SD2M met multi-level technologie

- Productennieuws

Nieuw concept voor vermogenselektronica in het bereik >100 kW

Voor hogesnelheidstoepassingen met motor- en generatoraandrijving en hoge uitgangsvermogens zijn de standaard verkrijgbare omvormeroplossingen niet voldoende. Aangezien de vraag naar dit soort omvormers stijgt, met name op het gebied van hernieuwbare energie, ontwikkelde de in Lüneburg gevestigde onderneming SIEB & MEYER onlangs een oplossing op basis van de three-level technologie. De zogenoemde SD2M verzekert lage rotorverliezen, wat de lagerbelasting vermindert en excessieve verhitting van de motor voorkomt.

SIEB & MEYER is al meer dan 50 jaar synoniem voor deskundigheid in aandrijvings- en besturingstechnologie. Tot het succesrecept van de onderneming hoort een voortdurend onderzoek naar nieuwe technologieën. Op dit moment concentreren de in Lüneburg gevestigde experts hun aandacht op de ontwikkeling van een innovatieve hogesnelheidsomvormer voor vermogensreeksen groter dan 100 kW. Het ontwikkelingsproject wordt bekostigd door het Duitse Federale Ministerie van Economische Zaken en Energie, in het kader van het ZIM-programma (Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand ‒ een subsidietraject om de innovatieve kracht van het midden- en kleinbedrijf te versterken).

Uitdagingen in warmtedissipatie en motorontwerp

De technische voorwaarden zijn complex: hogesnelheidsmotoren (HS) generen vermogen via het toerental en niet via het koppel. In het algemeen is de volgende regel van toepassing: het rotorvolume verandert omgekeerd evenredig met de toerentaltoename, d.w.z. bij een tienmaal hoger toerental is het rotorvolume afgenomen tot een tiende. Dit veroorzaakt een probleem: het kleinere rotorvolume en daardoor kleinere rotoroppervlak kunnen slechts een beperkte hoeveelheid warmte afvoeren. De negatieve effecten daarvan worden met name problematisch als de motor onder vacuüm werkt of in een gas met een lage warmetegeleidingscoëfficiënt.

Daarnaast vraagt de vermogen/toerental-verhouding die voor de toepassing vereist is om speciale aandacht voor het motorontwerp. “Er moet rekening worden gehouden met zowel de toegestane omtrekssnelheid als de buigingskritische frequentie van de aangedreven as”, legt Rolf Gerhardt uit. In de praktijk kan een synchroonmotor van 100 kW bij 60.000 omw/min bijvoorbeeld de vereiste vermogensdichtheid bereiken met slechts een 4-polig motorontwerp; de vereiste draaiveldfrequentie is dan 2000 Hz in plaats van 1000 Hz.

Toename van schakelfrequentie

Om de vereiste draaiveldfrequentie te kunnen bereiken, werden tot nu toe two-level frequentieomvormers gebruikt. Die genereren de vereiste uitgangsfrequentie via pulsbreedtemodulatie (PWM). Afhankelijk van de gebruikte schakelfrequentie en de inductie van de motor veroorzaakt deze methode echter een rimpeling in de motorstroom. Verhogen van de schakelfrequentie zou het probleem kunnen oplossen, maar om technische en economische redenen is deze benadering met two-level frequentieomvormers niet productief. “Met een three-level frequentieomvormer is verhogen van de schakelfrequentie echter wel mogelijk”, zegt Rolf Gerhardt, “en dat is nou precies onze benadering.” Met deze technologie hoeven de halfgeleiderschakelaars slechts de helft van de middencircuitspanning van 300 V te schakelen. Dit opent de mogelijkheid om halfgeleiders met een sperspanning van 600 V te gebruiken. Deze halfgeleiders hebben aanzienlijk betere schakeleigenschappen en dat maakt de resulterende vermogensverliezen beheersbaar ondanks schakelfrequenties tot 32 kHz. Uiteindelijk wordt het aandeel van de harmonische stroomsterkte gereduceerd en zijn de door de frequentieomvormer veroorzaakte rotorverliezen laag.

Naast de schakelfrequentie van de PWM is een andere belangrijke variabele de spanningsafwijking die met het PWM-patroon wordt toegevoegd aan de motorwikkeling. De three-level technologie halveert de spanningsafwijking en dat reduceert op zijn beurt de stroomrimpeling bij eerste benadering tot de helft. Vervolgens wordt ook de rotorwarmte in aanzienlijke mate verlaagd.

De firmware van de nieuwe SD2M is gebaseerd op die van de beproefde SD2S-serie van SIEB & MEYER. Om de multi-level technologie mogelijk te maken, vereisten de bestaande besturingsalgoritmen en -modellen voor sensorloze werking van synchroonmotoren enige aanpassingen. Daartoe wijzigden de ontwikkelaars de structuren en codes van deze softwareonderdelen aanzienlijk. De nieuwe hardware-interfaces werden geïmplementeerd door de firmware. “Vorig jaar presenteerden we het eerste ontwikkelingsstadium van de nieuwe apparatuurtechnologie met een nominaal vermogen van 160 kW”, zegt Rolf Gerhardt. “We werken nu al aan een variant met 250 kW en die ontwikkeling boekt snelle vooruitgang.”

2014-11_SD2M_385x323

Frequency Converter SD2M met multi-level technologie