Antriebstechnik Kompakte und energie-effiziente Antriebe

Es existieren vielfältige Faktoren, die auf die Entwicklung von Antrieben Einfluss nehmen. Dies sind neben kommerziellen und technischen Aspekten immer mehr Normen und Verordnungen, die zu beachten sind. Im Jahr 2005 verabschiedete die Europäische Union die Ökodesign-Richtlinie, in der für ausgewählte Produktgruppen mit besonders hohem Energiebedarf Verordnungen erarbeitet wurden, die sowohl den Energieumsatz als auch ökonomische Aspekte wie Umweltverträglichkeit und Lebensdauer regeln. Eine dieser Gruppen ist die Gruppe 11, die Elektromotoren, Umlaufpumpen, Ventilatoren und Wasserpumpen beinhaltet.

Ein kompaktes Umrichterdesign

2009 wurde eine neue Richtlinie 2009/125/EG (ErP-Richtlinie, Ökodesign-Richtlinie) verabschiedet, die die bisherige von 2005 ablöst. Diese Richtlinie schafft einen Rahmen für die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung energieumsetzender Produkte [1]. Die wesentlichen Ziele der Richtlinie sind [2]:

  • Verbesserung der Umweltauswirkungen energiebetriebener Produkte: „Dieses Ziel soll durch die Formulierung von einzelnen Anforderungen in Durchführungs- maßnahmen sowie von Vorschriften zur Kontrolle, Dokumentation und Kennzeichnung von Produkten erreicht werden. Hier wird der gesamte Produktlebenszyklus betrachtet, daher muss bereits bei der Entwicklung angesetzt werden.“
  • Klimaschutz: „Die Verringerung des Energieverbrauchs und der Emission von Treibhausgasen durch Produktion, Betrieb und Entsorgung energiebetriebener Produkte soll das Erreichen der EU-Klimaschutzziele unterstützen. Bei den Produkten der ersten Gruppen liegt der Schwerpunkt auf dem Energieverbrauch in der Nutzungsphase, da in dieser Zeit die meisten Emissionen an Treibhausgasen anfallen.“
  • Harmonisierte Gesetzgebung: „Die Richtlinie schafft einen Rahmen für eine europäische Regelung der Ökodesign-Anforderungen, um keine Handelshemmnisse durch national unterschiedliche Vorschriften entstehen zu lassen. Dies wird erreicht durch den Erlass von verbindlichen Durchführungsmaßnahmen für die gesamte Gemeinschaft und den Schutz des freien Warenverkehrs (Art. 6) vor weitergehenden Vorschriften der Mitgliedsstaaten.“

Konkret heißt das für Elektromotoren, Umlaufpumpen, Ventilatoren und Wasserpumpen, dass Energieeffizienzklassen geändert und feste Termine zur Umsetzung der Richtlinie verabschiedet wurden. Die Festlegungen erfolgten in der Verordnung (EG) Nr. 640/2009 der Kommission vom 22. Juli 2009 zur Durchführung der Richtlinie 2005/32/EG des Europäischen Parlaments und des Rates im Hinblick auf die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Elektromotoren.

Einen der in der Verordnung benannten Gründe beschreibt [3]: „Elektrische Antriebssysteme umfassen eine Reihe energiebetriebener Produkte, zum Beispiel Motoren, Steuerungen, Pumpen oder Ventilatoren. Motoren und Drehzahlregelungen gehören dabei zu den wichtigsten Produkten. Deshalb wird in dieser Verordnung vorgeschrieben, dass bestimmte Motortypen mit Drehzahlregelung ausgestattet sein müssen.“

Im Artikel 2 ist der zeitliche Ablauf zur Umsetzung der Verordnung enthalten. Die einzelnen Ökodesign-Anforderungen treten demnach nach folgendem Zeitplan in Kraft:

  • „1. Ab 16. Juni 2011 müssen Motoren mindestens das in Anhang I Nummer 1 definierte Effizienzniveau IE2 erreichen.
  • 2. Ab 1. Januar 2015 gilt: i) Motoren mit einer Nennausgangsleistung von 7,5--375 kW müssen entweder mindestens das in Anhang I Nummer 1 definierte Effizienzniveau IE3 erreichen oder dem in Anhang I Nummer 1 definierten Effizienzniveau IE2 entsprechen und mit einer Drehzahlregelung ausgestattet sein.
  • 3. Ab 1. Januar 2017 gilt: i) Alle Motoren mit einer Nennausgangsleistung von 0,75--375 kW müssen entweder mindestens das in Anhang I Nummer 1 definierte Effizienzniveau IE3 erreichen oder dem in Anhang I Nummer 1 definierten Effizienzniveau IE2 entsprechen und mit einer Drehzahlregelung ausgestattet sein.“

Die Effizienzniveaus IE2 und IE3 sind in den Tabellen 1 und 2 des Anhangs 1 der Verordnung nachzulesen.

Die hier geforderten Motoren mit hohen Wirkungsgraden sind teuer und in den meisten Fällen ist es sinnvoller, auf drehzahlgeregelte Antriebe umzustellen und das Effizienzniveau IE2 zu erfüllen. Der Ersatz bestehender, nicht mit Frequenzumrichter geregelter Antriebe bedeutet, dass nicht immer ein Schaltschrank mit einem oder mehreren Umrichtern aufgestellt werden kann. Dadurch ergibt sich ein erhöhter Bedarf an dezentralisierten Antriebssystemen, die auf zwei Arten ausgeführt sein können: Einerseits durch motorintegrierte Umrichter und andererseits durch kompakte Umrichter, die in der Nähe des Motors installiert werden.

Auch die Anzahl der Umrichter in Schaltschränken, also zentralen Umrichtern in typischen Industrieanwendungen wird steigen. Auch hier ist der zusätzliche Platzbedarf ein wesentlicher Grund der Forderung nach kompakten Umrichterlösungen.

Der kompakte Aufbau eines Umrichters ist realisierbar durch innovative Leistungselektronik, die den Ökodesign-Anforderungen gerecht wird. Die Herausforderung, der sich Schaltschrankhersteller und Anlagenerrichter stellen müssen, ist die wirksame Entwärmung, da ein kompakter Aufbau gleichzeitig erhöhte Leistungsdichte bedeutet. Aus der Leistungsdichteerhöhung lässt sich eine Vielzahl von Designanforderungen ableiten. Ein kompaktes Umrichterdesign dient als Beispiel, um diese Anforderungen zu beleuchten.

Die Erhöhung der Leistungsdichte von Frequenzumrichtern wird mit der Verschärfung der Ökodesign-Richtlinie weiterhin ein zentraler Baustein für die Entwicklung solcher Geräte sein. Den geringen Platzbedarf bei der Umrüstung bereits bestehender Anlagen oder die Umrichter-Integration im Elektromotor ist eine Herausforderung für die Miniaturisierung und das thermische Management.

Der Fokus liegt hierbei auf den schaltenden Bauelementen, die in der Regel in jedem Frequenzumrichter einer Antriebsapplikation auf IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) basieren. Damit gekoppelt sind natürlich auch die passive Bauelemente und die Ansteuerelektronik des Gesamtsystems.

Während des Betriebs erzeugen IGBTs dynamische und statische Verluste, die in Wärme umgewandelt und über ein Kühlungssystem an die Umgebung abgegeben werden muss. Dabei stellt der Kühlkörper eines der größten Bauteile im Gesamtsystem dar. Um den Kühlungsaufwand zu reduzieren, bedarf es Leistungshalbleitern mit geringen Schalt- und Leitverlusten.

Neue Technologien erlauben zusätzlich auch höhere maximale Betriebstemperaturen (Tj). Die Verringerung der Verluste und die Erhöhung der maximalen Sperrschichttemperaturen werden bei der Entwicklung neuer IGBT-Technologien und neuen Halbleitern basierend auf Materialien mit großer Bandlücke wie SiC (Siliziumcarbid) und GaN (Galliumnitrid) berücksichtigt. Die Studie [4] zeigt einen 12-kVA-Umrichter mit SiC-Bauelementen, der auf eine forcierte Kühlung verzichtet (Bild 1).

Eine andere Studie [5] zeigt einen Leistungsdichterekord von 20 kW/l durch die Verwendung einer Matrix-Topologie zusammen mit SiC-Leistungshalbleitern (Bild 2).

Die heutige IGBT-4-Generation erlaubt eine maximale Sperrschichttemperatur von 150 °C, IGBT-5-Chips werden sogar 175 °C ermöglichen und die SiC-Technologie eine Temperatur jenseits der 200 °C. Diese hohen Temperaturen führen innerhalb von sehr kompakten Umrichtern zu einer erhöhten thermischen Belastung der passiven Komponenten und der Ansteuerelektronik. Aus diesem Grund sind hier Maßnahmen notwendig, um keine Einschränkung der Lebensdauer des gesamten Systems zu haben.

Ein anderer wichtiger Aspekt, der mit der Anforderung der Miniaturisierung an Bedeutung gewinnt, ist die Geometrie der Anbindung zwischen Zwischenkreiskondensator und Leistungshalbleiter. Eine Erhöhung der Leistungsdichte bedeutet mehr Leistung pro Volumen (P/Vol.). Da die Leistung direkt mit dem Ausgangstrom des Umrichters gekoppelt ist, ist eine erhöhte Leistungsdichte mit mehr Strom I pro Volumen (I/Vol.) und somit mehr Strom pro Leistungsschalter verbunden.

Hoher Strom zusammen mit der in Umrichtersystemen immer vorhandenen Aufbauinduktivität kann während des Ausschaltvorgangs zu höheren Überspannungsspitzen und Oszillationen führen. Dieses beschränkt die Ausnutzung der Leistungshalbleiter und hat ein schlechtes EMV-Verhalten zur Folge. Das Phänomen ist in [6] detailliert beschrieben.

Im Folgenden wird ein 3-phasiger Demonstrator vorgestellt. Der Fokus wurde hier auf die Reduzierung der Aufbauinduktivität und auf den Einsatz von Komponenten mit höherer Betriebs-temperatur gerichtet. Um die Leistungsdichte des Systems zu bewerten, wurde es mit einem existierenden Aufbau mit 62-mm-Modulen und 70-nH-Aufbauinduktivität verglichen. Der Demonstrator wurde verglichen mit einem Referenz-Umrichter, der mit FF450R12KE4-Halbbrücken-Modulen, Elektrolyt-Zwischenkreiskondensatoren mit Schraubanschlüssen, Busbar mit Bandleitergeometrie und forcierter Luftkühlung aufgebaut ist. Mit 210 kVA erreicht dieser eine Leistungsdichte von 8,5 kVA/l.