Der Konstrukteur 03/2024

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ANTRIEBSTECHNIK ENERGIEEFFIZIENZ RAUF, CO 2 -EMISSIONEN RUNTER PRODUKTE UND ANWENDUNGEN Mit verbesserter Prozessorleistung und erweiterten Regelfunktionen trägt eine neue Frequenzumrichter-Produktfamilie von Sieb & Meyer dazu bei, Energieverbrauch und CO 2 -Emissionen zu reduzieren. Dies gilt zum einen für die Anwendung selbst, deren Wirkungsgrad durch den Einsatz der innovativen Gerätetechnologie steigt. Zum anderen schafft die Produktlinie die Voraussetzung für bestimmte klimafreundliche Applikationen, die wiederum die Energiewende befördern. Im internationalen Vergleich nimmt Deutschland heute bei den Energiepreisen eine Spitzenstellung ein. „Das ist eine starke Motivation, die Effizienz von Industrieprozessen zu verbessern und dabei gleichzeitig Kosten und CO 2 einzusparen. Hinzu Markus Finselberger, Vertriebsleiter Antriebselektronik, Sieb & Meyer AG kommt der CO 2 -Preis, der in Zukunft immer weiter steigen wird. Das heißt, letztendlich sind die beiden Treiber für eine CO 2 -Reduzierung wirtschaftliche und natürlich umwelttechnische Betrachtungen“, so Torsten Blankenburg, CTO der Sieb & Meyer AG. Durch den immer noch hohen Anteil von Kohlestrom im hiesigen Energie-Mix lagen die CO 2 -Emissionen pro kWh in Deutschland im Jahr 2022 laut Berechnungen des unabhängigen Energie- Think-Tanks Ember bei 385 gCO 2 /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 CO 2 -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. HOHE FREQUENZEN DER PULSWEITENMODULATION Mit seinem SD4x-Frequenzumrichter-Portfolio für Hochgeschwindigkeitsanwendungen leistet das Unternehmen einen direkten Beitrag, den Wirkungsgrad verschiedener Applikationen zu verbessern und dadurch am Ende bares Geld zu sparen. „Unsere Frequenzumrichter reduzieren die Motorerwärmung und erhöhen gleichzeitig den System-Wirkungsgrad um mehrere Prozentpunkte“, bilanziert Blankenburg. „Zum Beispiel im Fall einer 200-kW-Applikation konnte eine Wirkungsgradsteigerung von circa zwei Prozent erreicht werden. Dies bedeutet im 24 DER KONSTRUKTEUR 2024/03 www.derkonstrukteur.de
ANTRIEBSTECHNIK Die PWM-Modulation mit einer Multilevel- Endstufe reduziert die Wirbelstromverluste im Rotor und dadurch die Motorerwärmung Neben den hohen PWM-Frequenzen stellt das SD4x-Portfolio auch entsprechend hohe Ausgangsfrequenzen zur Verfügung. Diese erlauben nicht nur hohe Motor-Drehzahlen, sondern darüber hinaus auch 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“, beschreibt Blankenburg den Zusammenhang. „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.“ 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 nur mit der halben Spannung geschaltet und dadurch die Beanspruchung der Isolation verringert. Sieb & Meyer stellt die Multilevel-Technologie in seiner SD4M-Serie zur Verfügung – das M in der Typenbezeichnung steht dabei für Multilevel. 24/7-Betrieb 39 MWh pro Jahr und entsprechend 10.000 Euro bei einem Strompreis von 0,26 Euro pro kWh. Gleichzeitig emittiere ich 15 t weniger CO 2 . Das bedeutet bei einer CO 2 -Abgabe von aktuell 30 Euro/t eine weitere Ersparnis von 450 Euro.“ Die zweiprozen tige Steigerung des Wirkungsgrads, so Blankenburg, haben Messreihen unterschiedlicher Kunden bestätigt. Aber was genau zeichnet die Frequenzumrichter-Technologie von Sieb & Meyer gegenüber dem Wettbewerb aus? „Unser Alleinstellungsmerkmal sind zum einem die hohen Frequenzen der Pulsweitenmodulation, oder kurz PWM-Frequenzen, die wir mit unserer SD4x-Generation bereitstellen“, erläutert Blankenburg. „Unser Standard bei der Nennfrequenz ist das Maximum vieler Marktbegleiter. Das heißt, unsere Geräte sind auf hohe PWM-Frequenzen ausgelegt und dadurch für Hochgeschwindigkeits-Anwendungen geeignet. Der Anwender muss also keine Abstriche bei der Leistungsfähigkeit der Geräte machen. Darüber hinaus sind unsere maximalen Frequenzen beispielsweise bei der SD4S-Serie noch einmal doppelt so hoch, wie bei vergleichbaren Wettbewerbsgeräten.“ Durch die hohe Schaltfrequenz der Frequenzumrichter von Sieb & Meyer 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 DESIGN DANK HOHER AUSGANGSFREQUENZEN OPTIMIERTE REGELUNG VON IPM-MOTOREN Zu den Eigenschaften 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 CO 2 -Emissionen. Bilder: Sieb & Meyer AG www.sieb-meyer.de www.derkonstrukteur.de DER KONSTRUKTEUR 2024/03 25
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