PuK - Prozesstechnik & Komponenten 2024

Komponenten
Frequenzumrichter
noch die halbe Zwischenkreisspannung
in Höhe von 300 V schalten. Entsprechend
können Halbleiter mit einer
Sperrspannung von 600 V zum Einsatz
kommen. Diese Halbleitertypen haben
signifikant bessere Schalteigenschaften,
so dass die resultierende Verlustleistung
– trotz Schaltfrequenzen von
bis zu 32 kHz – beherrschbar ist und
nur geringe umrichterbedingte Verluste
im Rotor entstehen.
Abb. 3: Durch die Drei-Level-Technologie und die gegenüber Standard-Umrichtern höhere
Schaltfrequenz ergibt sich eine Reduzierung der harmonischen Stromanteile (Rippelstrom)
auf 10 %, so dass die umrichterbedingten Rotorverluste signifikant sinken.
… und welchen Einfluss haben sie
auf die Motorverluste?
Bislang wurden hier Zwei-Level-
Frequenzumrichter eingesetzt, die die
benötigte Ausgangsspannung mittels
PWM erzeugen. Hier ergibt sich jedoch
in Abhängigkeit von der verwendeten
Schaltfrequenz und der Induktivität
des Motors eine schaltfrequente Welligkeit
(Stromrippel) des Motorstroms:
Die wirksame Motor induktivität sinkt
bei HG-Motoren mit zunehmender
Drehzahl und die Glättung der Stromrippel
nimmt proportional ab. Die
hochfrequenten Stromanteile verursachen
nicht vernachlässigbare Zusatzverluste
im Motor, die wiederum
zu einer vermehrten Wärmeentwicklung
und Lagerbelastung führen. Diese
müssen auf ein Maß reduziert werden,
das einen sicheren Betrieb gewährleistet.
Grenztemperaturen von
Synchron rotoren liegen im Bereich
von ca. 90 bis 150 °C.
Verfügbare Zwei-Level-Frequenzumrichter
bieten im Leistungsbereich
> 100 kW standardmäßig zulässige
Schaltfrequenzen von 4 bzw. 6 kHz,
da für eine Zwischenkreisspannung
bis 600 V Halbleiterschalter (IGBTs) mit
einer Sperrspannung von 1.200 V benötigt
werden. Höhere Schaltfrequenzen
sind aus technischen und wirtschaftlichen
Gründen nicht sinnvoll, denn die
daraus resultierenden höheren Schaltverluste
verursachen eine überproportionale
Erwärmung und reduzieren
die Stromtragfähigkeit. Entsprechend
ist eine effektive Drehfeldfrequenz
von maximal 600 bis 800 Hz möglich,
da die PWM-Frequenz zur Realisierung
eines näherungsweise sinusförmigen
Ausgangsstroms das 8- bis 10-fache
der Drehfeldfrequenz betragen soll.
… und warum ermöglicht die Drei-
Level-Technologie höhere Schaltfrequenzen?
Drei-Level-Frequenzumrichter ermög-
lichen höhere Schaltfrequenzen, da
die einzelnen Halbleiterschalter nur
Wie weit lassen sich Motorverluste
mittels Drei-Level-Technologie
reduzieren?
Entscheidenden Einfluss auf die
Motorverluste hat neben der PWM-
Schaltfrequenz auch der Spannungshub,
welcher mit dem PWM-Muster
auf die Motorwicklungen beaufschlagt
wird. Dieser halbiert sich mit dem Einsatz
der Drei-Level-Technologie, was
in erster Näherung auch den Stromrippel
nochmals um die Hälfte verringert.
Daraus resultieren wiederum
wesentlich reduzierte Wärme einträge
im Rotor. Bei gleicher PWM-Frequenz
lassen sich durch den Einsatz von
Drei-Level-Umrichtern die im Rotor
entstehenden Verluste um bis zu 75 %
verringern. Entsprechend kann bei
vielen Anwendungen auf Motorfilter
Warum sind die Schaltfrequenzen
bei Zwei-Level-Frequenzumrichtern
begrenzt?
Abb. 4: Einfluss von Drehzahl und Drehfeldfrequenz auf das Motordesign.
Abb. 5: Durch die Drei-Level-Technologie wird der Spannungshub halbiert, was in erster
Näherung auch den Stromrippel nochmals um die Hälfte verringert.
96 PROZESSTECHNIK & KOMPONENTEN 2024