Gerade im Bereich der erneuerbaren Energien sind zunehmend Frequenzumrichter mit einer Leistung von 100 kW und mehr gefragt. Nach Aussage von Rolf Gerhardt, Leiter Vertrieb Antriebselektronik bei Sieb & Meyer, seien auf dem Markt allerdings bislang „keine Umrichter für derartige Ausgangsleistungen und Drehfeldfrequenzen bis 2.000 Hz erhältlich – und erst recht keine Lösungen, die auch Synchronmotoren sensorlos regeln konnten“. Gerade im Zuge der Energiewende würden solche Systeme aber benötigt: Schließlich ermöglichen sie eine deutliche Effizienzsteigerung von rotierenden Energiespeichern (Flywheel) und Strömungsmaschinen wie Turboverdichtern und Kompressoren.

Mit dem Ziel, diese Marktlücke zu schließen, entwickelt das Lüneburger Unternehmen derzeit eine entsprechende Lösung auf Basis der Drei-Level-Technologie. Die technischen Rahmenbedingungen sind dabei Gerhardt zufolge komplex: „Hochgeschwindigkeitsmotoren generieren ihre Leistung über die Drehzahl und nicht über das Drehmoment. Überschlägig gilt: Das Rotorvolumen verändert sich analog zum Kehrwert der Drehzahlerhöhung, das heißt bei 10-fachen Drehzahlen verringert sich das Rotorvolumen auf ein Zehntel. Daraus ergibt sich ein Problem – denn das geringe Rotorvolumen und die daraus resultierende Rotoroberfläche ermöglichen nur eine eingeschränkte Wärmeabfuhr. Das wirkt sich vor allem dann negativ aus, wenn die Motoren im Vakuum oder Gasen mit geringer Wärmeleitfähigkeit betrieben werden.“

Das anwendungsseitig benötigte Leistungs-/Drehzahlverhältnis erfordere aber auch eine besondere Betrachtung des Motordesigns. „Beim Rotor muss die zulässige Umfangsgeschwindigkeit beachtet werden, bei der dazugehörigen Welle die biegekritischen Frequenzen“, erklärt Rolf Gerhardt. In der Praxis bedeutet das zum Beispiel für einen Synchronmotor mit 100 kW bei 60.000 1/min, dass die benötigte Leistungsdichte nur mittels eines 4-poligen Motordesigns realisierbar ist; sprich es wird eine Drehfeldfrequenz von 2.000 Hz anstatt von 1.000 Hz benötigt.

Um die nötigen Drehfeldfrequenzen erzeugen zu können, wurden bislang Zwei-Level-Frequenzumrichter eingesetzt, die die benötigte Ausgangsspannung mittels Pulsweiten-Modulation (PWM) erzeugen. In Abhängigkeit von der verwendeten Schaltfrequenz und der Induktivität des Motors ergibt sich dabei jedoch eine schaltfrequente Welligkeit (Stromrippel) des Motorstroms. Eine Erhöhung der Schaltfrequenzen könnte das Problem lösen – im Fall von Zwei-Level-Frequenzumrichtern sei das jedoch technisch wie wirtschaftlich nicht zielführend.

„Im Fall eines Drei-Level-Frequenzumrichters ist eine Erhöhung der Schaltfrequenz aber möglich - und genau das ist unser Lösungsansatz“, sagt Rolf Gerhardt. Bei der Nutzung dieser Technologie müssen die einzelnen Halbleiterschalter nur noch die halbe Zwischenkreisspannung in Höhe von 300 Volt schalten, sodass Halbleiter mit einer Sperrspannung von 600 V einsetzbar sind. Diese Halbleitertypen haben signifikant bessere Schalteigenschaften, entsprechend ist die resultierende Verlustleistung trotz Schaltfrequenzen von bis zu 32 kHz beherrschbar. So lassen sich die harmonischen Stromanteile reduzieren, die umrichterbedingten Verluste im Rotor sind gering. Durch die Drei-Level-Technologie wird zudem der Spannugshub halbiert, was in erster Näherung auch den Stromrippel nochmals um die Hälfte verringert.

Auf der SPS IPC Drives präsentiert Sieb & Meyer nun die erste Ausbaustufe der neuen SD2M-Gerätetechnologie mit einer Nennleistung von 160 kW.