Frequenzumrichter Was kann die Multi-Level-Technologie?

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Hochgeschwindigkeitsanwendungen mit hohen Ausgangsleistungen bringen gängige Frequenzumrichter an ihre Grenzen. Sieb & Meyer hat nun eine Lösung basierend auf der Drei-Level-Technologie entwickelt. Mehr dazu.

Mit den SD2M/SD4M-Serien der Hochgeschwindigkeitsspezialisten lassen sich Motorverluste, elektromagnetische Störausstrahlung und Isolationsbeanspruchung deutlich reduzieren. Der folgende Artikel beantwortet die wichtigsten Fragen zur Funktionsweise und zum Einsatz der Technologie.

Wie funktioniert ein Multi-Level-Frequenzumrichter?

Ein Großteil der Frequenzumrichter, die heute in der Antriebstechnik zum Einsatz kommen basieren auf der Zwei-Level-Technologie. Das bedeutet, dass die Umrichter eine vorab aus der Netzwechselspannung gleichgerichtete DC-Spannung in eine Wechselspannung mit variabler Frequenz und Amplitude umwandeln, die dann einen Motor mit regelbarer Drehzahl antreibt. Die Erzeugung der Wechselspannung erfolgt mit wechselnder Polarität – Plus und Minus – auf zwei Stufen (Level). Häufig wird dazu die Modulationsart PWM (Puls-Weiten-Modulation) eingesetzt. Multi-Level-Umrichter verfügen über mindestens eine weitere Spannungs-Zwischenstufe. Dafür ist eine deutlich andere Endstufen-Topologie notwendig. Während ein dreiphasiger Zwei-Level-Umrichter sechs elektronische Leistungsschalter (Transistoren) benötigt, braucht ein Drei-Level-Umrichter bereits zwölf Schalter.

Wo kommen Multi-Level-Umrichter zum Einsatz?

Multi-Level-Umrichter ermöglichen unter anderem eine deutliche Effizienzsteigerung von Strömungsmaschinen, etwa Turboverdichter und Kompressoren, sowie von rotierenden Energiespeichern und ORC-Anlagen zur Verstromung von Restenergie. Die Effizienz dieser Systeme steigt mit ihrer Drehzahl. Jedoch gab es bislang kaum Umrichter für Ausgangsleistungen >100 Kilowatt und Drehfeldfrequenzen bis 2000 Hertz – vor allem, wenn es um die sensorlose Regelung von Synchronmotoren ging. Diese Lücke schließt die Multi-Level-Technologie.

Welche Anforderungen stellen HG-Motoren an die Umrichter-Technologie?

In den oben beschriebenen Anwendungen kommen Hochgeschwindigkeitsmotoren (HG-Motoren) zum Einsatz, die ihre Leistung über die Drehzahl und nicht über das Drehmoment generieren. Überschlägig gilt: Das Rotorvolumen verändert sich analog zum Kehrwert der Drehzahlerhöhung. Das heißt, bei zehnfacher Drehzahl verringert sich das Rotorvolumen auf ein Zehntel. Daraus wiederum resultiert eine eingeschränkte Wärmeabfuhr. Dieser Aspekt verstärkt sich, wenn die Motoren im Vakuum oder Gasen mit geringer Wärmeleitfähigkeit betrieben werden. Deshalb müssen die eingesetzten Frequenzumrichter Motorverluste und damit verbundene Wärmeentwicklung weitestgehend reduzieren.

Wie beeinflussen hohe Drehzahlen das Motordesign?

Auch das Motordesign muss an das anwendungsseitig benötigte Leistungs/Drehzahl-Verhältnis angepasst werden. Dabei ist die zulässige Umfangsgeschwindigkeit des Rotors ebenso zu beachten wie die biegekritischen Frequenzen der zugehörigen Welle. Für einen Synchronmotor mit 100 Kilowatt bei 60.000 Umdrehungen pro Minute bedeutet das beispielsweise, dass die benötigte Leistungsdichte nur mit einem 4-poligen Motordesign realisiert werden kann. Ein 2-poliges Design würde aufgrund der schlechteren Verteilung des magnetischen Feldes und der damit verbundenen unsymmetrischen Magnetausnutzung ein um das 1,5-fach größeres Rotorvolumen erfordern. Jedoch wäre die daraus resultierende Wellenlänge aufgrund von biegekritischen Frequenzen nicht realisierbar. Folglich wird für den Betrieb mit 60.000 Umdrehungen pro Minute eine Drehfeldfrequenz von 2000 anstatt von 1000 Hertz benötigt, was die Nutzung eines Hochgeschwindigkeitsumrichters notwendig macht.

Welchen Einfluss haben hohe Drehzahlen auf die Motorverluste?

Bislang wurden hier Zwei-Level-Frequenzumrichter eingesetzt, die die benötigte Ausgangsspannung mittels PWM erzeugen. Hier ergibt sich jedoch in Abhängigkeit von der verwendeten Schaltfrequenz und der Induktivität des Motors eine schaltfrequente Welligkeit (Stromrippel) des Motorstroms: Die wirksame Motorinduktivität sinkt bei HG-Motoren mit zunehmender Drehzahl, und die Glättung der Stromrippel nimmt proportional ab. Die hochfrequenten Stromanteile verursachen Zusatzverluste im Motor, die wiederum zu einer vermehrten Wärmeentwicklung und Lagerbelastung führen. Diese müssen auf ein Maß reduziert werden, das einen sicheren Betrieb gewährleistet.

Warum sind die Schaltfrequenzen bei Zwei-Level-Frequenzumrichtern begrenzt?

Verfügbare Zwei-Level-Frequenzumrichter bieten im Leistungsbereich >100 Kilowatt standardmäßig zulässige Schaltfrequenzen von vier bzw. sechs Kilohertz, da für eine Zwischenkreisspannung bis 600 Volt Halbleiterschalter (IGBTs) mit einer Sperrspannung von 1200 Volt benötigt werden. Höhere Schaltfrequenzen sind aus technischen und wirtschaftlichen Gründen nicht sinnvoll, denn die daraus resultierenden höheren Schaltverluste verursachen eine überproportionale Erwärmung und reduzieren die Stromtragfähigkeit. Entsprechend 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.

Warum ermöglicht die Drei-Level-Technologie höhere Schaltfrequenzen?

Drei-Level-Frequenzumrichter ermöglichen höhere Schaltfrequenzen, da die einzelnen Halbleiterschalter nur noch die halbe Zwischenkreisspannung in Höhe von 300 Volt schalten. Entsprechend können Halbleiter mit einer Sperrspannung von 600 Volt zum Einsatz kommen. Diese Halbleitertypen haben signifikant bessere Schalteigenschaften, sodass die resultierende Verlustleistung – trotz Schaltfrequenzen von bis zu 32 Kilohertz – beherrschbar ist.

Wie weit lassen sich Motorverluste mittels Drei-Level-Technologie reduzieren?

Entscheidenden Einfluss auf die Motorverluste hat neben der PWM-Schaltfrequenz auch der Spannungshub, der mit dem PWM-Muster auf die Motorwicklungen beaufschlagt wird. Dieser halbiert sich mit dem Einsatz der Drei-Level-Technologie, was in erster Näherung auch den Stromrippel nochmals um die Hälfte verringert. Daraus resultieren wiederum wesentlich reduzierte Wärmeeinträge im Rotor. Bei gleicher PWM-Frequenz lassen sich durch den Einsatz von Drei-Level-Umrichtern die im Rotor entstehenden Verluste um bis zu 75 Prozent verringern. Entsprechend kann bei vielen Anwendungen auf Motorfilter oder Glättungsdrosseln verzichtet werden. Darüber hinaus profitiert der Anwender von einem optimierten Gesamtwirkungsgrad.

Funktion „Flying Restart“

Drive Controller SD4x erhalten eine sensorlose Fangschaltung

Wie verringert die Drei-Level-Technologie die Isolationsbeanspruchung?

Die Drei-Level-Technologie löst auch das „Teilentladungsproblem“. Dieses steht für die schleichende Zerstörung der Stator-Isolation aufgrund von Spannungsspitzen am Motor – erzeugt durch die Schaltflanken der Leistungstransistoren. Relevant für diesen Effekt ist neben der Länge der Motorleitung in erster Linie die Amplitude der Spannungssprünge. Da der Drei-Level-Umrichter bei jedem Schaltvorgang nur 50 Prozent der Spannungsamplitude nutzt, wird das Teilentladungsproblem selbst bei längeren Motorleitungen deutlich verringert.

Was bietet die SD4M-Serie von Sieb & Meyer?

Bei der Entwicklung der SD4M-Serie hat Sieb & Meyer Erprobtes mit neuster Regelungs- und Kommunikationstechnik kombiniert. Die Drei-Level-Technologie des SD4M liefert in der Kombination mit geräteabhängigen Schaltfrequenzen bis zu 32 Kilohertz eine sehr gute Stromqualität und sorgt so für geringste Motorverluste und einen entsprechend hohen Wirkungsgrad. Die SD4M-Varianten stehen für einen Leistungsbereich von 70 bis 490 Kilowatt bzw. für 120 bis 800 Ampere Nennstrom zur Verfügung.