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Drei-Level-Frequenzumrichter reduziert die Motorverluste

Redakteur: Gerd Kucera

Die Drei-Level-Technologie des Umrichters SD2M mit Schaltfrequenzen bis 16 kHz sorgt für hohe Stromqualität. Dadurch hat der Motor weniger Verluste und eine zu starke Rotor-Erwärmung wird vermieden.

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Bild 1: Die Frequenzumrichter der SD2x-Serie sind auf hohe Drehfeldfrequenzen optimiert und gewährleisten eine nur geringe Motorerwärmung.
Bild 1: Die Frequenzumrichter der SD2x-Serie sind auf hohe Drehfeldfrequenzen optimiert und gewährleisten eine nur geringe Motorerwärmung.
(Bild: SIEB & MEYER)

Etwa 90% aller durch den Umrichter verursachten Motorverluste treten im Rotor der elektrischen Maschine auf und können eine schädliche Erwärmung erzeugen, erklärt Torsten Blankenburg, Vorstand Technik bei SIEB & MEYER: „Hinzu kommt, dass das typbedingt geringe Rotorvolumen eines Hochgeschwindigkeitsmotors zusätzliche Temperaturprobleme erzeugt. Die Regelungsverfahren der SD2x-Frequenzumrichter von SIEB & MEYER führen zu einem geringen Anteil an harmonischen Frequenzen im Motorstrom, die Ursache der unerwünschten Erwärmung. Die Verluste fallen im Vergleich zu anderen Produkten auf dem Markt um bis zu 90% geringer aus; die Erwärmung des Motors wird entsprechend reduziert.“

Als weitere Vorteile der geringeren Motortemperaturen sind eine höhere Lebensdauer der Kugellager sowie die positiven Auswirkungen auf die Bearbeitungsqualität angeführt. Wie lässt sich die Qualität der Motorströme verbessern? Blankenburg: „Dazu muss man wissen, dass alle Ströme, die von der idealen Sinusform abweichen, Verluste im Motor erzeugen. 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 schnell laufenden 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.“

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.

Schaltfrequenzerhöhung hat technische Grenzen

Eine andere Lösung 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.

Weniger Schaltverluste durch Drei-Level-Umrichter

Alternativ besteht die Möglichkeit, die Drei-Level-Technologie einzusetzen, auf der zum Beispiel der Frequenzumrichter SD2M basiert. Dabei werden die Leistungshalbleiter der Endstufen 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.

Bild 2: Im Vergleich sind die real gemessenen Qualitätsunterschiede im Motorstrom deutlich erkennbar. 
Es handelt sich hier um einen vierpoligen Synchronmotor mit einer max. Drehzahl von 27.000 1/min.
Bild 2: Im Vergleich sind die real gemessenen Qualitätsunterschiede im Motorstrom deutlich erkennbar. 
Es handelt sich hier um einen vierpoligen Synchronmotor mit einer max. Drehzahl von 27.000 1/min.
(Bild: SIEB & MEYER)

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 etwa 75 % reduzieren. Nutzt man nun beides, Drei-Level-Technologie und Schaltfrequenzerhöhung, lassen sich die im Rotor entstehenden Verluste sogar bis zu 90% senken, betont SIEB & MEYER. LC-Filter können dann häufig komplett entfallen.

Neue Gerätegeneration

Auf Basis der SD4x-Plattform entwickelt der FU-Hersteller eine Geräteserie mit neuen Schnittstellen und eine Reihe zusätzlicher Funktionen. Anwender sollen dann von höheren Drehzahlen und einer deutlich verbesserten Performance profitieren. SD4x-Geräte können aufgrund eines integrierten Lagereglers 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 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.“ Optimierte Leistung, höhere Drehzahlen sowie geringe Motorerwärmung ohne Sinusfilter sind wesentlichen Vorteile der SD4x-Produktserie, um bestehende Anwendungen zu verbessern und neue Einsatzbereiche zu erschließen.

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