PuK - Prozesstechnik & Komponenten 2024

Komponenten
Frequenzumrichter
SD4M-Frequenzumrichter-Serie für Hochgeschwindigkeitsanwendungen
Multi-Level-Technologie:
Was sie kann und was sie ermöglicht
Markus Finselberger
Motorische und generatorische
Hochgeschwindigkeitsanwendungen
mit hohen Ausgangsleistungen bringen
die gängigen Umrichter-Technologien
an ihre Grenzen. Vor allem im
Kontext erneuerbarer Energien und
einer effizienten Druckluftversorgung
besteht ein wachsender Bedarf
an Umrichtern, die hohe Drehfeldfrequenzen
unterstützen können.
Die SIEB & MEYER AG hat deshalb
eine Lösung basierend auf der Drei-
Level-Technologie entwickelt. Mit der
SD4M-Serie der Hochgeschwindigkeitsspezialisten
lassen sich Motorverluste,
elektromagnetische Störausstrahlung
und Isolationsbeanspruchung
deutlich reduzieren. Der
folgende Artikel beantwortet die
wichtigsten Fragen zum Einsatz und
zur Funktionsweise von Multi-Level-
Frequenzumrichtern.
Wie funktioniert ein Multi-Level-
Frequenzumrichter?
Level-Umrichter sechs elektronische
Leistungsschalter (Transistoren) benötigt,
braucht ein Drei-Level-
Umrichter bereits zwölf Schalter.
Wo kommen Multi-Level-Umrichter
zum Einsatz?
Multi-Level-Umrichter ermöglichen
unter anderem eine deutliche Effizienzsteigerung
von Strömungsmaschinen,
wie Turboverdichtern
und -kompressoren (beispielsweise
in der Abwasseraufbereitung), von
rotieren den Energiespeichern (Flywheel)
sowie von ORC-Anlagen zur
Verstromung von Restenergie. Die Effizienz
dieser Systeme steigt mit ihrer
Drehzahl. Jedoch gab es bislang kaum
Umrichter für Ausgangsleistungen
> 100 kW und Drehfeldfrequenzen bis
2.000 Hz – vor allem, wenn es um die
sensorlose Regelung von Synchronmotoren
ging. Diese Lücke schließt
die Multi-Level-Technologie.
Welche Anforderungen stellen
HG-Motoren an die Umrichter-
Technologie?
In den oben beschriebenen Anwendungen
kommen Hochgeschwindigkeitsmotoren
(HG-Motoren) zum
Einsatz, die ihre Leistung über die Drehzahl
und nicht über das Dreh moment
generieren. Überschlägig gilt: Das Rotorvolumen
verändert sich analog
zum Kehrwert der Drehzahl erhöhung.
Das heißt, bei 10-facher Drehzahl verringert
sich das Rotorvolumen auf ein
Zehntel. Daraus wiederum resultiert
eine eingeschränkte Wärmeabfuhr.
Dieser negative Aspekt verstärkt sich,
wenn die Motoren im Vakuum oder
Gasen mit geringer Wärmeleitfähigkeit
betrieben werden, was beispiels weise
Ein Großteil der Frequenzumrichter,
die heute in der Antriebstechnik zum
Einsatz kommen basieren auf der
Zwei-Level-Technologie. Das bedeutet,
dass die Umrichter eine vorab aus
der Netzwechselspannung gleichgerichtete
DC-Spannung in eine Wechselspannung
mit variabler Frequenz
und Amplitude umwandeln, die dann
einen Motor mit regelbarer Drehzahl
antreibt. Die Erzeugung der Wechselspannung
erfolgt mit wechselnder
Polarität – Plus und Minus – auf zwei
Stufen (Level). Häufig wird dazu die
Modulationsart PWM (Puls-Weiten-
Modulation) eingesetzt. Multi- Level-
Umrichter verfügen über mindestens
eine weitere Spannungs-Zwischenstufe.
Dafür ist eine deutlich andere
Endstufen-Topologie notwendig.
Während ein dreiphasiger Zwei-
Abb. 1: Multi-Level-Frequenzumrichter unterstützen Applikationen, die hohe Drehfeldfrequenzen
erfordern. Unter anderem ermöglichen sie eine deutliche Effizienzsteigerung von
Turboverdichtern und -kompressoren, die beispielsweise in der Abwasseraufbereitung zum
Einsatz kommen. (Foto © : Kletr_261344590 - adobestock.com)
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