Frequenzumrichter SD2M ermöglicht neue Anwendungen von Hochgeschwindigkeitsmotoren

Hohe Drehzahlen bei kompakten Baumaßen

Dank der Drei-Level-Technologie lassen sich umrichterbedingte Verlustleistungen signifikant reduzieren.

Ohne kostenintensive LC-Filter oder Drosseln

Zusatzkomponenten können in den meisten Fällen entfallen – der SD2M sorgt dafür, dass sich die Motoren nicht zu stark erwärmen.

Frequenzumrichter eröffnet neue Anwendungsbereiche

Der SD2M erlaubt den Betrieb von hochdrehenden Antrieben in Turboverdichtern, Turbokompressoren oder Turbinen.

Technische Herausforderungen von Hochgeschwindigkeitsmotoren

Hochgeschwindigkeitsmotoren sind extrem klein und leicht – somit ist jedoch auch ihre Induktivität deutlich kleiner. Dieser Umstand macht es für heute übliche Standard-Frequenzumrichter mit Zwei-Level-Pulsweitenmodulation schwierig, dem Motor die nötige Stromqualität zur Verfügung zu stellen. Denn aufgrund der geringen Induktivität entstehen auf der gewünschten Sinuswelle deutliche Oberwellen im Motorstrom – der sogenannte „Ripple-Strom“, welcher ausschließlich Verluste im Motor erzeugt, davon ca. 90% im Rotor. In Verbindung mit der bauartbedingten kleinen Motorgröße ist es eine Herausforderung, die Rotor- und Wellentemperatur auf akzeptable Werte zu begrenzen.
Um die nicht erwünschten Oberwellen zu reduzieren, werden zwischen Umrichter und Motor häufig Filter-Komponenten geschaltet – entweder sogenannte Motordrosseln (Induktivitäten) oder auch LC-Filter bestehend aus Induktivitäten und Kondensatoren. Beide Lösungen haben deutliche Nachteile bezüglich Kosten, Platzbedarf, Gewicht und einem reduzierten Wirkungsgrad.
Am besten ist es deshalb, man lässt die unerwünschten Oberwellen gar nicht erst zu – oder reduziert sie bereits am Entstehungsort, nämlich dem Umrichter, auf ein für die jeweilige Applikation zulässiges Maß. Das kann der auf die Drei-Level-Technologie basierende Frequenzumrichter SD2M von SIEB & MEYER gewährleisten. Er erzeugt wesentlich bessere Stromqualitäten und als Folge auch deutlich geringere Temperaturen im Motor.

SIEB&MEYER: Beispiel Wirbelstromverluste

Die Wirbelstromverluste im Rotor lassen sich mit der Drei-Level-Technologie signifikant reduzieren.

Mehr Leistung, weniger Motorerwärmung

Sieb&Meyer Synchronmotor Grafik

Die Qualitätsunterschiede im Motorstrom sind deutlich zu erkennen.

Beim Einsatz des SD2M reduzieren sich im direkten Vergleich – bei gleicher PWM-Frequenz – die umrichterbedingten Zusatzverluste im Rotor um mehr als 80%. In den meisten Fällen reicht das vollkommen aus, um komplett auf LC-Filter oder Motordrosseln zu verzichten. Die innovative Drei-Level-Technologie des Frequenzumrichters SD2M ist für Ausgangsleistungen bis 432 kVA und Drehfeldfrequenzen bis 2.000 Hz konzipiert. Als Basis für kundenspezifische Entwicklungen ist es sogar möglich, individuelle Kundenlösungen mit Motorströmen von bis zu 650 A zu realisieren – wahlweise auf Grundlage einer Luft- bzw. Flüssigkeitskühlung.

Die Kombination aus hochdynamischer Vektorregelung und höchsten Drehzahlen eröffnet ganz neue Anwendungsmöglichkeiten, darunter zum Beispiel:

  • Das Innen-Rundschleifen von hochgenauen Kugellagern
  • Die Aluminium-Volumenzerspanung von Flugzeugintegralteilen
  • Das Bohren mit Höchstgeschwindigkeit in der Leiterplattenbearbeitung
  • Turbo-Kompressoren bzw. -Blower für die industrielle Drucklufterzeugung
  • Brennstoffzellenbelüftung in der E-Mobilität

Aus der Praxis: Drei-Level-Technologie ermöglicht neue Anwendungen

Die ATE GmbH – ein Anbieter von hoch effizienten elektrischen Antrieben für hohe Drehzahlen bzw. Frequenzen – sah sich bei der Realisierung kundenspezifischer Hochgeschwindigkeits- Antriebslösungen oftmals mit einer technischen Grenze konfrontiert: Extrem hohe Drehzahlen bei kompakten Baumassen waren aufgrund der hohen Rotorverluste nahezu unmöglich. Ohne Zusatzmaßnahmen wie kostenintensive LC-Filter oder eine aktive Kühlung erwärmten sich die Motoren zu stark. Abhilfe schaffen konnte der Frequenzumrichter SD2M von SIEB & MEYER.
Gerade weil sich die Rotor-Verluste massiv reduzieren lassen, ist die Drei-Level-Technologie sehr wichtig für ATE. Denn bei der Umsetzung von kundenspezifischen Projekten war das Unternehmen in der Vergangenheit oft an den hohen Rotorverlusten gescheitert. Der Hintergrund dafür ist, dass oft keine aktive Kühlung des Rotors möglich ist und Wärmekonvektionen eingeschränkte Erfolge zeigen. Durch die Drei-Level-Technologie werden anspruchsvolle Anwendungen mit hohen Drehzahlen und kompakten Bauräumen für ATE überhaupt erst realisierbar – weil die Wärme gar nicht erst entsteht. So gab es in der Anwendung als Turbo-Blower für Brennstoffzellen eine technische Grenze bei circa 20 kW, jetzt sind durchaus 35 kW denkbar.

Sieb&Meyer Silmuation

Die Simulation der Energieverteilung und der Rotorverluste beim Antrieb eines Turbo-Blowers mit 20 kW @ f = 2.000 Hz zeigt beim Einsatz eines der Drei-Level-Umrichters deutliche Verbesserungen.

Das komplette Expertenwissen unter einem Dach

In Antriebselektronik von SIEB & MEYER steckt das gesammelte Know-how von über 50 Jahren Entwicklungs- und Forschungsarbeit. Über 70 Mitarbeiter arbeiten täglich in unserer F&E-Abteilung daran, unsere Produkte noch besser zu machen und neue, innovative Lösungen zu finden.

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SIEB & MEYER AG
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