Antriebe

Erfolgsgeschichte der Intelligenten Power-Module

01.03.16 | Autor / Redakteur: Martin Schiel * / Margit Kuther

Bild 1: Aufbau eines typischen Frequenzumrichter-Antriebs
Bild 1: Aufbau eines typischen Frequenzumrichter-Antriebs (Bild: Fairchild)

Drehzahlvariable Antriebe mit Frequenzumrichtern ersetzen zunehmend einfache Antriebe mit fester Drehzahl. Grund dafür sind etwa neue Vorschriften. Lesen Sie, was es dabei zu beachten gilt.

Vorschriften wie die ErP-Direktive (Energy-related Products) der Europäischen Union nehmen die Hersteller von Elektromotoren in die Pflicht, Drehzahl und Leistungsabgabe an die jeweilige Last anzupassen. Ziel ist eine deutliche Verringerung der durchschnittlichen Leistungsaufnahme.

Die Wirkungsgradsteigerung von Elektromotoren bietet große Perspektiven, die Betriebskosten und die Umweltauswirkungen der Energieerzeugung zu reduzieren. Durch die Installation von Frequenzumrichtern und hocheffizienten Motoren könnten laut Untersuchungen von Siemens allein in der EU jährlich rund 43 TWh Energie gespart werden.

Kernstück eines jeden Frequenzumrichters ist der Wechselrichter. Der Wechselrichter eines Motors kann als diskrete Schaltung aus mehr als 20 Einzelbauelementen aufgebaut sein. Viele Hersteller von Leistungshalbleitern haben in letzter Zeit jedoch umfangreiche Mittel in die Erweiterung ihres Angebots an so genannten „Intelligent Power Modules“ (IPMs) investiert, die einen Großteil der Bauelemente für eine Wechselrichterschaltung in einem Gehäuse integrieren – vor allem die Leistungsschalter, Treiber und Schutzschaltungen.

Module sind sowohl in der Hochfrequenztechnik als auch in der Leistungselektronik ein erprobtes Konzept. Den Vorteilen der Module (kleine Abmessungen, hohe Leistungsfähigkeit, einfache Anwendung) stehen der höhere Preis und die eingeschränkte Flexibilität als Nachteile gegenüber. Mit ihrer neuesten Produktgeneration erreichen die IPM-Hersteller, dass das Pendel deutlich zugunsten der Vorteile ausschlägt. Sie erweitern ihr Angebot an Frequenzumrichtern und bieten Entwicklern eine Vielfalt an Optionen.

Energieeffizienz erhält höchste Priorität

Im Rahmen der 20/20-Initiative der EU (20 % weniger CO2-Emissionen bis zum Jahr 2020) werden die Vorgaben der 2009 erlassenen ErP-Direktive ständig verschärft. Für Standardmotoren mit einer Leistungsabgabe zwischen 0,75 kW und 375 kW gibt es vier Effizienzklassen von IE1 bis IE4, wobei IE4 nach der höchsten Effizienz verlangt.

Seit 2011 haben alle Elektromotoren mindestens die Bedingungen der Klasse IE2 zu erfüllen. Von 2015 an müssen Elektromotoren mit Leistungen von 7,5 kW bis 375 kW mindestens die Anforderung der Klasse IE3 erfüllen oder als Alternative IE2-Motor plus Frequenzumrichter. Diese Regelung gilt ab 2017 ebenfalls für Motoren mit Leistungen von 0,75 kW bis 7,5 kW.

Wie OEMs die ErP-Direktive mit Frequenzumrichter-Antrieb umsetzen können

Viele OEMs können die Anforderungen der ErP-Direktive umsetzen, indem sie die bisherigen Motoren mit fester Drehzahl durch einen neuen Frequenzumrichter-Antrieb ersetzen. Unzählige Produkte, die in den nächsten zwei Jahren neu auf den Markt kommen werden, gilt es mit einem neuen Frequenzumrichter-Antrieb auszustatten. Dabei ist die Bandbreite der Einsatzbeispiele umfangreich, denn sie erstreckt sich von Wechselstrommotoren bis hin zu Drehstrommotoren, wie die Beispiele zeigen.

Wechselstrommotoren:

  • < 100 W: Pumpen, Lüfter, Handhabungsgeräte, Kompressoren
  • 100 W - 2 kW: Elektrowerkzeuge, Weiße Ware, Rollladenantriebe, Universal- und Servoantriebe
  • 2 kW - 5 kW: Pumpen in Heizanlagen, Klimaanlagen

Drehstrommotoren:

  • 2 kW - 20 kW: Pumpen in Heizanlagen, Klimaanlagen, Förderanlagen, Universal- und Servoantriebe
  • > 20 kW: industrielle Anlagen

In allen diesen Frequenzumrichtern finden sich Wechselrichter (Bild 1), bei deren Entwicklung die meisten Designer ihr Hauptaugenmerk auf drei Punkte richten: Ein hoher Wirkungsgrad soll dem Motorhersteller bei der Einhaltung der einschlägigen Vorschriften wie der ErP-Direktive helfen. Kleine Abmessungen tragen durch Reduzierung des Gewichts eines Motors zu niedrigeren Materialkosten bei höherem Wirkungsgrad bei.

Außerdem verbraucht der Transport weniger Energie und es wird Platz für andere Zwecke frei. Nicht zuletzt kann die Motorregelung näher am Motor platziert werden, was die EMV-Verträglichkeit verbessert. Auch die hohe Zuverlässigkeit spielt eine wichtige Rolle, da diese für eine lange, vorhersagbare Nutzungsdauer sowie niedrige Rückruf- und Reparaturkosten steht.

Die Frage ist nun, wie gut ein IPM, gelegentlich auch als „Smart Power Module“ (SPM) oder „Small Low Losses Intelligent Moulded Module“ (SLLIMM) bezeichnet, die umrissenen Anforderungen erfüllt.

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