Antriebstechnik 30.11.2007, 19:31 Uhr

Umrichter verbessern die Energiebilanz  

VDI nachrichten, Nürnberg, 30. 11. 07. kip – Umrichtertechnik als effektive Antriebsregelung ist ein Wachstumsmarkt – so der Tenor auf dem Messekongress zur SPS/IPC/Drives. Es ging um aktive elektronische Filter zur Vermeidung unerwünschter Netzrückwirkungen ebenso wie um elektronische Lastsimulatoren für Antriebslösungen und vereinfachte Inbetriebnahmeverfahren zur Reglerparametrierung.

Über die Vor- und Nachteile verschiedener Umrichtertopologien geregelter Antriebe berichtete Benno Weis von der Siemens AG in Erlangen auf der SPS/IPC/Drives: „Bei den Umrichtern sind heute im Wesentlichen vier Topologien im Einsatz. Neben der klassischen Diodeneinspeisung der F3E-Umrichter ohne Gleichspannungszwischenkreis, gibt es den AFE-Umrichter, der wie der Diodengleichrichter mit hoher Zwischenkreiskapazität ausgeführt ist und die Matrixumrichter, die auch s ohne Gleichspannungszwischenkreis arbeiten.“

Würden diese verschiedenen Umrichtertopologien miteinander verglichen, seien ganz unterschiedliche Belange relevant: „Ist keine Rückspeisefähigkeit erforderlich, so stellt der Umrichter mit Diodeneinspeisung die kostengünstigste Lösung dar“, betonte Weis. Allerdings sei der Abstand zum F3E gering. Diese Topologie biete zusätzlich Rückspeisefähigkeit und damit eine verbesserte Energieeffizienz. Die Netzrückwirkungen seien dort deutlich besser als bei der Diodeneinspeisung. Weis: „Weitere Vorteile wie z. B. eine verbesserte Lebensdauer durch den Wegfall der Elektrolytkondensatoren des Zwischenkreises oder ein reduzierter Installationsaufwand durch Wegfall von Netzdrossel und Bremswiderstand machen diese Topologie somit zu einer sehr interessanten Lösung für viele Anwendungen.“

Die Lösung mit AFE sei hingegen wesentlich aufwendiger und verlustreicher, erreiche aber nochmals deutlich reduzierte Netzrückwirkungen. „Sie ist insbesondere beim Einsatz in Mehrachsantrieben vorteilhaft, bei der mehrere Wechselrichter an einer gemeinsamen DC-Schiene betrieben werden“, so Weis. Für den Matrixumrichter sind Vorteile gegenüber dem AFE auf der einen und dem F3E auf der anderen Seite gering. Es bleibt daher für den Antriebsspezialisten auch in Zukunft fraglich, ob diese Topologie eine weite Verbreitung finden wird.

Gerade unerwünschte Netzrückwirkungen erweisen sich aber oft als Problemfall. Sie belasten Übertragungsnetz, Kompensationsanlagen und Transformatoren durch Ummagnetisierungsverluste sowie zunehmende Geräuschentwicklung und machen eine Überdimensionierung erforderlich. Falko Wiehle von Danfoss empfahl daher aktive Filtersysteme zur Reduzierung von Oberschwingungen bei elektrischen Antrieben: „Die bisher meist eingesetzten Möglichkeiten zur Oberschwingungsreduzierung, wie passive Filter oder die „Quasi 12-puls“-Schaltung sind zwar gleichermaßen bewährt wie robust, tragen allerdings meist den Nachteil, dass sie nicht ohne größeren Aufwand nachrüstbar sind.“ Genau hier setze das aktive elektronische Filter an.

Das Funktionsprinzip eines aktiven Filters beruht auf einer gezielten Auslöschung der harmonischen Oberwellenströme durch eine aktive Stromquelle. Für Wiehle ein spürbarer Vorteil: „Der mikroprozessorgesteuerte elektronische Filter erlaubt es, mehr als die passiven Lösungen, ganz gezielt bestimmte Oberschwingungen zu bedämpfen, andere hingegen unberücksichtigt zu lassen.“ Das spare Filterleistung. Als Faustformel rechnete er vor, dass nur rund 35 % der zu bedämpfenden Leistung des elektrischen Antriebs mit einer B6-Diodenbrücke als Filterleistung bereitgestellt werden muss. Dadurch könnten die Geräte viel kompakter ausfallen und der Klimatisierungsbedarf sinkt.

Bernd Amlang und Christian Gröling von der TU Braunschweig präsentierten auf dem Kongress einen elektronischen Lastsimulator für Antriebslösungen, der auf dem Hardware-in-the-Loop-Prinzip beruht. Der Vorteil gegenüber konventionellen Umrichterprüfständen: Das System benötigt keinerlei mechanische Komponenten mehr, wie Lastsätze und eine große Anzahl unterschiedlicher Antriebsmaschinen, da diese virtuell durch ein mathematisches Echtzeitmodell für die Drehfeldmaschine und deren Last nachgebildet werden. „Dadurch lassen sich Änderungen der Konfiguration schnell per Software vornehmen und die Nachbildung von Extremsituationen bei Spitzenbelastungen wird ohne großes Gefahrenpotenzial möglich,“ so Amlang.

Ein vereinfachtes Inbetriebnahmeverfahren zur Reglerparametrierung bei Asynchronmotoren durch elektronische Unterstützung wiederum beschrieb Rainer Graf von der NUM Antriebstechnik in Holzmaden: „Bei drehzahlgesteuerten Spindelantrieben für Bearbeitungsmaschinen, wie etwa Fräsantriebe von Holz- und Kunstoff-Bearbeitungsmaschinen, Fräszellen in der Metallbearbeitung oder lagegeregelten Hauptspindelantrieben moderner Drehzentren, besteht das übliche Verfahren noch darin, die Maschine mittels Stelltransformator mit variabler Spannung zu speisen.“ Der ist jedoch in der Montage eines Spindelbauers eher selten zu finden. Meist muss die Spindel für die Messung nach dem Zusammenbau in ein entsprechend ausgerüstetes Prüffeld geschafft oder der Stelltransformator für die Messung zur Spindel gebracht werden, was zeitraubend und kostenintensiv ist.

„Unser neues Verfahren ermöglicht die messtechnische Ermittlung der Motorparameter im Feld ohne solche Spezialgeräte, nur mit dem PC des Maschinenbedienfelds und der meist im Antriebstool integrierten Oszilloskop-Funktion,“ erläuterte Graf. Seit gut einem Jahr konnten damit verschiedene Spindeln unterschiedlicher Hersteller erfolgreich in Betrieb genommen werden. So zum Beispiel die montierte Spindel im Fräskopf einer Maschine zur Bearbeitung von Aluminiumrohren. E. LANGE/KIP

Antriebsmaschinen werden durch mathematische Echtzeitmodelle nachgebildet

Von E. Lange/Dietmar Kippels

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