Rekordwert für Hochleistungs-Frequenzumrichter

Eine neue Entwicklung des Instituts für Elektrische Maschinen, Antriebe und Bahnen (IMAB) der Technischen Universität Braunschweig kann dazu führen, dass künftig beispielsweise Bahnantriebe und Industrieantriebe höhere Maschinenleistungen oder bessere Wirkungsgrade erreichen, beziehungsweise dass Energie eingespart wird. Dort ist es gelungen, die bisher mögliche Schaltfrequenz mit einem mehr als doppelt so hohen Rekordwert zu übertreffen.

Drehstrommotoren sind Antriebe, wie sie in modernen Bahnen, aber auch in allen Industriezweigen im Bereich hoher Leistungen zum Einsatz kommen. Sie müssen mit annähernd sinusförmigem Strom versorgt werden. Bei drehzahlregelbaren Antrieben erstrecken sich die verwendeten Frequenzen teilweise auch über die vom Versorgungsnetz her bekannten 50 Hertz hinaus, denn die Frequenz des Stromes bestimmt die Drehzahl der Motoren. Je exakter der Stromverlauf sich der Sinusform annähert, umso effizienter kann der Motor ausgenutzt werden.

Die Sinusform entsteht, indem eine hohe Gleichspannung pulsweise an den Motor angelegt wird. In der Regel werden dafür mindestens sechs bis acht Pulse für eine Periode benötigt. Je höher die Taktfrequenz dieses Pulsmusters ist, umso genauer kann die gewünschte Sinusform nachgefahren werden. Das Problem: Bei niedrigen Taktfrequenzen steigen die Zusatzverluste im Motor an und der Wirkungsgrad verschlechtert sich, bei hohen Taktfrequenzen steigen die Schaltverluste in den Halbleiterschaltern stark an und begrenzen so den zulässigen Strom. Bei Leistungen im Megawatt-Bereich mit entsprechend hohen Spannungen verwendet man Hochspannungs-Halbleiterschalter, deren Taktfrequenz auf ca. 2 kHz (Kilohertz) begrenzt war. Eine höhere Taktfrequenz konnte aufgrund der Schaltverluste bisher nur bei stark verringertem Strom bewältigt werden.

Diese Grenzen hat das TU-Institut in Kooperation mit einem der führenden Hersteller von Leistungshalbleitern, der Firma EUPEC, Warstein, nun überwunden: Am IMAB konnte weltweit erstmalig eine Frequenz von 5 kHz bei immer noch hohem Strom (800 A effektiv) und einer Zwischenkreis-Gleichspannung von 1500 Volt erreicht werden. Dazu wurde ein so genannter „Wechselrichter mit resonantem Hilfskreis“ zusammen mit einer am Institut eigens dafür entwickelten Steuerung eingesetzt.

Durch die intelligente Steuerung der Hilfskreise können die gleichen Leistungsschalter deutlich höhere Frequenzen erzielen. Ein positiver Nebeneffekt ist, dass Überspannungen an den angeschlossenen Motoren verhindert werden und deren Isolation entsprechend einfacher und sicherer ausgeführt werden kann.

„Die Möglichkeit der höheren Ausnutzung von Industrieantrieben bietet gute Aussichten auf erfolgreichen Technologietransfer. Wir sehen darin eine gute Basis für weitere Industriekooperationen mit unserem Institut“, so Prof. Dr.-Ing. Wolf-Rüdiger Canders, der Leiter des IMAB. Gefördert wurde das Projekt vom Bundeswirtschaftsministerium im Rahmen des Leitprojektes „Dynastore“.