Drei-Level-Technologie

Sieb & Meyer: Frequenzumrichter mit Drei-Level-Technologie

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Beim Betrieb von Elektromotoren werden zwischen Umrichter und Motor häufig LC-Filter eingesetzt. Diese ermöglichen es, entweder nur die Schaltflanken des vom Umrichter ausgegeben Pulsmusters zu entschärfen oder sogar annäherungsweise sinusförmige Motorspannungen und Ströme zu erreichen. LC-Filter sind immer dann nötig, wenn die getaktete Umrichter-Betriebsart zu einer unzulässig hohen Belastung der Motorisolation führt oder qualitativ schlechte Motorströme auftreten. Ein Frequenzumrichter mit Drei-Level-Technologie kann jedoch in beiden Fällen den Einsatz von LC-Filtern überflüssig machen.

Rolf Gerhardt, Leiter Vertrieb Antriebselektronik, Sieb & Meyer AG, Lüneburg

Inhaltsverzeichnis

1. Spannungsspitzen vermeiden
2. Qualität der Motorströme verbessern
3. Drei-Level-Technologie in Kombination mit Schaltfrequenzerhöhung
4. SD2M: Umrichter mit Drei-Level-PWM

Für die Isolation von Statorwicklungen gibt es einschlägige Leitfäden und Normen. So beschreibt die IEC 600034-25 sehr genau die Grenzwerte von auftretenden Spannungsspitzen und Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeiten, die an den Motorklemmen maximal auftreten sollten. Das grundsätzliche Problem beim Umrichter-Betrieb mit der gängigen Puls-Weiten-Modulation (PWM) liegt darin, dass die vom Umrichter an den Klemmen ausgegebene Spannung in Rechteckform nicht in gleicher Form an den Motorklemmen ankommt. Abhängig vom physikalischen Aufbau der Gesamtanlage bzw. Maschine und den verwendeten Motorleitungen können am Motor Spannungsspitzen von über 2000 V auftreten. Insbesondere die Motorleitungslänge hat einen großen Einfluss auf die Spannungsspitzen – und zwar bereits ab circa fünf Metern Länge.

Spannungsspitzen vermeiden

Hohe auftretende Spannungsspitzen belasten die Statorwicklungen enorm und können zu Isolationsdurchbrüchen führen, die die Statorwicklungen dauerhaft schädigen. Dies führt wiederum zu Kurzschlüssen zwischen den Wicklungen. Eine bleibende Schädigung kann innerhalb von Sekunden, aber auch erst nach Monaten auftreten. LC-Filter können diesen Effekt sicher verhindern. Wer sie einsetzt, muss jedoch mit zusätzlichen Kosten, zusätzlichem Platzbedarf und Gewicht sowie Einbußen im Wirkungsgrad rechnen. Auch gilt es, LC-Filter vorab für die jeweilige Applikation auszulegen – das kostet Zeit und Flexibilität. Zur Bewertung von Spannungsspitzen werden sowohl die maximal auftretende Spannungs-Amplitude (Upeak), aber auch die dabei auftretende Spannungsanstiegs-Geschwindigkeit (tr) herangezogen. Heutige Standardumrichter im Leistungsbereich ab ca. 2 kW werden in der Regel über das dreiphasige 400-V-Netz versorgt und arbeiten mit einer Zwei-Level-PWM. Moderne und schnelle Halbleiterschalter erzeugen Spannungsspitzen am Motor, die nicht selten deutlich größer werden als 1000 V. Somit wird das Kriterium der Spannungsanstiegs-Geschwindigkeit (tr) immer wichtiger, wobei sich die Richtwerte häufig nicht einhalten lassen. In der Folge werden LC-Filter notwendig – sie sind aber nicht die einzige Option: Eine echte Alternative stellt die Umrichter-Technologie mit Drei-Level-PWM dar. Die maximalen Spannungssprünge betragen nur die Hälfte der Zwei-Level-Technologie. Das führt in der Regel dazu, dass die am Motor zu messenden maximalen Spannungsimpulse unter 1000 V liegen und damit auch die maximal erlaubte Spannungsanstiegs-Geschwindigkeit eingehalten werden kann – sogar mit modernsten Halbleitern. Die Folge: LC-Filter können entfallen.

Qualität der Motorströme verbessern

Für Drehstrommotoren ist es essentiell wichtig, dass die Qualität der eingeprägten Motorströme qualitativ sehr gut ist. Alles, was von der idealen Sinusform abweicht, erzeugt Verluste im Motor. Circa 90 % dieser Verluste entstehen im Rotor und führen damit zu unerwünschten Erwärmungen. Der von der Sinusform abweichende Motorstromanteil wird durch den Umrichter mit seiner PWM-Arbeitsweise erzeugt und stellt sich als sogenannter Ripple-Strom dar. Dieser überlagert den sinusförmigen Motorstrom. Der sich einstellende Ripple-Strom ist abhängig von der Schaltfrequenz, der Umrichter-DC-Spannung und – ganz entscheidend – von der Motorinduktivität. Kleine Induktivitäten erzeugen große Ripple-Ströme, was insbesondere bei schnelllaufenden Synchronmotoren sehr ungünstig ist, da diese physikalisch bedingt sehr kleine Induktivitäten haben müssen. Die entstehende Rotorerwärmung kann extreme Auswirkungen auf die Rotorstabilität, die Permanentmagnete und die Lagerung haben. Die Probleme treten vor allem bei hohen Nenndrehzahlen des Motors auf. Um dies zu vermeiden, werden bei Standard-Umrichtern mit Zwei-Level-PWM und niedriger Schaltfrequenz häufig LC-Filter eingesetzt. Eine weitere Lösungsmöglichkeit besteht jedoch darin, die Schaltfrequenz für die PWM zu erhöhen. Wird sie verdoppelt, reduziert sich der Ripple-Strom in der Regel um die Hälfte. Technisch wie wirtschaftlich hat dies allerdings seine Grenzen. Zum einen sind schnell schaltende Leistungstransistoren im höheren Spannungsbereich teurer. Aber auch die Schaltverluste in der Endstufe nehmen stark zu, was sich ungünstig auf den Wirkungsgrad und damit auch den Kühlungsaufwand auswirkt. Außerdem reagieren nicht alle Motoren positiv auf eine Schaltfrequenzerhöhung. Baubedingt kommt es vor, dass eine Erhöhung der Schaltfrequenz nur sehr wenig Verbesserungen in den Motorverlusten bringt. Dies ist hauptsächlich der Fall, wenn es sich um Synchronmotoren handelt, in denen keine Segmentierung der Permanentmagnete vorliegt.

Drei-Level-Technologie in Kombination mit Schaltfrequenzerhöhung

Alternativ besteht auch hier die Möglichkeit, die Drei-Level-Technologie einzusetzen. Dabei werden die Leistungshalbleiter der Endstufen technologiebedingt nur mit der Hälfte der Spannung beaufschlagt, wie sie bei der Zwei-Level-Technologie vorkommen. Somit ist es möglich, mit Leistungshalbleitern zu arbeiten, die für wesentlich geringere Spannungen ausgelegt sind und damit (technologiebedingt) auch noch schneller schalten. Das Resultat: In der Endstufe entstehen weniger Schaltverluste und die Schaltfrequenz lässt sich deutlich erhöhen. Gleichzeitig wird der Motor im Vergleich zur Zwei-Level-Technologie nur mit 50 % der Spannungssprünge belastet. Allein durch den Einsatz der Drei-Level-Technologie lassen sich die im Rotor entstehenden Verluste um ca. 75 % reduzieren. Nutzt man nun beides, Drei-Level-Technologie und Schaltfrequenzerhöhung, lassen sich die im Rotor entstehenden Verluste um bis zu 90 % senken. LC-Filter können dann häufig komplett entfallen. Das Fazit: Umrichter mit Drei-Level-PWM sind in vielen Applikationen geeignet, um LC-Filter einzusparen. Lange Motorleitungen sind kein Hindernis und auch die Qualität des Motorstromes wird deutlich verbessert. Im Rotor entstehen weniger Verluste (Wärme), was insbesondere für schnelldrehende Motoren von Vorteil ist. Der Platzbedarf sowie Gewicht des Gesamtpaketes verringern sich und die Flexibilität in der Anwendung steigt. jg

www.sieb-meyer.de

Details zu den Frequenzumrichtern der Baureihe SD2M von Sieb & Meyer:

hier.pro/EuLml


PLUS

SD2M: Umrichter mit Drei-Level-PWM

Der Frequenzumrichter SD2M mit Drei-Level-Technologie von Sieb & Meyer eignet sich unter anderem für den Einsatz im Bereich der Hochgeschwindigkeits-Strömungsmaschinen. Er ist aber auch für Anwendungen in Werkzeugmaschinen oder Prüfständen geeignet, wo er mit Höchstleistung bei wenig Platzbedarf, geringen Systemkosten und einem hohen Wirkungsgrad überzeugt. Die Drei-Level-Technologie des Frequenzumrichters ist für Ausgangsleistungen bis 432 kVA und Drehfeldfrequenzen bis 2000 Hz konzipiert. Als Basis für kundenspezifische Entwicklungen hat der Hersteller den Umrichter vor kurzem leistungsseitig nochmals erweitert. So ist es nun möglich, individuelle Kundenlösungen mit Motorströmen von bis zu 650 A zu realisieren – wahlweise auf Grundlage einer Luft- bzw. Flüssigkeitskühlung.

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