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Industrie 4 0 14 Trend Guide Industrie 4 0 IIoT KI 2025 www markttechnik de Wie funktioniert ein Multi-Level-Frequenzumrichter? Die meisten Frequenzumrichter die heutzutage in der Antriebstechnik zum Einsatz kommen beruhen auf der Zwei-Level-Technologie Das bedeutet dass die Umrichter eine vorab aus der Netzwechselspannung gleichgerichtete DC-Spannung in eine Wechselspannung mit variabler Frequenz und Amplitude umwandeln die dann einen Motor mit regelbarer Drehzahl antreibt Die Erzeugung der Wechselspannung erfolgt mit wechselnder Polarität – Plus und Minus – auf zwei Stufen Level Häufig wird dazu die Modulationsart PWM Puls-Weiten-Modulation genutzt Multi-Level-Umrichter verfügen über mindestens eine weitere Spannungs-Zwischenstufe Dafür ist eine deutlich andere Endstufen-Topologie notwendig Während ein dreiphasiger Zwei-Level-Umrichter sechs elektronische Leistungsschalter Transistoren benötigt braucht ein Drei-Level-Umrichter bereits zwölf Schalter Wo kommen Multi-Level-Umrichter zum Einsatz? Multi-Level-Umrichter ermöglichen unter anderem eine deutliche Effizienzsteigerung von Strömungsmaschinen wie Turboverdichtern und -kompressoren beispielsweise in der Abwasseraufbereitung von rotierenden Energiespeichern Flywheel sowie von ORC-Anlagen zur Verstromung von Restenergie Die Effizienz dieser Systeme steigt mit ihrer Dreh-Die Drei-Level-Technologie der SD4M-Serie von Sieb Meyer liefert in der Kombination mit geräteabhängigen Schaltfrequenzen bis zu 32 kHz eine hohe Stromqualität und sorgt so für geringe Motorverluste und einen entsprechend hohen Wirkungsgrad Bild Sieb Meyer AG zahl Allerdings gab es bislang kaum Umrichter für Ausgangsleistungen >100 kW und Drehfeldfrequenzen bis 2000 Hz – vor allem wenn es um die sensorlose Regelung von Synchronmotoren ging Diese Lücke schließt die Multi-Level-Technologie Welche Anforderungen stellen HG-Motoren an die Umrichter-Technologie? In den oben beschriebenen Anwendungen kommen Hochgeschwindigkeitsmotoren HG-Motoren zum Einsatz die ihre Leistung über die Drehzahl und nicht über das Drehmoment erzeugen Überschlägig gilt Das Rotorvolumen verändert sich analog zum Kehrwert der Drehzahlerhöhung Das heißt bei zehnfacher Drehzahl verringert sich das Rotorvolumen auf ein Zehntel Daraus wiederum resultiert eine eingeschränkte Wärmeabfuhr Dieser negative Aspekt verstärkt sich wenn die Motoren im Vakuum oder Gasen mit geringer Wärmeleitfähigkeit betrieben werden was beispiels weise bei einem Flywheel der Fall ist Entsprechend müssen die eingesetzten Frequenzumrichter Motorverluste und damit verbundene Wärmeentwicklung weitestgehend reduzieren Wie beeinflussen hohe Drehzahlen das Motordesign …? Auch das Motordesign muss an das anwendungsseitig benötigte Leistungs-Drehzahlverhältnis angepasst werden Dabei ist die zulässige Umfangsgeschwindigkeit des Rotors ebenso zu beachten wie die biegekritischen Frequenzen der zugehörigen Welle Für einen Synchronmotor mit 100 kW bei 60 000 1 min bedeutet das beispielsweise dass die benötigte Leistungsdichte nur mit einem vierpoligen Motordesign realisiert werden kann Ein zweipoliges Design würde aufgrund der schlechteren Verteilung des magnetischen Feldes und der damit verbundenen unsymmetrischen Magnetausnutzung ein um das 1 5-Fache größeres Rotorvolumen erfordern Allerdings wäre die daraus resultierende Wellenlänge aufgrund biegekritischer Frequenzen nicht realisierbar Folglich ist für den Betrieb mit 60 000 1 min eine Drehfeldfrequenz von 2000 Hz anstatt von 1000 Hz erforderlich was die Nutzung eines Hochgeschwindigkeitsumrichters notwendig macht … und welchen Einfluss haben sie auf die Motorverluste? Bislang wurden hier Zwei-Level-Frequenzumrichter eingesetzt die die benötigte Ausgangsspannung mittels PWM erzeugen Hier ergibt sich jedoch in Abhängigkeit von der verwendeten Schaltfrequenz und der Induk-Durch die Drei-Level-Technologie und die gegenüber Standard-Umrichtern höhere Schaltfrequenz ergibt sich eine Reduzierung der harmonischen Stromanteile Ripplestrom auf 10 Prozent sodass die umrichterbedingten Rotorverluste signifikant sinken Bild Sieb Meyer AG