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Im internationalen Vergleich nimmt Deutschland heute bei den Energiepreisen eine Spitzenstellung ein“, erklärt Torsten Blankenburg, CTO bei Sieb & Meyer „Das ist eine starke Motivation, die Effizienz von Industrieprozessen zu verbessern und dabei gleichzeitig Kosten und CO2 einzusparen. Hinzu kommt der CO2-Preis, der in Zukunft immer weiter steigen wird. Das heißt, letztendlich sind die beiden Treiber für eine CO2-Reduzierung wirtschaftliche und natürlich umwelttechnische Betrachtungen“, sagt Blankenburg.
Durch den immer noch hohen Anteil von Kohlestrom im hiesigen Energie-Mix lagen die CO2-Emissionen pro kWh in Deutschland im Jahr 2022 laut Berechnungen des unabhängigen Energie-Think-Tanks Ember bei 385 g CO2/kWh. Zum Vergleich: Die USA rangieren mit 367 g/kWh knapp darunter, China mit 531 g/kWh deutlich darüber. Ein Unternehmen kann anhand dieses Wertes die künftigen CO2-Kosten seiner Prozesse quantifizieren und für die Zukunft kalkulieren. Auf der anderen Seite lassen sich Investitionen in eine Verbesserung der Effizienz wirtschaftlich beurteilen und der Return of Investment abschätzen.
Vorteile der neuen Frequenzumrichter-Familie
Mit der SD4x-Frequenzumrichter-Familie für Hochgeschwindigkeitsanwendungen leistet Sieb & Meyer einen direkten Beitrag, den Wirkungsgrad verschiedener Applikationen deutlich zu verbessern und dadurch am Ende bares Geld zu sparen.
Blankenburg sagt: „Unsere Frequenzumrichter reduzieren die Motorerwärmung und erhöhen gleichzeitig den System-Wirkungsgrad um mehrere Prozentpunkte. Zum Beispiel im Fall einer 200-kW-Applikation konnte eine Wirkungsgradsteigerung von etwa 2 % erreicht werden. Dies bedeutet im 24/7-Betrieb 39 MWh pro Jahr und entsprechend 10.000 € bei einem Strompreis von 0,26 € pro kWh. Gleichzeitig emittiere ich 15 Tonnen weniger CO2. Das bedeutet bei einer CO2-Abgabe von aktuell 30 €/t eine weitere Ersparnis von 450 €. Die zweiprozentige Steigerung des Wirkungsgrads haben Messreihen unterschiedlicher Kunden bestätigt. Unser Alleinstellungsmerkmal sind zum einem die hohen PWM-Frequenzen, die wir mit unserer SD4x-Generation bereitstellen. Unser Standard bei der Nennfrequenz ist das Maximum vieler Marktbegleiter. Das heißt, unsere Geräte sind auf hohe PWM-Frequenzen ausgelegt und dadurch für Hochgeschwindigkeitsanwendungen geeignet. Der Anwender muss keine Abstriche bei der Leistungsfähigkeit der Geräte machen. Darüber hinaus sind unsere maximalen Frequenzen beispielsweise bei der SD4S-Serie doppelt so hoch wie bei vergleichbaren Wettbewerbsgeräten“.
Durch die hohe Schaltfrequenz der Frequenzumrichter lässt sich gerade bei niederinduktiven Motoren der für die Motorerwärmung relevante Rippelstrom signifikant senken. Denn während beispielsweise bei einer Frequenz von 8 kHz das Ausgangssignal stark von der gewünschten Sinusform abweicht, erzeugen 32 kHz eine fast perfekte Sinuskurve. Und je perfekter die Sinuswelle, desto geringer ist wiederum die Erwärmung, die im Rotor stattfindet.
Kompaktes Motor-Design
Neben den hohen PWM-Frequenzen stellt die SD4x-Familie entsprechend hohe Ausgangsfrequenzen zur Verfügung. Diese erlauben nicht nur hohe Motor-Drehzahlen, sondern darüber hinaus den Einsatz 4-poliger statt 2-poliger Motor-Designs. „Für ein 4-poliges Design benötigt der Motorenhersteller für die gleiche Drehzahl die doppelte Ausgangsfrequenz, er kann den Motor aber insgesamt viel kürzer und kompakter bauen und auf diese Weise mechanische Schwingungen im Hochgeschwindigkeitsantrieb minimieren. Durch die hohen Ausgangsfrequenzen schaffen wir also Freiheitsgrade für den Motorhersteller, kompakte Motoren mit hoher Leistungsdichte zu bauen. Diese wiederum sind die Voraussetzung für effiziente Highspeed-Applikationen mit hohem Wirkungsgrad, wie beispielsweise Turbokompressoren, die sich mit einem 2-poligen Motor gar nicht realisieren lassen. Mit unseren Frequenzumrichtern sind wir also ein Enabler, um den Schritt in Richtung höhere Effizienz überhaupt gehen zu können“, so Blankenburg.
Ein weiterer technologischer Kniff zur Steigerung des Wirkungsgrads einer Anwendung ist der Einsatz der PWM-Modulation mit einer Multilevel-Endstufe. Diese reduziert die Wirbelstromverluste im Rotor und dadurch die Motorerwärmung. Darüber hinaus wird mit der halben Spannung geschaltet und die Beanspruchung der Isolation verringert.
Optimiert geregelte IPM-Motoren
Zu den Talenten der SD4x-Familie gehört auch die optimierte Regelung von IPM-Motoren. IPM-Motoren stellen deutlich höhere Anforderungen an den Frequenzumrichter. So muss der Stromwinkel in Abhängigkeit des Betriebspunktes optimal in die Maschine eingeprägt werden, um in jedem Betriebspunkt das maximal mögliche Drehmoment herauszuholen. Für einen optimalen Wirkungsgrad ist darüber hinaus die Abhängigkeit der Motorinduktivität von Strom und Frequenz zu berücksichtigen.
Die SD4x-Frequenzumrichter können die beschriebenen Abhängigkeiten durch spezielle Regelstrukturen genau erfassen und im jeweiligen Arbeitspunkt optimal regeln, sodass sich immer das optimale Moment bei gleichzeitig geringstem Motorstrom ergibt. Das minimiert die Verluste im Motor und Umrichter, verbessert die Energiebilanz und reduziert die CO2-Emissionen. (sc)
Anwendungsbeispiel: Schwungmassenspeicher für Schnellladesäulen
Ein Anwendungsbeispiel für die SD4M-Serie sind Schnellladelösungen für Regionen mit schwacher Netzstruktur. Die Schnellladestation arbeitet in Verbindung mit einem Schwungmassenspeicher, auch Flywheel genannt, der die zum Laden des Elektro-Fahrzeugs benötigte Energie bereitstellt und zwischen den Ladevorgängen erneut Energie speichern kann.
Die große Herausforderung dieser Anwendung ist das Hochvakuum, unter dem der Rotor des Flywheels arbeitet. Durch dessen hohe Isolationswirkung kann die Wärmeabfuhr ausschließlich über Strahlungswärme erfolgen. Darüber hinaus handelt es sich um ein magnetgelagertes, sprich kontaktloses System, so dass die Rotorwärme nicht über die Lagerung ausgeschleust werden kann. „Das heißt, dieses System benötigt die geringstmögliche Erwärmung, damit es überhaupt vernünftig arbeiten kann. Unsere Frequenzumrichter produzieren ein Minimum an Wärme, so dass sie solche Anwendungen optimal unterstützen beziehungsweise zum Teil überhaupt erst möglich machen“, fasst Blankenburg zusammen.
