Frequenzumrichter verbessern die Klima-Bilanz

Mehr Energieeffizienz und weniger CO2-Emissionen

Bei seiner Frequenzumrichter-Familie SD4x hat Sieb & Meyer die Prozessorleistung erhöht und die Regelfunktionen erweitert. So lässt sich der Wirkungsgrad in der Anwendung steigern und der Energieverbrauch sowie die CO2-Emissionen reduzieren. Außerdem schaffen die Antriebs- und Steuerungslösungen die Voraussetzung für bestimmte klimafreundliche Applikationen, die wiederum die Energiewende befördern.
 Die zentralen Vorteile der SD4x-Produktfamilie sind die optimierte Performance, höhere Drehzahlen sowie die geringe Motorerwärmung ohne Sinusfilter.
Die zentralen Vorteile der SD4x-Produktfamilie sind die optimierte Performance, höhere Drehzahlen sowie die geringe Motorerwärmung ohne Sinusfilter.Bild: Sieb & Meyer AG

Mit seiner für Hochgeschwindigkeitsanwendungen konzipierten SD4x-Frequenzumrichter-Familie 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 System-Wirkungsgrad um mehrere Prozentpunkte“, bilanziert der CTO Torsten Blankenburg. „Zum Beispiel konnte der Wirkungsgrad in einer 200-kW-Applikation um ca. 2 Prozent gesteigert werden. So reduzierte sich im 24/7-Betrieb der Energieverbrauch um 39MWh pro Jahr, was bei einem Strompreis von 0,26 Euro pro kWh einer Einsparung von 10.000 Euro entspricht. Gleichzeitig werden 15t weniger CO2 freigesetzt. Das bedeutet bei einer CO2-Abgabe von aktuell 30€/t eine weitere Ersparnis von 450 Euro.“

Aufgrund der hohen PWM-Frequenzen sind die Frequenzumrichter für Hochgeschwindigkeits-Anwendungen geeignet und der Anwender muss keine Abstriche bei der Leistungsfähigkeit der Geräte machen. Zudem lässt sich gerade bei niederinduktiven Motoren der für die Motorerwärmung relevante Rippelstrom durch die hohe Schaltfrequenz signifikant senken. Denn während beispielsweise bei einer Frequenz von 8kHz das Ausgangssignal stark von der gewünschten Sinusform abweicht, erzeugen 32kHz eine fast perfekte Sinuskurve. Und je perfekter die Sinuswelle, desto geringer ist wiederum die Erwärmung, die im Rotor stattfindet.

 Die PWM-Modulation mit einer Multilevel-Endstufe reduziert die Wirbelstromverluste im Rotor und dadurch die Motorerwärmung.
Die PWM-Modulation mit einer Multilevel-Endstufe reduziert die Wirbelstromverluste im Rotor und dadurch die Motorerwärmung.Bild: Sieb & Meyer AG

Kompaktes Design dank hoher Ausgangsfrequenzen

Neben den hohen PWM-Frequenzen stellt die SD4x-Familie auch entsprechend hohe Ausgangsfrequenzen zur Verfügung. Diese erlauben nicht nur hohe Motordrehzahlen, sondern auch ein vier- statt ein zweipoliges Motor-Design. „Für ein vierpoliges Design benötigt der Motorhersteller für die gleiche Drehzahl die doppelte Ausgangsfrequenz. Er kann den Motor aber insgesamt kürzer und kompakter bauen und auf diese Weise mechanische Schwingungen im Hochgeschwindigkeitsantrieb minimieren“, beschreibt Blankenburg den Zusammenhang. „Durch die hohen Ausgangsfrequenzen schaffen wir also Freiheitsgrade für den Motorhersteller, kompakte Motoren mit hoher Leistungsdichte zu bauen. Diese wiederum sind die Voraussetzung für effiziente Highspeed-Applikationen mit hohem Wirkungsgrad, wie Turbokompressoren, die sich mit einem zweipoligen Motor gar nicht realisieren lassen. Mit unseren Frequenzumrichtern sind wir also ein Enabler, um den Schritt in Richtung höhere Effizienz überhaupt gehen zu können.“

Außerdem lässt sich der Wirkungsgrad einer Anwendung durch den Einsatz der PWM-Modulation mit einer Multilevel-Endstufe steigern, wie sie serienmäßig in der SD4M-Serie enthalten ist. Diese reduziert nämlich die Wirbelstromverluste im Rotor und dadurch die Motorerwärmung. Darüber hinaus wird nur mit der halben Spannung geschaltet, was die Beanspruchung der Isolation verringert.

 Mit der SD4x-Produktfamilie bietet Sieb & Meyer dem Anwender einen Baukasten an unterschiedlichen Antriebsfunktionen, so dass für jedes Highspeed-Applikationsfeld jeweils die passende Antriebsfunktion zur Verfügung steht.
Mit der SD4x-Produktfamilie bietet Sieb & Meyer dem Anwender einen Baukasten an unterschiedlichen Antriebsfunktionen, so dass für jedes Highspeed-Applikationsfeld jeweils die passende Antriebsfunktion zur Verfügung steht.Bild: Sieb & Meyer AG

Exakte Regelung von IPM-Motoren

IPM-Motoren stellen deutlich höhere Anforderungen an einen Frequenzumrichter. So muss der Stromwinkel in Abhängigkeit des Betriebspunktes exakt 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 regeln, sodass sich immer das richtige Moment bei gleichzeitig geringem Motorstrom ergibt. Das verringert die Verluste im Motor und im Umrichter, verbessert die Energiebilanz und reduziert die CO2-Emissionen.

In der Praxis

Bei einer Abwasseraufbereitungsanlage, die mit Turboverdichtern oder Turbokompressoren belüftet wird, laufen die Verdichter bzw. Kompressoren an 365 Tagen im Jahr rund um die Uhr. Entsprechend wichtig sind die Anlageneffizienz sowie eine möglichst geringe Motorerwärmung. Mit dem SD4M mit Multilevel-Endstufe konnte Sieb & Meyer den Wirkungsgrad der Turboverdichter bzw. -kompressoren um mehrere Prozentpunkte erhöhen.

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