TRENDS » Perspektiven » Elektrotechnische Bauelemente IM ÜBERBLICK Gleichstrom aus erneuerbaren Energien kann leicht in die Produktion eingebunden werden und zugleich einen wichtigen Beitrag für mehr Energie- und Ressourceneffizienz leisten. Trendinterview: Frequenzumrichter für DC-Netze Gleichstrom wichtiger Baustein einer klimaneutralen Industrie In der Industrie entfallen 70% des Stromverbrauchs auf E-Motoren. Bei drehzahlveränderlichen Antrieben lässt sich die Energieeffizienz mit Frequenzumrichtern am Drehstromnetz steigern. Nachteilig sind aber die Oberwellen der Ströme. Das Konzept der DC-Industrie kann hier deutliche Effizienzgewinne ermöglichen. Von Interesse ist dabei die Funktionalität der Frequenzumrichter in DC-Netzen. Im Trendinterview der KEMKonstruktion|Automation haben wir Teilnehmer des Forschungsprojekts DC-Industrie gefragt, warum Frequenzumrichter in Gleichstromnetzen eine wichtige Rolle spielen. Fragen: Andreas Gees und Johannes Gillar, Chefredaktion KEMKonstruktion|Automation KEMKonstruktion|Automation: Welche Anforderungen muss ein Wechselrichter für den Antrieb von Drehstrommaschinen prinzipiell erfüllen, um im DC-Netz gemäß den Vorgaben von DC-Industrie eingesetzt werden zu können? Frederic Blank (Keba Industrial Automation): Die Anforderungen sind im Systemkonzept von DC-Industrie2 definiert und wurden in den Modellanlagen bestätigt. In diesem Konzept sind die Grenzwerte für die Spannungsgrenzen, die Wechselstrombelastung, die elektromagnetische Verträglichkeit, die geforderte Toleranz gegen Fehler im DC-Netz und weitere Regeln festgelegt. Prof. Dr. Holger Borcherding (Lenze): DC-Industrie hat ein wesentliches Ziel: die vorhandene Gerätetechnik aus dem Niederspannungsbereich für ein offenes, herstellerübergreifendes Gleichstromnetz mit geringen Anpassungen nutzbar zu machen. Ein Augenmerk liegt darauf, das Gleichstromnetz möglichst vielseitig und anpassungsfähig zu gestalten. Die Anforderungen sind dabei ähnlich wie bei den Geräten, die ursprünglich für das 3x400V-Netz entwickelt wurden bzw. werden. Weil praktisch alle Umrichter für Drehstrom über einen Gleichspannungszwischenkreis verfügen, kann man das DC- Netz direkt an den Zwischenkreis anschließen. Das heißt, die Grundkonstruktion kann gleichbleiben und auch beim Wech- Bild: KEBA Dr.-Ing. Frederic Blank, Entwickler, KEBA Industrial Automation Germany GmbH, Lahnau »Wird das DC-Netz durch geregelte Versorgungs - geräte gespeist, wird dem AC-Netz praktisch keine Blindleistung entnommen bzw. Oberwellen aufgenommen.« selrichter braucht es keine oder nur wenige Änderungen. Erik Fosselmann (Danfoss Drives): Die empfohlene Kapazität liegt bei 25 µF pro kW. Des Weiteren müssen die EMV-Eigenschaften den DC-Industrie Vorgaben entsprechen. Grundsätzlich sind die Anforderungen geringer als im AC-Netz. David Kater (KEB Automation): Im Projektkonsortium „DC-Industrie “ haben wir uns weitestgehend an bestehende Gerätestandards angelehnt, damit die Adaption von AC- auf DC-Technologie sowohl für die Anwender als auch für die Komponentenhersteller möglichst einfach ist. Frequenzumrichter sind das zentrale Element für die Automatisierung von industriellen Anlagen, weswegen sich zum Beispiel das zulässige DC-Systemspannungsband an den bereits seit Jahrzehnten etablierten Zwischenkreisspannungen von AC-gespeisten Frequenzumrichtern orientiert. Des Weiteren gibt es – wie auch in der AC-Welt – Vorgaben zur EMV und dem Geräteschutz. Gunther Krei (Yaskawa Europe): Die wohl am weitesten in der Industrie verbreitete Frequenzumrichter-Topologie ist der Frequenzumrichter mit DC-Spannung-Zwischenkreis. Diesen Geräte werden über ein Wechselspannungsnetz (AC für alternating current) versorgt. Ein Gleichrichter am Eingang wandelt die Wechselspannung in eine noch etwas pulsierende Gleichspannung (DC für direct current) um, die dann über Zwischenkreiskondensatoren geglättet wird. So entsteht eine Gleichspannungsquelle, die einen Wechselrichter am Ausgang des Frequenzumrichters speist. Der Wechselrichter wandelt die Gleichspannung wieder in eine im Betrag der Spannung und Frequenz regelbare Wechselspannung um, mit der der Motor in seiner Drehzahl und seinem Drehmoment geregelt 48 KEMKonstruktion|Automation » 11 | 2023
werden kann. Aus diesem Aufbau ergibt sich, dass der Frequenzumrichter üblicherweise schon an einem – wenn auch kleinen – eignen DC-Netz arbeitet. Für unsere Yaskawa-Frequenzumrichter ergeben sich also zunächst keine besonderen neuen Anforderungen. KEMKonstruktion|Automation: Wie müssen heute verfügbare Frequenzumrichter für DC-Netze modifiziert werden? Blank (Keba Industrial Automation): Bei Wechselrichtern, die bereits für einen herstellerinternen DC-Verbund entwickelt wurden, sind nur kleine Anpassungen notwendig, da sich z.B. der Spannungsbereich der Antriebssysteme mit den aktuellen Bereichen überschneidet. An der Schnittstelle zum DC-Netz ist ein neues externes Modul notwendig, das den Anschluss, die EMV-Filterung und ggf. die Vorladung für Wechselrichter in einer gemeinsamen Lastzone ermöglicht. Zusätzlich zu den Änderungen sind qualifizierende Messungen erforderlich, um das Einhalten der Spezifikation nachzuweisen. Borcherding (Lenze): Viele Hersteller – auch Lenze – bieten proprietäre Umrichtersysteme mit Gleichspannungskopplung an. Hier sind die Modifikationen überschaubar. DC-Industrie erfordert hier die Einhaltung DC-gespeiste Frequenzumrichter haben viele Vorteile. So sind für die Rückspeisung ins DC-Netz keine zusätzlichen Leistungshalbleiter nötig. Auch Bremswiderstände sind nicht erforderlich. Insgesamt kommt es somit zu Kostenvorteilen. von EMV-Grenzwerten, die es für DC bisher nicht gab. DC-Funkentstörfilter müssen entsprechend vorgeschaltet oder integriert werden. Ebenso erforderlich sind Validierungstests, um alle Eigenschaften von DC- Industrie nachzuweisen. Diese Tests sollen zum Beispiel zeigen, dass ein gerätenaher Kurzschluss im DC-Netz schadlos überstanden wird. Bei Umrichtern mit AC-Anschluss sind die Umbauten aufwendiger. Hier entfallen Bauteile oder sie werden ersetzt. Der Netzeingang zum Beispiel ist nun zweipolig DC+ und DC- und nicht mehr dreipolig für das Drehstromnetz. PE bleibt natürlich. Weil der DC-Strom geringer als AC-Strom ist, kann man auf den Gleichrichter verzichten und zum Teil kleinere Anschlussklemmen nutzen. Der Funkentstörfilter ist geringfügig anders, meist benötigt er weniger oder kleinere Bauelemente. DC-Industrie lässt es zudem offen, ob man eine vorhandene Einschaltstrombegrenzung nutzt oder ausbaut. Darüber hinaus kann man die Kapazitäten der Gleichspannungskondensatoren reduzieren, weil das DC-Industrienetz selbst geringere Wechselanteile aufweist als der Gleichspannungszwischenkreis eines Umrichters. Fosselmann (Danfoss Drives): Im DC-Bereich fallen manche Komponenten weg, wie zum Beispiel Brückengleichrichter, Bremschopper oder auch der Stecker für den Bremswiderstand. Andere werden erheblich kleiner. Dazu zählen der Eingangsfilter sowie die Zwischenkreiskapazität. Bild: WADII/stock.adobe.com Das Multitalent SD4S - High-Speed-Frequenzumrichter oder hochdynamischer Servoverstärker SPS | Nürnberg | 14.-16.11. Halle 4 | Stand 230 Jetzt Produktvideo ansehen: UMFANGREICHE ANTRIEBSFUNKTIONEN KOMPAKT FLEXIBEL Kundenspezifische Lösungen möglich www.sieb-meyer.de LEISTUNGSFÄHIG KEMKonstruktion|Automation » 11 | 2023 49
