Frequenzumrichter von Sieb & Meyer Drei-Level-Technologie versus LC-Filter

Qualität der Motorströme verbessern

Für Drehstrommotoren ist es essentiell wichtig, dass die Qualität der eingeprägten Motorströme qualitativ sehr gut ist. Alles, was von der idealen Sinusform abweicht, erzeugt Verluste im Motor. Etwa 90 Prozent dieser Verluste entstehen im Rotor und führen damit zu unerwünschten Erwärmungen. Der von der Sinusform abweichende Motorstromanteil wird vom Umrichter mit seiner PWM-Arbeitsweise erzeugt und stellt sich als sogenannter Ripple-Strom dar. Dieser überlagert den sinusförmigen Motorstrom. Der sich einstellende Ripple-Strom ist abhängig von der Schaltfrequenz, der Umrichter-DC-Spannung und - ganz entscheidend – von der Motorinduktivität. Kleine Induktivitäten erzeugen große Ripple-Ströme, was besonders bei schnelllaufenden Synchronmotoren sehr ungünstig ist, weil diese physikalisch bedingt sehr kleine Induktivitäten haben müssen. Die entstehende Rotorerwärmung kann extreme Auswirkungen auf die Rotorstabilität, die Permanentmagnete und die Lagerung haben. Die Probleme treten vor allem bei hohen Nenndrehzahlen des Motors auf. Um dies zu vermeiden, werden bei Standard-Umrichtern mit Zwei-Level-PWM und niedriger Schaltfrequenz häufig LC-Filter eingesetzt.

Eine weitere Lösungsmöglichkeit besteht jedoch darin, die Schaltfrequenz für die PWM zu erhöhen. Wird sie verdoppelt, reduziert sich der Ripple-Strom normalerweise um die Hälfte. Technisch wie wirtschaftlich hat dies allerdings seine Grenzen. Zum einen sind schnell schaltende Leistungstransistoren im höheren Spannungsbereich teurer. Aber auch die Schaltverluste in der Endstufe nehmen extrem zu, was sich sehr ungünstig auf den Wirkungsgrad und damit auch den Kühlungsaufwand auswirkt. Außerdem reagieren nicht alle Motoren positiv auf eine Schaltfrequenzerhöhung. Baubedingt kommt es vor, dass eine Erhöhung der Schaltfrequenz nur sehr wenig Verbesserungen in den Motorverlusten bringt. Dies ist hauptsächlich der Fall, wenn es sich um Synchronmotoren handelt, in denen keine Segmentierung der Permanentmagnete vorliegt.