Drei-Level-Frequenzumrichter SD2M:
Mit besserer Stromqualität und reduzierter Motorerwärmung neue Wege beschreiten

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.

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

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 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.

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.

SIEB & MEYER AG
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