Neues Konzept sorgt für Effizienz

Für motorische und generatorische Hochgeschwindigkeits-Anwendungen mit hohen Ausgangsleistungen sind heute verfügbare Umrichter-Standardtechnologien nicht ausreichend. Da es für solche Umrichter aber gerade im Bereich der erneuerbaren Energien einen zunehmenden Bedarf gibt, hat das Lüneburger Unternehmen Sieb & Meyer eine Lösung auf Basis der Drei-Level-Technologie entwickelt. Der sogenannte SD2M soll geringe Rotorverluste gewährleisten, sodass sich die Lagerbelastung verringern und eine übermäßige Erwärmung des Motors vermeiden lässt.

„Wir haben hier eine Marktlücke erkannt“, erläutert Rolf Gerhardt, Leiter Vertrieb Antriebselektronik bei Sieb & Meyer. Denn bislang seien auf dem Markt keine Umrichter für Ausgangsleistungen von mehr als 100 kW sowie Drehfeldfrequenzen bis 2000 Hz erhältlich gewesen – und erst recht keine Lösungen, die auch Synchronmotoren sensorlos regeln konnten. Gerade im Zuge der Energiewende werden solche Systeme aber benötigt: Sie ermöglichen eine deutliche Effizienzsteigerung von rotierenden Energiespeichern (Flywheel) und Strömungsmaschinen wie Turboverdichtern und Kompressoren, zum Beispiel für Abwasseraufbereitungssysteme oder ORC-Anlagen zur Verstromung von Restenergie.

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. Das heißt: Bei zehnfachen Drehzahlen verringert sich das Rotorvolumen auf ein Zehntel. Daraus ergibt sich ein Problem, denn das geringe Rotorvolumen und die daraus resultierende Rotoroberfläche ermöglichen lediglich 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 zum Beispiel für einen Synchronmotor mit 100 kW bei 60 000 1/min, dass die benötigte Leistungsdichte nur mit Hilfe eines vierpoligen Motordesigns realisierbar ist. Es wird eine Drehfeldfrequenz von 2000 anstatt von 1000 Hz benötigt.

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 laut Gerhardt deutlich bessere Schalteigenschaften. Entsprechend sei die resultierende Verlustleistung trotz Schaltfrequenzen von bis zu 32 kHz beherrschbar. So ließen sich die harmonischen Stromanteile reduzieren. Die umrichterbedingten Verluste im Rotor seien gering.

Neben der PWM-Schaltfrequenz ist auch der Spannungshub entscheidend, welcher mit dem PWM-Muster auf die Motorwicklungen beaufschlagt wird. Durch die Drei-Level-Technologie soll der Spannugshub nach Herstellerangaben halbiert werden, was in erster Näherung auch den Stromrippel nochmals um die Hälfte verringere. In der Folge sollen sich abermals wesentlich verringerte Wärmeeinträge im Rotor einstellen.

Die Firmware des 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 sind firmwareseitig implementiert. Die erste Ausbaustufe mit einer Nennleistung von 160 kW wurde bereits auf letzten SPS IPC Drives in Hannover präsentieren. Folgen soll demnächst eine Variante mit 250 kW. (ah) •