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.
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.
Bild: Sieb & Meyer AGKompaktes 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.
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.
Auch bei Schnellladelösungen in Verbindung mit einem Schwungmassenspeicher, auch Flywheel genannt, sorgen die Frequenzumrichter für Effizienz. Die Schwungmassenspeicher stellen die zum Laden des Elektro-Fahrzeugs benötigte Energie bereit und speichern sie zwischen den Ladevorgängen. Der Rotor des Flywheels arbeitet dabei unter Hochvakuum. Durch dessen hohe Isolationswirkung kann die Wärmeabfuhr ausschließlich über Strahlungswärme erfolgen. Darüber hinaus handelt es sich um ein magnetgelagertes, sprich kontaktloses System, so dass die Rotorwärme nicht über die Lagerung ausgeschleust werden kann. Da die Frequenzumrichter von
Sieb & Meyer nur wenig Wärme produzieren, machen sie solche Anwendungen zum Teil überhaupt erst möglich.
Auch im Bereich der Grün-Strom-Erzeugung über ORC- (Organic Rankine Cycle) oder Mikrogasturbienen sorgt die SD4M-Serie für das geforderte hohe Maß an Effizienz. Denn sowohl bei der Verstromung von Biogas als auch von Abwärme über den ORC-Prozess müssen Hochgeschwindigkeits-Generatoren effizient betrieben werden, um den bestmöglichen Wirkungsgrad zu generieren. Beide Prozesse basieren auf einem Turboverdichter, welcher die Turbine mit Verbrennungsgasen bzw. dem verdampften Kältemittel aus dem ORC-Prozess speist. Die zur Verfügung stehenden Varianten mit DC-Versorgung ermöglichen dabei die Kopplung mit externen Einspeisenetzteilen, welche auf die weltweit unterschiedlichen Netzbedingungen optimiert sind.
Variantenreiche Familie
Aktuell umfasst die SD4x-Familie die Serien SD4B, SD4S und SD4M. Den SD4S gibt in den Baugrößen B, C und D, mit insgesamt sieben Geräte-Varianten für unterschiedliche Spannungs- und Leistungsklassen. Der SD4M steht in vier Baugrößen mit sieben Leistungsklassen im Bereich von 83 bis 554kVA zur Verfügung. "Zurzeit arbeiten wir an der Ausweitung der Leistungsklassen innerhalb der SD4S-Serie", blickt Blankenburg in die Zukunft. "Noch in diesem Jahr wollen wir unsere komplette SD2S-Serie durch die SD4S-Serie ersetzen." Alle Geräte unterstützen neue Schnittstellen und bieten eine Reihe von zusätzlichen Funktionen. Anwender profitieren von höheren Drehzahlen und einer deutlich verbesserten Performance.
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.
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.
SIEB & MEYER AG
Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN 2 (März) 2024 - 04.03.24.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
