Eine möglichst geringe Motorerwärmung ist das A und O beim Betrieb von Hochgeschwindigkeitsmotoren. Die Frequenzumrichter aus der SD4x-Produktfamilie von Sieb & Meyer reduzieren umrichterbedingte Motorverluste, was zu einer geringerer Motorerwärmung und einem verbesserten Systemwirkungsgrad führt. Durch geeignete Regelungsverfahren und eine durchdachte Topologie ermöglichen die High-Speed-Umrichter der Lüneburger Hochgeschwindigkeits-Spezialisten Motorströme mit geringem harmonischen Frequenzanteilen. Verglichen mit Wettbewerbsprodukten sind die Verluste um bis zu 90 Prozent reduziert, was zu einer entsprechenden Verringerung der Motorerwärmung führt. Die geringeren Temperaturen verlängern wiederum die Lebensdauer der typischerweise bei Bearbeitungsspindeln zum Einsatz kommenden Kugellager und verbessern die Bearbeitungsqualität.
Das Ziel: Die perfekte Sinuskurve
Doch wie genau lässt sich der Motorstrom in der gewünscht hohen Qualität erzeugen? „Dazu muss man wissen, dass alle Ströme, die von der idealen Sinusform abweichen, Verluste im Motor erzeugen“, erläutert Torsten Blankenburg, Technikvorstand von Sieb & Meyer . „Dieser Motorstromanteil wird durch den Umrichter erzeugt und stellt sich als sogenannter Rippelstrom dar, der den sinusförmigen Motorstrom überlagert.“ Der auftretende Rippelstrom hängt maßgeblich von der Schaltfrequenz, der Umrichter-DC-Spannung und vor allem von der Motorinduktivität ab. Geringe Induktivitäten verursachen erhebliche Rippelströme. Das ist besonders bei schnelllaufenden Synchronmotoren problematisch, da diese naturgemäß niedrige Induktivitäten aufweisen. Die resultierende Rotorerwärmung kann große Auswirkungen auf die Rotorstabilität, die Permanentmagnete sowie die Lagerung haben. Besonders bei hohen Nenndrehzahlen des Motors manifestieren sich diese Probleme.
Als eine Gegenmaßnahme wird bei Standard-Umrichtern mit Zwei-Level-Puls-Weiten-Modulation (PWM) und niedriger Schaltfrequenz oft auf LC-Filter zurückgegriffen. Diese maßgeschneiderten Lösungen basieren auf passiven elektronischen Komponenten und erlauben entweder die Dämpfung der Schaltflanken des ausgegebenen Pulsmusters durch du/dt-Filter oder sogar die Annäherung an sinusförmige Motorspannungen und Ströme. Der Einsatz von LC-Filtern geht jedoch mit zusätzlichen Kosten, erhöhtem Platzbedarf, zusätzlichem Gewicht und Wirkungsgradverlusten einher. Zudem kostet die vorab erforderliche Auslegung der Filter für die spezifische Applikation Zeit und Flexibilität.
Die Lösung: Drei-Level-Technologie und Schaltfrequenzerhöhung
Eine weitere Option besteht darin, die Schaltfrequenz für die PWM zu erhöhen. Dabei gilt die Faustregel, dass eine Verdoppelung der Frequenz den Rippelstrom um die Hälfte reduziert. Dieser Möglichkeit sind allerdings technische und wirtschaftliche Grenzen gesetzt. Zum einen sind hochfrequente Leistungstransistoren im höheren Spannungsbereich kostspieliger. Zum anderen steigen die Schaltverluste in der Endstufe drastisch an, was sich nachteilig auf den Wirkungsgrad und Kühlungsaufwand auswirkt. Zudem reagieren nicht alle Motoren positiv auf eine Erhöhung der Schaltfrequenz. In bestimmten Fällen, insbesondere bei Synchronmotoren ohne Segmentierung der Permanentmagnete, führt eine Frequenzerhöhung baubedingt nur zu marginalen Verbesserungen der Motorverluste.
Alternativ kann die Drei-Level-Technologie eingesetzt werden, die beispielsweise im SD4M von Sieb & Meyer implementiert ist. Die Leistungshalbleiter der Endstufen werden dabei im Vergleich zur Zwei-Level-Technologie nur mit der Hälfte der Spannung beaufschlagt. Dies ermöglicht den Einsatz von Leistungshalbleitern, die für niedrigere Spannungen ausgelegt sind und somit (technologiebedingt) schneller schalten können. Das Ergebnis: In der Endstufe treten weniger Schaltverluste auf, und die Schaltfrequenz lässt sich erheblich steigern. Gleichzeitig wird der Motor im Vergleich zur Zwei-Level-Technologie nur mit 50 Prozent der Spannungssprünge belastet. Durch den Einsatz der Drei-Level-Technologie lassen sich die im Rotor auftretenden Verluste um etwa 75 Prozent verringern. Bei kombinierter Anwendung von Drei-Level-Technologie und Schaltfrequenzerhöhung können die Rotorverluste sogar um bis zu 90 Prozent reduziert werden, was LC-Filter in vielen Fällen überflüssig macht.
Verbesserte Effizienz von klimafreundlichen Applikationen
Wie sich der Einsatz der Frequenzumrichter von Sieb & Meyer in der Praxis auf Effizienz, Wirkungsgrad, CO2-Emissionen und Kosten auswirkt, zeigt unter anderem das Beispiel einer Abwasseraufbereitungsanlage, die mit Turboverdichtern oder Turbokompressoren belüftet wird. Die Hauptcharakteristik dieser Anwendung ist der Rund-um-die Uhr-Betrieb der Verdichter bzw. Kompressoren an 365 Tagen im Jahr. Entsprechend ist die Anlageneffizienz ein wichtiges Thema, eine möglichst geringe Motorerwärmung die große Herausforderung. Sieb & Meyer löst diese Anforderungen mit seinem SD4M mit Multilevel-Endstufe. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Turboverdichter bzw. -kompressoren um mehrere Prozentpunkte erhöht werden.