Für motorische und generatorische Hochgeschwindigkeitsanwendungen mit hohen Ausgangsleistungen sind die heute verfügbaren Umrichter-Standardtechnologien meist ungeeignet. Weil es für solche Umrichter aber gerade im Bereich der erneuerbaren Energien einen zunehmenden Bedarf gibt, entwickelt Sieb & Meyer derzeit eine Lösung auf Basis der Drei-Level-Technologie. Der SD2M gewährleistet geringe Rotorverluste, sodass sich die Lagerbelastung verringern und eine übermäßige Erwärmung des Motors vermeiden lässt.
Torsten Blankenburg ist Vorstand Technik Antriebstechnik bei der Sieb & Meyer AG
Sieb & Meyer widmet sich derzeit der Entwicklung eines innovativen Hochgeschwindigkeitsumrichters für den Leistungsbereich größer 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. Denn bislang waren auf dem Markt keine Umrichter für Ausgangsleistungen größer 100 kW und Drehfeldfrequenzen bis 2000 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, z. B. für Abwasseraufbereitungssysteme oder ORC-Anlagen zur Verstromung von Restenergie. Aber auch bei vielen anderen Hochgeschwindigkeitsanwendungen ist ein solcher Umrichter vorteilhaft – beispielsweise bei Werkzeugmaschinen mit Schleif-, Fräs- und Bohrspindeln oder Hochgeschwindigkeitsprüfständen.
Herausforderungen bei Wärmeabfuhr und Design
Die technischen Rahmenbedingungen sind komplex: Hochgeschwindigkeits-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 Gerhardt. In der Praxis bedeutet das beispielsweise für einen Synchronmotor mit 100 kW bei 60 000 min-1, dass die benötigte Leistungsdichte nur mithilfe eines 4-poligen Motordesigns realisierbar ist; es wird eine Drehfeldfrequenz von 2000 anstatt von 1000 Hz benötigt.
Lösungsansatz: 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 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.
Neben der PWM-Schaltfrequenz ist auch der Spannungshub entscheidend, der 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. „Im letzten Jahr haben wir die erste Ausbaustufe der neuen Gerätetechnologie mit einer Nennleistung von 160 kW präsentiert“, berichtet Gerhardt und kündigt an: „Gleichzeitig arbeiten wir bereits an einer Variante mit 250 kW, die Entwicklung schreitet hier gut voran.“ bec
INFO & KONTAKT
Sieb & Meyer AG
Rolf Gerhardt
Leiter Vertrieb Antriebselektronik
Auf dem Schmaarkamp 21
21339 Lüneburg
Tel.: 04131 203-1304
Detaillierte Informationen zum Antriebsverstärker mit 3-Level-Technologie
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