige Motorspannungen und Ströme zu erreichen. Wer LC-Filter einsetzt, muss jedoch mit zusätzlichen Kosten, zusätzlichem Platzbedarf und Gewicht sowie Einbußen im Wirkungsgrad rechnen. Auch gilt es, LC-Filter vorab für die jeweilige Applikation auszulegen – das kostet Zeit und Flexibilität.

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Das Buch Antriebspraxis enthält die Gesamtschau der eingesetzten Antriebe mit fester oder variabler Drehzahl, die energiesparend und vernetzt arbeiten. Es erklärt sowohl die Arbeitsweise der Komponenten als auch ihr Zusammenwirken im Antriebssystem bis hin zur Vernetzung in betrieblichen und globalen Netzen.

Drei-Level-Technologien und Schaltfrequenzerhöhung

Eine weitere Lösungsmöglichkeit besteht darin, die Schaltfrequenz für die PWM zu erhöhen. Wird sie verdoppelt, reduziert sich der Ripple-Strom in der Regel um die Hälfte. Technisch wie wirtschaftlich hat dies allerdings seine Grenzen:

  • Zum einen sind schnell schaltende Leistungstransistoren im höheren Spannungsbereich teurer.
  • Aber auch die Schaltverluste in der Endstufe nehmen extrem zu, was sich sehr ungünstig auf den Wirkungsgrad und damit auch den Kühlungsaufwand auswirkt.
  • Außerdem reagieren nicht alle Motoren positiv auf eine Schaltfrequenzerhöhung. Baubedingt kommt es vor, dass eine Erhöhung der Schaltfrequenz nur sehr wenig Verbesserungen in den Motorverlusten bringt. Dies ist hauptsächlich der Fall, wenn es sich um Synchronmotoren handelt, in denen keine Segmentierung der Permanentmagnete vorliegt.

Drei-Level-Technologie senkt Verluste um 75 %

Alternativ besteht die Möglichkeit, die Drei-Level-Technologie einzusetzen, auf der zum Beispiel der Frequenzumrichter SD2M basiert. Dabei werden die Leistungshalbleiter der Endstufen technologiebedingt nur mit der Hälfte der Spannung beaufschlagt, wie sie bei der Zwei-Level-Technologie vorkommen. Somit ist es möglich, mit Leistungshalbleitern zu arbeiten, die für wesentlich geringere Spannungen ausgelegt sind und damit (technologiebedingt) auch noch schneller schalten. Das Resultat: In der Endstufe entstehen weniger Schaltverluste und die Schaltfrequenz lässt sich deutlich erhöhen.

Gleichzeitig wird der Motor im Vergleich zur Zwei-Level-Technologie nur mit 50 % der Spannungssprünge belastet. Allein durch den Einsatz der Drei-Level-Technologie lassen sich die im Rotor entstehenden Verluste um ca. 75 % reduzieren. Nutzt man nun beides, Drei-Level-Technologie und Schaltfrequenzerhöhung, lassen sich die im Rotor entstehenden Verluste um bis zu 90 % senken. LC-Filter können dann häufig komplett entfallen.

Eine neue Gerätegeneration auf dem Vormarsch

So weit, so gut – aber es wird noch besser: Sieb & Meyer hat vor kurzem die neue Entwicklungsplattform SD4x vorgestellt, auf deren Basis das Unternehmen ab sofort eine zukunftsfähige Geräteserie entwickeln wird. Die Geräte unterstützen neue Schnittstellen und bieten eine Reihe von zusätzlichen Funktionen. Anwender werden von höheren Drehzahlen und einer deutlich verbesserten Performance profitieren. SD4x-Geräte können dank eines integrierten Lagereglers jetzt auch eigenständige hochgenaue Positionierungen durchführen; Drehzahl- und Stromregler bleiben gegenüber der SD2x-Reihe konstant.

„Unser Ziel bei diesen Geräten ist es, hochdrehende Motoren dynamisch und mit noch weniger Verlustleistung anzutreiben“, so Blankenburg. „Deshalb unterstützen wir nun auch PWM-Schaltfrequenzen von 24 und 32 kHz.“ Für eine noch feinere Modulierung des sinusförmigen Signals ist eine Kommutierungswinkel-Steuerung nun auch 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 einen Bruchteil minimiert werden.

„Die optimierte Performance, höhere Drehzahlen sowie die geringe Motorerwärmung ohne Sinusfilter – das sind die wesentlichen Vorteile der SD4x-Produktfamilie“, fasst Blankenburg zusammen. „Die Verbesserungen werden es möglich machen, die Produktionsqualität bei bestehenden Anwendungen zu verbessern und darüber hinaus ganz neue Einsatzbereiche zu erschließen.“

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SD2M: Umrichter mit Drei-Level-PWM

Der Frequenzumrichter SD2M mit Drei-Level-Technologie konnte in den wenigen Jahren seit seiner Einführung bereits eine schöne Erfolgsgeschichte schreiben: So hat Sieb & Meyer zum Beispiel im Bereich der Hochgeschwindigkeits-Strömungsmaschinen – Turboblower, Turbokompressoren und Turbogeneratoren – zahlreiche Neukunden für das Seriengeschäft gewonnen. Der Frequenzumrichter SD2M ist aber weiterhin auch die erste Wahl für Anwendungen in Werkzeugmaschinen oder Prüfständen, wo er mit Höchstleistung bei wenig Platzbedarf, geringen Systemkosten und einem hohen Wirkungsgrad überzeugt. Die innovative Drei-Level-Technologie des Frequenzumrichters SD2M ist für Ausgangsleistungen bis 432 kVA und Drehfeldfrequenzen bis 2.000 Hz konzipiert.

Als Basis für kundenspezifische Entwicklungen hat Sieb & Meyer den SD2M vor kurzem leistungsseitig nochmals erweitert. So ist es nun möglich, individuelle Kundenlösungen mit Motorströmen von bis zu 650 A zu realisieren – wahlweise auf Grundlage einer Luft- bzw. Flüssigkeitskühlung.

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