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Frequenzumrichter: effizient ohne Transformator

Bild 1. M. Schorbach: „Bei der ersten Referenzanwendung, einer Anlagenmodernisierung, konnte der Anwender durch den Einsatz des komplett geregelten Antriebs und der untersynchronen Stromrichterkaskade 25 % Energieeinsparung erzielen und damit die Investitionskosten schnell refinanzieren.“

Bild 2. Mit seinem flexiblen Netzanschluss, geringen Netzrückwirkungen, einem reduzierten Energieverbrauch, einer statischen Blindleistungskompensation sowie der einfachen Installation und Inbetriebnahme erfüllt der ACS 2000 die Anforderungen der Industrie

Mittelspannungsfrequenzumrichter werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen hohe Leistungen gefordert sind. Sie passen die Drehzahl und das Drehmoment der Maschine an die tatsächlichen Erfordernisse an und optimieren so den Energieverbrauch. Zur Hannover Messe bekommt die Frequenzumrichterfamilie von ABB Nachwuchs. Die etz-Redaktion befragte Dipl.-Ing. Martin Schorbach (Bild 1), Leiter geregelte Großantriebe/Großmaschinen bei ABB, was das Besondere an den neuen Mittelspannungsfrequenzumrichtern ist und wie sie sich in die Familie eingliedern.

Die ACS-2000-Mittelspannungsfrequenzumrichter haben einen Leistungsbereich von 400 kW bis 1 000 kW. Diesen Bereich decken jedoch schon die luftgekühlten Geräte der Serie ACS 1000 ab. Warum bringen Sie trotzdem eine neue Familie auf den Markt?
M. Schorbach: Das hat mehrere Gründe. Zum einen hat der ACS 1000 nur eine Ausgangsspannung von 2,3 kV bis 4,16 kV. Der ACS 2000 (Bild 2) liefert jedoch 6 kV bis 6,9 kV, sodass man an ihn größere Motoren anschließen kann. Zum anderen benötigt man zum Betrieb des ACS 1000 immer einen Trafo. Durch seinen aktiven Gleichrichter lässt sich der ACS 2000 hingegen direkt an das Stromnetz anschließen. Das ist vor allem bei der Modernisierung von Anlagen von Vorteil. Zum Beispiel ist es mit dem ACS 2000 ohne große Umbaumaßnahmen möglich einen ungeregelten Motor durch einen geregelten Motor zu ersetzen und die Verkabelung beizubehalten.

Eine Besonderheit ihrer Frequenzumrichter ist die direkte Drehmomentregelung (DTC). Was ist an dem Verfahren zur Regelung von Antrieben so revolutionär, wie Sie behaupten?
M. Schorbach: Obwohl ABB DTC bereits im Jahr 1995 entwickelt hat, ist das Verfahren immer noch einzigartig. Die Technologie, die natürlich im Laufe der Zeit weiterentwickelt wurde, ermöglicht eine präzise und verlässliche Prozesskontrolle mit hoher Performance. Letztendlich ist DTC eine Pulsweitenmodulation, die im Zyklus von 25 μs getaktet wird und nur eingreift, wenn es erforderlich ist. Die Regelungsverfahren anderer Hersteller werden hingegen permanent getaktet. Sie brauchen somit mehr Regelungsenergie, erzeugen mehr Oberschwingungen und haben längere Anregelzeiten.

Was haben Anwender von dem modularen Aufbau mit Einschüben bei den ACS-2000-Umrichtern?
M. Schorbach: Über sechs gleiche Einschübe haben sie Eingangs- und Ausgangsseitig einen einfachen Zugang zu der Leistungselektronik. Zudem muss man bei der Wartung keine weiteren Bauteile ausbauen. Sollte außerdem nach rund 20 Jahren wirklich mal ein Austausch erforderlich sein, ist der Wechsel der Leistungselektronik durch einfaches Stecken und Schrauben schnell erledigt. Nach dem Anschluss der LWL-Kommunikation und der 24-V-Versorgung erfolgt die restliche Kontaktierung automatisch beim Einschieben der Module. Wie groß die Zeitersparnis ist, hat sich beim Üben in einer Referenz¬anwendung gezeigt. Der zuständige Applikationsingenieur konnte die Leistungselektronik in nur 15 min wechseln. Wenn man bedenkt, dass der Austausch bei anderen Systemen schon mal 4 h und länger dauert, reduziert sich mit dem ACS 2000 die Stillstandzeit erheblich.

Wodurch zeichnet sich der neue Umrichter sonst noch aus?
M. Schorbach: Neben dem schnellen Modulwechsel und der Servicefreundlichkeit ist der transformatorlose Betrieb, das wesentliche Highlight. Dadurch reduzieren sich, durch die geringere Anzahl an Komponenten, nicht nur die Investitionskosten und die Inbetriebnahmezeit, man benötigt auch weniger Stellfläche in der Anlage. Zudem erleichtert der transformatorlose Betrieb, wie ich bereits erwähnt habe, die Anlagenmodernisierung.

Wie wichtig ist die Vier-Quadranten-Technologie für die Frequenzumrichter-Familie?
M. Schorbach: Bei Neuanlagen spielt das Thema Energieeffizienz heute eine große Rolle. Allerdings werden in der Mittelspannung im Gegensatz zur klassischen Fabrikautomation viel größere Massen bewegt. Diese lassen sich für gewöhnlich nicht so leicht bremsen und beschleunigen. Sinnvoll kann die Energierückspeisung in Anwendungen wie Prüfständen, der Metallverarbeitung, der Fördertechnik oder in Bergwerken sein. Ob sich der Einsatz rentiert, sollte sicherlich von Fall zu Fall betrachtet werden.

Wenn man sich das Datenblatt des ACS 2000 anschaut, sind dort eine Vielzahl von Features aufgeführt, wie Direct Torque Control, Active Front End, Voltage Source Inverter Topology und Multilevel Topology. Ist der Umrichter nicht mit Funktionalitäten überladen?
M. Schorbach: Viele Funktionen laufen automatisch im Hintergrund ab, sodass der Anwender einen Vorteil davon hat, ohne sich darum kümmern zu müssen. Die Bedienung wird dadurch nicht erschwert. Zudem ermöglicht das Active Front End (AFE) nicht nur die Vier-Quadranten-Technologie, die zugegebenermaßen nur für eine beschränkte Anwenderzahl von nutzen ist, sondern auch den transformatorlosen Betrieb am Netz.

Die Möglichkeit zur Zwischenkreiskopplung ist jedoch nicht vorgesehen, warum?
M. Schorbach: Zum einen sehen wir den ACS 2000 als Standardprodukt. Die Integration eines Zwischenkreises stellt im Mittelspannungsbereich jedoch spezifische konstruktive Anforderungen an die Absicherung. Die Kategorien bei den Überschlägen von Spannungen sind hier wesentlich höher als im Niederspannungsbereich, wo ein Servicetechniker die Umrichter mit einer Kupferschiene und einer Zwischenkreiskapazität versehen kann. Zum anderen ist eine Zwischenkreiskopplung nur sinnvoll, wenn eine Anwendung mehrere Achsen enthält bei denen eine bremst, während eine andere beschleunigt. Dann kann man die Energie zwischen den einzelnen Antriebssträngen zirkulieren lassen. Dementsprechend selten sind auch die Anwendungen einer Zwischenkreiskopplung im Mittelspannungsbereich.

In welchen Varianten wird es den ACS 2000 geben?
M. Schorbach: Zurzeit gibt es ihn nur mit Luftkühlung. Falls es der Markt erfordert, werden wir aber auch eine Variante mit Wasserkühlung anbieten.

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