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Frequenzumrichter

Sehr gut fürs Klima!

Sehr gut fürs Klima!

Mit verbesserter Prozessorleistung und erweiterten Regelfunktionen trägt die neue SD4x-Frequenzumrichter-Familie von Sieb & Meyer dazu bei, Energieverbrauch und CO₂-Emissionen zu reduzieren.  

Ausgangspunkte für eine energieeffiziente Ausrichtung sind bei Sieb & Meyer zum einen die Anwendung selbst, deren Wirkungsgrad durch den Einsatz der innovativen Gerätetechnologie steigt. Zum anderen schaffen die Antriebs- und Steuerungslösungen der Lüneburger Hochgeschwindigkeits-Spezialisten zum Teil erst die Voraussetzung für bestimmte klimafreundliche Applikationen, die wiederum die Energiewende befördern. 

„Im internationalen Vergleich nimmt Deutschland heute bei den Energiepreisen eine Spitzenstellung ein“, erklärt Torsten Blankenburg, CTO der Sieb & Meyer AG. „Das ist eine starke Motivation, die Effizienz von Industrieprozessen zu verbessern und dabei gleichzeitig Kosten und CO₂ einzusparen. Hinzu kommt der CO₂-Preis, der in Zukunft immer weiter steigen wird. Das heißt, letztendlich sind die beiden Treiber für eine CO₂-Reduzierung wirtschaftliche und natürlich umwelttechnische Betrachtungen.“ 

Durch den immer noch hohen Anteil von Kohlestrom im hiesigen Energie-Mix lagen die CO2-Emissionen pro kWh in Deutschland im Jahr 2022 laut Berechnungen des unabhängigen Energie-Think-Tanks Ember bei 385 gCO₂/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 CO2-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 PWM-Frequenzen 

Mit seiner SD4x-Frequenzumrichter-Familie für Hochgeschwindigkeitsanwendungen leistet Sieb & Meyer einen direkten Beitrag, den Wirkungsgrad verschiedener Applikationen deutlich zu verbessern und dadurch am Ende bares Geld zu sparen. 

„Unsere Frequenzumrichter reduzieren die Motorerwärmung und erhöhen gleichzeitig den Systemwirkungsgrad um mehrere Prozentpunkte“, bilanziert Torsten Blankenburg. „Zum Beispiel im Fall einer 200-kW-Applikation konnte eine Wirkungsgradsteigerung von ca. 2 % erreicht werden. Dies bedeutet im 24/7-Betrieb 39 MWh pro Jahr und entsprechend 10 000 EUR bei einem Strompreis von 0,26 EUR pro kWh. Gleichzeitig emittiere ich 15 t weniger CO₂. Das bedeutet bei einer CO₂-Abgabe von aktuell 30 EUR/t eine weitere Ersparnis von 450 EUR.“ Die zweiprozentige Steigerung des Wirkungsgrads hätten 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 PWM-Frequenzen, die wir mit unserer SD4x-Generation bereitstellen“, erläutert Torsten ­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 lässt sich gerade bei niederinduktiven Motoren der für die Motorerwärmung relevante Rippelstrom signifikant senken. Denn während 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 Motor-Design 

Neben den hohen PWM-Frequenzen stellt die SD4x-­Familie auch entsprechend hohe Ausgangsfrequenzen zur Verfügung. Diese erlauben nicht nur hohe Motor-Drehzahlen, sondern 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 Torsten  
Blankenburg den Zusammenhang.  

„Durch die hohen Ausgangsfrequenzen schaffen wir Freiheitsgrade für den Motorhersteller, kompakte Motoren mit hoher Leistungsdichte zu bauen. Diese 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.“ 

Der Einsatz einer Multilevel-Endstufe in der PWM-Modulation reduziert die Wirbelstromverluste im Rotor und dadurch die Motorerwärmung. Ferner wird nur mit der halben Spannung geschaltet und so die Beanspruchung der Isolation verringert. Sieb & Meyer stellt die Multi­level-Technologie in seiner SD4M-Serie zur Verfügung. 

Zu den Talenten 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 CO2-Emissionen. 

Hocheffiziente Geräte 

In einer konkreten Anwendung geht es um Klimageräte mit Wasser als Kältemittel. Denn unter anderem haben heute Rechenzentren extrem hohe Aufwendungen für das Kühlen ihrer Systeme. Gefragt sind deshalb hocheffiziente Klimageräte, die sich optimalerweise mit ­risikoarmen Kältemitteln betreiben lassen. Der Einsatz von Turbo-Technologie in Kombination mit Wasser als Kältemittel bietet hier eine nachhaltige Lösung. Eine besondere Herausforderung ist dabei der verwendete Hochgeschwindigkeits-Synchronmotor mit hoher Leistungsdichte, der nur eine geringe Rotorerwärmung ­erlaubt und hocheffizient angetrieben werden muss. Dabei reduziert die Folienlagerung die mögliche Abfuhr der Rotorwärme zusätzlich auf ein Minium. 

„Auch in diesem Anwendungsfall sind wir praktisch der Enabler“, kommentiert Torsten Blankenburg. „Denn für diese Anwendung ist ein Kompressor mit hoher ­Leistungsdichte notwendig, und der Motor muss entsprechend hocheffizient angetrieben werden bei gleich­zeitig geringer Erwärmung. Das ist die Voraussetzung, um so ein System überhaupt zum Laufen zu bringen. Die Lösung ist hier unser SD2S, das Vorgängermodell des SD4S, den wir kundenspezifisch angepasst haben.“ 

Autor: Markus Finselberger, Leiter Vertrieb Antriebselektronik, Sieb & Meyer AG 

Bilder: Sieb & Meyer AG, Otto Boge GmbH & Co. KG 

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