Energiesparen mit Frequenzumrichter

Ausschnitt aus der RAVEL-Dokumentation "RAVEL im Maschinenbau" Nr. 724.333 D
von Benno Jäckli, Firma Schmidhauser AG, Neukirch-Egnach

Einleitung

Ein Grossteil der industriellen Antriebsaufgaben werden mit Asynchronmotoren realisiert, welche direkt oder über einen Stern-Dreieck-Schalter mit dem elektrischen Netz verbunden sind. Die Energiezufuhr zu den Maschinen kann nur über einen EIN-AUS-Schalter gesteuert werden. Für eine reduzierte Leistungsabgabe werden energievernichtende By-Pass Einrichtungen oder Drosseln eingesetzt.

Mit einem Frequenzumrichter können solche Maschinen energieeffizienter konstruiert und betrieben werden. Obwohl Umrichter durch ihre eigenen Wärmeverluste den Wirkungsgrad für die Umwandlung von elektrischer in mechanischer Energie verkleinern, ist der durchschnittliche Wirkungsgrad über den ganzen Betriebsbereich besser. Der zusätzliche Energieaufwand für den Wärmeverlust in den Leistungshalbleitern wird in der Regel auf der mechanischen Seite mit Energieeinsparungen um ein mehrfaches kompensiert.

Antriebssysteme mit Frequenzumrichter

Die heutzutage erhältlichen Antriebssysteme mit Frequenzumrichtern decken eine Vielzahl von Applikationen mit unterschiedlichen Anforderungen ab. Die Umrichtersysteme lassen sich in folgende Gruppen einteilen:

Alle genannten Antriebssysteme arbeiten mit Umrichtern, welche sich hauptsächlich in der Komplexität des Steuerteiles unterscheiden. Der Leistungsteil dieser Umrichter ist in etwa der gleiche.

Aufbau des Leistungsteil

Die Aufgabe des Leistungsteiles besteht darin, aus der Netzspannung ein neues Versorgungsnetz zu erzeugen, welches mit variabler Spannung und Frequenz arbeiten kann. Dazu gibt es unterschiedliche Möglichkeiten:

Der Direktumrichter arbeitet, analog wie eine Phasenanschnittsteuerung, mit einem dreiphasigen Stellglied, welches am Umrichterausgang die Energie ohne Zwischenspeicherung zur Verfügung stellt (Abb. 1 und 2).

Der Zwischenkreisumrichter speichert die zu übertragende Energie in einem Energiespeicher und gibt sie anschliessend gleichmässig mit der gewünschten Spannung und Frequenz an die angeschlossenen Verbraucher (Motoren) ab. Es wird zwischen zwei Arten unterschieden:

Der Stromzwischenkreisumrichter arbeitet mit einer Längsdrossel (Induktivität) als Energiespeicher, welche den Strom im Zwischenkreis konstant hält.

Der Spannungszwischenkreisumrichter benötigt eine konstante Spannung über dem Zwischenkreis. Eine Kondensatorbank dient ihm als Energiespeicher.

In den meisten Applikationen werden Umrichter mit Spannungszwischenkreis eingesetzt (Abb. 3). Als Eingangsstufe wird eine passive Gleichrichterbrücke eingesetzt, welche die Elektrolytkondensatorbank auf den Scheitelwert der Eingangsspannung auflädt. Diese konstante Spannung wird mit 6-Halbleiterschaltern (heute meistens IGBT's) so zerhackt, dass eine sinusbewertete, pulsbreitenmodulierte, dreiphasige Rechteckspannung entsteht, welche durch einen induktiven Verbraucher (Motor) einen sinusförmigen Strom fliessen lässt (Abb. 4).

Abb. 4) Typische Motorspannungen und Motorströme eines Spannungszwischenkreisumrichters

Halbleiterschalter und deren Verluste

Für die Erzeugung von rechteckförmigen Spannungen werden Halbleiterschalter eingesetzt. Ein Linearbetrieb dieser Halbleitertransistoren ist nicht zulässig, da die enorme Verlustleistung die Bauteile sofort überhitzen würde. Dem Frequenzumrichterhersteller stehen verschiedenartige Transistoren für unterschiedliche Applikationen zur Verfügung:

Der Bipolartransistor besitzt eine npn-Struktur. Zum Einschalten des Transistors wird ein Strom in den Steuereingang (Basis) eingeprägt. Der durch die Last bestimmte Ausgangsstrom IC muss nun kleiner sein, als das Produkt Stromverstärkung I * Signalstrom IB, sonst wäre der Transistor nicht vollständig geschaltet und würde bei mangelnder Kühlung schlagartig zerstört. Spannungskreisumrichter älterer Generation wurden mit Bipolartransistoren ausgerüstet.

Der MOSFET ist ein Feldeffekttransistor, welcher zum Einschalten eine Gleichspannung an seinen Steuereingang (Gate) benötigt. Im Gegensatz zu allen anderen Transistoren steigen die Durchlassverluste nicht linear sondern quadratisch mit dem Strom an. Der MOSFET ist ein sehr schnellschaltendes Bauelement, welches vorallem in batteriegespiesenen Umrichtern (Elektrogabelstapler, Elektromobile) anzufinden ist.

Der GTO ist ein ausschaltbarer Thyristor. Im stromführenden Zustand kennt er, ähnliche wie Dioden, keinen Linearbetrieb. Zum Ausschalten benötigt er einen sehr grossen Strom an seinem Steuereingang (Gate). Der langsamschaltende GTO wird vorallem in Bahnumrichtern eingesetzt.

Der IGBT ist die Kombination eines MOSFET's als Eingangsstufe und eines Bipolartransistors als Ausgangsstufe. Seine Verlustleistung ist linear zum Strom. Seine typischen Anwendungsgebiete sind allgemeine industrielle Leistungsendstufen von 100 W bis 200 kW.

Der MCT ist die Kombination eines MOSFET's als Eingangsstufe und eines ausschaltbaren Thyristors als Ausgangsstufe. Da dieses, doch eher langsamschaltende Bauelement immer noch in den Kinderschuhen steckt, ist noch nicht abzusehen wo und wann es zum industriellen Einsatz kommen wird.

Obwohl diese Halbleiter nur als Schalter eingesetzt werden, sind sie in Sachen Wärmeverluste nicht mit dem mechanischen Schalter vergleichbar. Es wird zwischen zwei verschiedenen Verlustleistungsarten unterschieden:

Durchgangsverluste treten während der stromführenden Zeit der Halbleiter auf. Über den Leistungsanschlüssen der einzelnen Halbleiter fällt eine Spannung ab, welche mit dem lastabhängigen Strom eine Verlustleistung produziert.

Die Durchgangsverluste sind Laststromabhängig und fallen vorallem bei Transistoren mit hoher Sättigungsspannung (Spannungsabfall über den Leistungspfad) sehr stark ins Gewicht.

Schaltverluste werden beim Ein- und Ausschalten von Strömen produziert. Bei einem Schaltvorgang treten Kommutierungsvorgänge auf. Das heisst, Spannung und Strom ändern gleichzeitig mit begrenzten Steilheiten ihre Werte. Dabei treten momentan sehr hohe Verlustleistungsspitzen auf, wobei sich die Verlustenergie, wegen der kurzen Zeitdauer in Grenzen hält. Bei regelmässigen Ein- und Ausschalten summieren sich jedoch diese Verlustenergien so stark, dass sie nicht mehr vernachlässigt werden können.

Die Schaltverluste sind applikationsspezifisch. Je grösser die Schaltfrequenz ist desto höher sind die Schaltverluste. Langsamschaltende Bauteile produzieren längere Kommutierungszeiten, das heisst eine grössere Verlustenergie pro Schaltvorgang. Beim Schalten von induktiven Lasten erhöhen sich die Schaltverluste, da die in den Schaltvorgang miteinbezogene Freilaufdiode zum Aufbau ihrer Sperrspannung auch Verluste produziert.

Verlustleistung von Frequenzumrichter

Frequenzumrichter weisen im Gegensatz zu mechanischen Schaltern, wo der Kontaktwiderstand die bestimmende Verlustleistungsgrösse ist, viel grössere Wärmeverluste auf. Die exakte Berechnung der Umrichterverlustleistung ist sehr aufwendig. Zur Vereinfachung wurde eine Faustformel für 3 * 400 V Umrichter, basierend auf einem variablen Motornennstrom IM erarbeitet. Diese setzt sich aus folgenden Elementen zusammen:

Gleichrichter: Bei einer Gleichrichterbrücke fliesst der gleichgerichtete Strom immer über zwei Dioden, von welcher jede etwa 1.5 V Durchlassspannung aufweist: PvGleichrichter = 3 V * IM

Zwischenkreiselektrolytkondensator: Die Kondensatoren speichern die vom Netz bezogene Energie und geben sie wieder gleichmässig an die Ausgangsstufe ab. Bei einer dreiphasigen Netzeinspeisung kann die Kondensatorbank nur sechs mal pro Netzperiode aufgeladen werden. Das verursacht grosse Rippelströme, die im Innenwiderstand des Kondensators Verlustwärme produzieren. Messungen zeigen folgende Zusammenhänge: PvElko = 0.4 V * IM

IGBT-Ausgangsstufe: Die Verluste der Ausgangsstufe setzen sich aus den Durchlassverlusten PvVentil und den Schaltverlusten PvSchalt zusammen. Die Ventilverluste sind bestimmt durch die Sättigungsspannung des eingeschalteten IGBT's. Ein Wirkstrom fliesst stets durch zwei IGBT's. Näherungsweise gilt folgender Zusammenhang: PvVentil = 6.5 V * IM . Die Schaltverluste sind von der Schaltgeschwindigkeit und von der Schalthäufigkeit fPWM abhängig. Typische Werte für die Schaltverlustenergie / Schaltstrom von IGBT's liegen im Bereich von 0.8 mJ/A: PvSchalt = 0.8 mVs * fPWM * IM

Steuerspannungsversorgung: Ein Schaltnetzteil realisiert aus dem Zwischenkreis die Steuerspannungsversorgung, deren Ausgangsleistung direkt als Verlustleistung zu werten gilt. Die Wärmeverluste der Mikroprozessorsteuerung sind vom Motorstrom unabhängig und betragen im Schnitt 8 W. Andere Hilfsspannungsverbraucher sind jedoch wieder von der Geräteleistungsklasse abhängig. Um die Geräte möglichst in kleiner Bauform anzubieten, werden die Kühlkörper in der Regel mit Lüfter zwangsgekühlt. Verlustleistungsannahme: PvSteuerung = 0.1 V * IM + 8 W

Für die Berechnung der Verlustleistung eines dreiphasigen 400 V Umrichter gilt folgende Faustformel:

Beispiel: Wirkungsgradbestimmung eines Antriebes

Bemerkung: Der Frequenzumrichter verschlechtert den Motorwirkungsgrad, da die Motorströme oberfrequente Anteile aufweisen.

Beispiele für die Energieeinsparungen mit einem Umrichter

Applikation 1: Eine bestehende Lüftungsanlage sorgt dafür, dass immer genügend Frischluft in der Tiefgarage vorhanden ist.

Neues Anlagekonzept: Der Lüftermotor (11 kW, 380 V, 23 A, 50 Hz, cos 0.83), der bisher Tag und Nacht im Betrieb war, soll über einem Frequenzumrichter (16.7 kVA, Taktfrequenz 5 kHz) drehzahlgesteuert betrieben werden. Der Umrichter regelt die Frischluftzufuhr in der Garage so, dass der CO2 - Gehalt einen Maximalwert nicht überschreitet. Als Annahme gelten folgende vereinfachten Lastverhältnisse: Vollast 4 h/Tag, 50 % Teillast 12 h/Tag, Abgeschaltet 8 h/Tag

Es stellen sich, wirtschaftlich gesehen, folgende Fragen: In welchem Umfang reduzieren sich die Energiekosten pro Jahr ? Wie lange dauert es, bis die Anlagekosten amortisiert sind ?

Bemerkungen: Der Motor hat durch die Oberwellen Zusatzverluste von 500 Watt. Motor und Umrichter haben bei Halblast etwa 80 % der Nennverlustleistung.

Bei Anschaffungskosten von 5'000 Franken zahlt sich die Anlage innerhalb von einem Jahr.

Applikation 2: Pumpensteuerung in einer kleinen betriebseigenen Abwasserreinigungsanlage.

Thematik: Der Wasserstand des Senkbecken soll bei veränderlichem Abwasserzuflusses konstant bleiben. Die Pumpe hat einen Wirkungsgrad von 90 % und wird von einem Motor mit den gleichen Daten wie im vorhergehenden Beispiel angetrieben.

Eine Messung zeigt, dass sich bei einer Halbierung des Durchflusses die aufgenommene Motorenleistung nur um 20 % reduziert. Die Aufnahmeleistung für den Pumpenmotor beträgt:

Der Leistungsbedarf einer Pumpe steigt mit der 3. Potenz des Förderstromes, er ist also bei halber Fördermenge 8 mal kleiner: (0.5 3 = 0.125)

Die Leistungseinsparung beträgt somit 7 kW oder 70 % gegenüber der Förderstromanpassung mit einer Drossel.

Aufgepasst beim Einsatz mit Umrichtern

Digitale Umrichter haben Parametriermöglichkeiten mit Standardvorgaben. Ein Umrichter kann nur energieeffizient arbeiten, wenn seine Parametrierung dem Motor und der Anwendung angepasst ist.

Motorparameter wie Motornennstrom, Motornennspannung und Motornennfrequenz entsprechen in der Regel den Werten eines dem Umrichter angepassten Motors und können, falls erforderlich, auf dem Typenschild des Motors abgelesen werden. Die Spannungsfrequenzcharakteristik ist jedoch anwendungsspezifisch und sollte angepasst werden (Tab. 1).

Anwendung	Charakteristik
Konstante Lastmomente	Linearer Spannungsanhebung
Lüftungen	Quadratische Spannungsanhebung
Pumpen	Lineare oder quadratische Spannungsanhebung
Wechselnde Lastmomente	Automatische Spannungsanhebung

Frequenzumrichter erzeugen am Motorausgang schnelle Spannungsänderungen, welche in Zusammenhang mit langen Motorleitungen (>20m) gefährliche Überspannungsspitzen an den Motoranschlüssen entstehen lassen, die dann einen Durchschlag in der Motorwicklung verursachen können. Eine Abhilfe bringen da nur Motordrosseln direkt am Ausgang des Umrichters.

Werden Frequenzumrichter ohne Eingangsfilter betrieben, können andere am gleichen Netz angeschlossene Verbraucher gestört werden.

Zusammenfassung

Die Frequenzumrichtertechnik hat sich auf dem Antriebsmarkt durchgesetzt. Die Anschaffungskosten sind circa fünfmal grösser als die entsprechenden mechanischen Schalter. Die Mehrkosten lassen sich jedoch in vielen Applikationen durch Energieeinsparungen in vernünftiger Zeit amortisieren. Der Wirkungsgrad von Umrichtern ist so hoch (> 95 %), dass die Verluste in der Berechnung der Energieeinsparung meistens vernachlässigt werden können. Nur richtig parametrierte Umrichter können energieeffizient arbeiten.

AC Inverter	Low Cost Drehzahlsteuerung für Asynchronmotoren
AC Drive	Dynamische Drehzahlsteuerung mit Asynchronmotor (sensorless vector control)
AC Servo	Hochdynamische, mit Rotorpositionsrückführung ausgeführte Drehzahlregelung für Asynchronmotor (vector control)
Brushless DC	Drehzahlregelung für einen Synchronmotor mit einer Rotorpositionsrückführung
SR Drive	Steuergerät für ein Reluktanzmotor (switched reluctance drive)

PvM	=	S * cos(phi) - POut
S	=	3 * U * I = 1.73 * 380 V * 23 A = 15.14 kVA
PIn	=	15.14 A * 0.83 = 12.5 kW
PvM	=	12.5 kW - 11 kW = 1.5 kW

PvU	=	(0.8 mVs * fPWM + 10 V) * IM + 8 W
PvU	=	(0.8 mVs * 5 kHz + 10 V) * 23 A + 8 W = 330W

WVoll	=	(PInU + PvU) * tVoll = (13 kW + 0.4 kW ) * 4 h = 54 kWh
WTeil	=	[0.5 * POut + 0.8 * (PvMU + PvU)] * tTeil = [0.5 * 11 kW + 0.8 * (2 kW + 0.4 kW)] * 12 h = 90 kWh
Wtot	=	365 * (WVoll + WTeil) = 365 * (54 + 90) kWh = 53'000 kWh

PHydraulisch	=	0.125 * Pumpe * PMotor = 0.125 * 0.9 * 11 kW = 1.24 kW
PvPumpe	=	(1 - Pumpe) * PMotor = (1 - 0.9) * 11 kW = 1.1 kW

Motor	=	POut / PIn = 11 kW / 12.5 kW = 0.88
Umrichter	=	PIn / (PIn + PvU) = 12.5 kW / (12.5 kW + 0.33 kW) = 0.97
Antrieb	=	Motor * Umrichter = 0.88 * 0.97 = 0.85