Drehzahlregelung, verbessertes Anlaufverhalten und Energieeinsparung: Das sind die Vorteile beim Einsatz eines Frequenzumrichters. Doch die Umrichter-Technologie bringt auch Nachteile mit sich. Sie verursacht Oberwellen und erzeugt Überspannungen im Netz. Eine Lösung dieser Probleme stellen Frequenzumrichter mit rein sinusförmiger Ausgangsspannung dar. Dahinter steckt eine patentierte Technologie, die die Ursache der Störung eliminiert.

Frequenzumrichter werden in immer größerem Umfang eingesetzt. Längst gehen ihre Anwendungsgebiete über Industrieapplikationen hinaus. Von der Heizungsanlage in Bürogebäuden über die Belüftungsanlage in Krankenhäusern bis zur Waschmaschine im Privathaushalt finden sich viele Frequenzumrichter. Wie auch im industriellen Umfeld bereiten die durch Frequenzumrichter verursachten Störungen enorme Probleme im Bereich der Gebäudeinstallation. Ursache hierfür ist die von Frequenzumrichtern eingesetzte Pulsweitenmodulation (PWM). Bei der PWM wird mit einzelnen Pulsen versucht, eine Sinuswelle nachzubilden. Für die gewünschte Funktion der Motordrehzahlverstellung funktioniert das auch zuverlässig. Nur erkauft man sich durch den Einsatz der PWM auch Nachteile, die den Einsatz von Frequenzumrichtern erschweren.

Verursachte Störungen

Durch hohe Taktfrequenzen entstehen Oberwellen (Harmonische) im System. Diese können sowohl am Eingang als auch am Ausgang zu erheblichen Problemen führen. Der Versorgungstransformator kann überhitzt werden, die Kompensationsanlagen oder auch die Motorlager können beschädigt werden. Die Oberwellen stören auch andere Verbraucher, wie Computer oder Steuerungen.

Zusätzlich erzeugen hohe und steile Schaltflanken ein Frequenzdichtespektrum, welches sich bis in den MHz-Bereich erstreckt und somit die Grenze der leitungsgebundenen Störungen überschreitet. Die leitungsungebundenen Störungen breiten sich wie Radiowellen durch die Luft aus und sind deshalb im Bereich der Gebäudetechnik besonders relevant.

Die typischen PWM-Schaltimpulse werden ja nach Leitungslänge und Verbindungstechnik am Leitungsende reflektiert. Im schlechtesten Fall können die reflektierten Pulse eine Spannungsüberhöhung von 100 % im System verursachen. Somit wird die Isolierung einiger Anlagenteile mit 800 V anstatt der 400 V Netzspannung beansprucht.

Techniken zur Eliminierung der Störungen

In den letzten Jahren haben sich eine ganze Reihe von Komponenten und Techniken etabliert, mit denen die Probleme der PWM-Technik gelöst werden sollen, wie beispielsweise interne Filter gemäß CE. Doch die EMV-Richtlinie sieht Frequenzumrichter als eigenständige Geräte. Die CE-Norm muss somit in leerlaufähnlichen Bedingungen eingehalten werden. Da ein Umrichter höchst selten ohne Motor betrieben wird, ist die Aussagekraft dieser CE-Konformität für den Praktiker sehr begrenzt.

Eine andere Lösung sind Ein- bzw. Ausgangsfilter. Sie werden verwendet, um Oberwellen und teilweise auch leitungsungebundenen Störungen in die gewünschte Richtung zu filtern. Die Filter unterbinden jedoch nicht die Ursache der Störung. Sie begrenzen die Störungsgröße in einem angegebenen Arbeitsbereich unter den zulässigen Grenzwert. Das Hauptproblem ist dabei die nichtlineare Störgröße über dem Arbeitsbereich sowie die immer noch vorhandene gestrahlte Störung bis zum Filter.

Geschirmte Leitungen sollen die Störaussendung des Kabels reduzieren. Neben den hohen Kosten für das Kabel ist die richtige Handhabung und Projektierung der Schirmung das wesentliche Thema. Im schlimmsten Fall koppelt sich der Anwender durch das falsche Konzept mehr Störungen und Potentialverschiebungen ein, als er versucht hat zu verhindern.

Spezielle Motoren und Motorlager sollen die negativen Auswirkungen der PWM-Motorspannung vermindern. Leider sind nicht alle Motoren und vor allem ältere Motoren konsequent für den Betrieb an Frequenzumrichtern ausgelegt. Resultierend kommt es zu einer höheren Motortemperatur und zu Ausgleichsströmen im Lager, was deutlich auf die Lebensdauer der Motoren geht.

Rein sinusförmige Ausgangs­spannung

Eine konsequente Lösung dieser Probleme stellen Frequenzumrichter mit rein sinusförmiger Ausgangsspannung dar. Das ermöglicht der ISA-Drive Sinus von Igel Elektronik, der durch eine patentierte Technik einen reinen Sinus am Ausgang bereitstellt. Bei diesem Gerät reduzierten die Entwickler nicht einfach die Störung, sondern eliminierten die Störungsquelle.

Technischer Hintergrund

Die Generierung der reinen Sinus-Ausgangsspannung basiert auf zwei Patenten. Das erste Patent wurde bereits in den 90er Jahren entwickelt und beschäftigt sich mit der Nulldurchgangsschaltung von schnell schaltenden Halbleiterbauelementen, in diesem Fall MOSFETs. Die exakte Schaltung der Halbleiter im Nulldurchgang verhindert das Entstehen von Oberwellen und Störungen, da der Schaltpegel gleich null ist.

Mit zunehmender Verbreitung der Frequenzumrichter und der dadurch resultierenden Probleme entstand der Ansatz, das erste Patent in Richtung eines Umrichters weiter zu entwickeln. Ziel war eine völlig störungsfreie Lösung mit reinem Sinus bereits am Frequenzumrichter-Ausgang. In der Tat wurde durch ein zweites patentiertes Verfahren, bestehend aus der Hardware-Beschaltung der Ausgangsstufe und dem dazugehörigen Kontrollalgorithmus, eine Frequenzumrichter-Funktionalität erreicht, die dem Motor einen reinen Sinus zur Verfügung stellt. Die hohe Regelgenauigkeit in Verbindung mit der sauberen Ausgansspannung stellt darüber hinaus eine sehr gute Drehzahl/Drehmoment-Performance im untersten Drehzahlbereich bereit.

Vorteile der Sinus-Technik

Die Frequenzumrichter beinhalten alle für den störungsfreien Betrieb des Motors relevanten Teile. Das heißt, es werden keine zusätzlichen Komponenten benötigt, wie Ein- oder Ausgangsfilter oder spezielle Lager. Zusätzlich reduziert sich der Installationsaufwand, da keine geschirmten Kabel notwendig sind, und die Performance der Antriebseinheit erhöht sich:

• keine Schaltgeräusche am Motor (Geräuscharmer Betrieb),
• keine zusätzliche Motorerwärmung,
• keine Isolationsprobleme an den Motor­wicklungen,
• keine Überdimensionierung des Motors erforderlich,
• sehr hohe Regeldynamik mit nahezu vollem Drehmoment ab Stillstand.

Die Frequenzumrichter entsprechen allen gängigen EMV-Normen und sind darüber hinaus für die Benutzung in Krankenhäusern (nach der EN 60601-1-2, EMV-Teil der Richtlinie für medizinische elektrische Geräte) zugelassen.

Der Vorteil der ISA-Drive Sinus wirkt sich speziell auf den Anlagenbetreiber aus. Denn durch den Einsatz von Sinusumrichtern können hohe Installationsaufwendungen und Kosten für Zusatzkomponenten vermieden werden. Langfristig wirkt sich dann zusätzlich das Konzept der Störungsvermeidung auf die Lebensdauer der Komponenten, insbesondere der Motoren, aus.

Applikationsbeispiele

Im Bereich der Gebäudetechnik eröffnet eine störungsfreie Regelung der Motoren neue Perspektiven. So wurde in mehreren Krankenhäusern die gesamte Lüftungstechnik mit den Geräten ausgerüstet. In Anbetracht der sensiblen Medizintechnik konnten jetzt dezentrale Konzepte genutzt werden. Des Weiteren wurde ein Funkhaus umgerüstet. In diesem Fall sollten die Störungen der Funkanlage durch die vorher eingesetzten PWM-Frequenzumrichter beseitigt werden. Natürlich bietet die Technik auch in industriellen Anwendungen sowie im Maschinenbau grundlegende Vorteile, die neue kostensparende Konzepte zulassen.

Aussicht

Der Erfolg der Produktreihe ISA-Drive Sinus und die daraus resultierenden Anforderungen aus dem Markt haben zur dritten Stufe der Produktentwicklung geführt. Der Produktumfang und auch der Produktpreis wurden größtenteils durch die limitierte Verfügbarkeit der Leistungshalbleiter (MOSFET) bestimmt. Es ist den Entwicklern gelungen die gleiche Performance jetzt auch mit IGBTs zu erreichen. Dadurch sollten sich in naher Zukunft die Produktionskosten verringern und die Produktpalette nach oben erweitert werden können. (sn)