Multi-Funktions-Frequenzumrichter für kleine Stückzahlen
Der Multi-Funktions-Frequenzumrichter von Syko zeigt, wie sich zertifizierte Leistungselektronik trotz kleiner Stückzahlen kundenspezifisch realisieren lässt. Eine flexible SiC-basierte Plattform ermöglicht unterschiedliche Ein- und Ausgangskonfigurationen für Bahn-, Marine- und Defence-Anwendungen.
Frequenz-Umrichter für Bahn-Anwendungen.
Syko
Wer Märkte mit kleinen Stückzahlen bedienen und zugleich
zertifizierte Leistungselektronik nach kundenspezifischen Pflichtenheften
liefern will, braucht ein hohes Maß an technischer Flexibilität. Der Lieferant
muss deshalb bereits im Vorfeld einen Frequenzumrichter entwickeln, der eine
breite Funktionspalette abdeckt. Nach Auftragseingang kann dieses Grundgerät
durch überschaubare Anpassungen an der Hardware und durch speziell
konfigurierte Software als kundenspezifische Lösung bereitgestellt werden.
Frequenzumrichter als flexible Plattform
Ein solcher Frequenzumrichter (FUR) wandelt in typischen
Anwendungen eine dreiphasige Eingangsspannung mit konstanter Frequenz, etwa 60
Hz oder 16,7 Hz, in eine dreiphasige Ausgangsspannung mit f/U-Regelung um.
Diese Ausgangsspannung dient dem Motoranlauf und der Drehzahlregelung. Die f/U-Regelung
stellt dabei das Verhältnis von Frequenz und Spannung so ein, dass der Motor
über einen weiten Drehzahlbereich kontrolliert betrieben werden kann.
In der Bahntechnik kann die Eingangsspannung beispielsweise
aus Betriebsumrichtern stammen. Je nach Anwendung steht sie mit oder ohne
Neutralleiter zur Verfügung und deckt einen weiten Spannungsbereich ab, etwa
330 bis 560 VAC bei drei Phasen und 60 Hz. Alternativ kann am
Eingang des Frequenzumrichters auch eine einphasige Spannung anliegen, die über
Transformatoren aus dem 15-kV-/16,7-Hz-Fahrdraht der Deutschen Bahn abgeleitet
wird. Das Eingangs-Frontend muss daher sowohl einphasige als auch dreiphasige
Einspeisungen beherrschen und als Leistungsfaktorstufe arbeiten können.
SiC-Halbleiter senken die Schaltverluste
Besonders hohe Anforderungen gelten der Reduzierung der
Verlustleistung. Im Fokus stehen dabei unter anderem spannungsabhängige
Schaltverluste, die näherungsweise proportional zu C·U²·f sind. Sie hängen also
von der wirksamen Kapazität, dem Quadrat der Schaltspannung und der
Schaltfrequenz ab. Syko setzt deshalb grundsätzlich auf SiC-Einzelhalbleiter
oder SiC-Module. Beim hier beschriebenen Frequenzumrichter mit 10 kW
Dauerleistung, 15 kW Kurzzeitleistung und einer beherrschbaren
Kurzschlussbegrenzung oberhalb von 18 kW kommt hinzu, dass dreiphasige
SiC-Module mit offenen Anschlüssen inzwischen zu wirtschaftlich vertretbaren
Preisen verfügbar sind. Dadurch lassen sich Anwendungen in der Bahntechnik, im
Marinebereich und in Defence-Systemen mit einer gemeinsamen technischen
Plattform adressieren.
Die dreiphasigen Eingangs- und Ausgangsstufen des
Frequenzumrichters werden als dreistufige Transistortopologie mit
Schwebekondensator aufgebaut. Diese Technik ist in der Bahntechnik seit vielen
Jahrzehnten bekannt. Zum Einsatz kommen 1200-V-/50-mΩ-Module; insgesamt werden
vier dreiphasige Module verwendet. Bei dreiphasigem Eingang und
Wechselspannungen bis 600 V effektiv lässt sich durch die Halbierung der
Schaltspannung ein deutlicher Wirkungsgradvorteil erzielen, weil die
C·U²·f-Verluste entsprechend sinken.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus den Eigenschaften der
SiC-Halbleiter. Sie ermöglichen Schaltfrequenzen im Bereich von 60 bis über 100
kHz. Die gewählte Topologie nutzt die Induktivitäten zudem mit einer höheren
effektiven Frequenz. Dadurch können die Drosseln kleiner und thermisch stabiler
ausgelegt werden. Gleichzeitig ist ein größerer Kupferquerschnitt möglich,
wodurch die ohmschen Leitungsverluste, also die I²R-Verluste, reduziert werden.
Einphasige Einspeisung aus dem Fahrdraht
Bei einem einphasigen Eingang mit 460 V oder 230 V und 16,7
Hz, wie er über Transformatoren aus dem 15-kV-Fahrdraht abgeleitet werden kann,
reduziert die Topologie ebenfalls die spannungsabhängigen Schaltverluste. In
dieser Betriebsart treten allerdings hohe I²R-Verluste auf. Diese lassen sich
durch eine geregelte, parallelgeschaltete Stringtopologie etwa um den Faktor
drei verringern. Syko kann den dreiphasigen Eingang durch mechanische
Anpassungen in einen einphasigen Eingang überführen. Zusätzlich wird der zweite
Anschlusspol über eine Halbbrücke geführt. In Verbindung mit einer
Totem-Pole-Topologie entsteht so eine einphasige Leistungsfaktor-Korrekturstufe,
die die Zwischenkreisspannung auf 850 VDC anhebt.
Der dafür erforderliche Mehraufwand – insbesondere die
größere Anzahl an Transistoren sowie die zusätzliche Halbbrücke – dient der
Optimierung des Gesamtwirkungsgrads. Durch die Verringerung der I²R-Verluste
und die Reduzierung der spannungsabhängigen Schaltverluste sinkt die
Gesamtverlustleistung des Wandlers. Gerade bei kleinen Stückzahlen, hoher
Funktionsvielfalt, stark schwankenden Eingangsspannungen und anspruchsvollen
Umgebungstemperaturen ist dieser technische Aufwand vertretbar, wenn damit die
geforderten Qualitäts- und Zuverlässigkeitsziele erreicht werden.
Thermische Auslegung entscheidet über Zuverlässigkeit
Der Nutzen zeigt sich vor allem in der thermischen
Auslegung. Bei Wirkungsgraden von über 95 Prozent kann eine weitere
Verringerung der Verlustleistung die Erwärmung deutlich reduzieren. Je nach
Betriebspunkt und Kühlkonzept kann dies die thermische Belastung erheblich
senken und damit die Zuverlässigkeit sowie die MTBF verbessern. Weniger aktive
Umluft kann zwar Wartungsaufwand reduzieren, ersetzt jedoch keine sorgfältige
thermische Auslegung. Wird die Kühlung zu stark reduziert, können
Bauteiltemperaturen steigen und die MTBF entsprechend sinken.
Eine Hardware, mehrere Ausgangsvarianten
Auch auf der Ausgangsseite bietet die
Mehrstufen-Transistortopologie große Flexibilität. Möglich sind beispielsweise
ein dreiphasiger Ausgang mit 460 V und 0 bis 60 Hz, ein konstanter dreiphasiger
Ausgang mit 3 × 230 V und 50 Hz, ein einphasiger Ausgang oder ein variabler
DC-Ausgang. Die vorhandene Hardware dient dabei als Plattform und wird an die
jeweilige Anwendung angepasst. So kann der dreiphasige Ausgang etwa zum Antrieb
eines Synchrongenerators genutzt werden. Durch Umschaltung auf DC-Betrieb lässt
sich das Gerät zudem als Erregergerät einsetzen. Ebenso kann die Syko-Systemkomponente
als Frontend für hohe Eingangsspannungsamplituden dienen und eine konstante
Ausgangsspannung zur Versorgung dreiphasiger Batterieladegeräte bereitstellen.
Ein weiteres Seriengerät von Syko ist bereits auf
Lokomotiven im Einsatz. Es verfügt über einen dreiphasigen Eingang und bleibt
auch beim Ausfall einer Phase betriebsfähig. In diesem Fall arbeitet der
Wandler mit reduzierter Leistung weiter, typischerweise mit etwa 50 Prozent der
Nennleistung. (bs)
