Umrichter-Topologien und Modulationsverfahren für hochdrehende Motoren im Vergleich

09. November 2015

In Standardumrichtern für Drehzahlen bis einige tausend Umdrehungen pro Minute (U/min) hat sich die 2-Level Wechselrichter-Topologie in Kombination mit der Pulsbreitenmodulation (PWM) durchgesetzt. Bei einer Erhöhung der Drehzahl auf einige hunderttausend U/min und/oder extremen Anforderungen an den Motorwirkungsgrad ist der Fall jedoch nicht mehr so eindeutig. Als Alternative bietet sich vor allem die Puls-Amplituden-Modulation (PAM) an. Was sind Vor- und Nachteile der beiden Modulationsverfahren? Eine Entscheidungshilfe.

Neben dem Standardwechselrichter mit Zwischenkreisspannung gibt es diverse Wechselrichter-Topologien, z.B. Multilevel-Wechselrichter oder Stromzwischenkreis-Wechselrichter, die vor allem bei grösseren Leistungen in der Traktion oder bei grossen Industrieantrieben zum Einsatz kommen. Bei Antriebssystemen mit sehr hohen Drehzahlen über 100‘000 U/min werden jedoch praktisch ausschliesslich die zwei Wechselrichtertopologien PWM und PAM und ihre Modulationsverfahren gemäss nachfolgender Abbildung verwendet.

PWM Schema

 

PWM Stromform

 

PAM Stromform

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Umrichtertopologie und typische Stromform eines 2-Level PWM Wechselrichters (links) und eines PAM Wechselrichters (rechts)

 

Die Wahl zwischen PWM und PAM ist vielfach nicht eindeutig und hängt von diversen Faktoren ab:

  • Welcher Typ Motor soll angetrieben werden (z.B. Luftspaltwicklung oder genuteter Stator)?

  • Welches Regelungsverfahren (z.B. sensorlose Regelung) soll zum Einsatz kommen?

  • Wie viele Verluste sind wo erlaubt (z.B. minimale Verluste im Rotor oder maximaler Gesamtwirkungsgrad von Motor und Elektronik)?

 

Eine Entscheidungshilfe bietet nachfolgende Tabelle:

PWMPAM
Verluste im Umrichterje höher die PWM-Frequenz, desto höhertief
Verluste im Rotor / Motorje höher die PWM-Frequenz, desto tieferTief-mittel bei Motoren mit Luftspaltwicklung,
mittel-hoch bei genuteten Motoren
Kompatibilität mit genuteten Motorensehr gutgut
Kompatibilität mit Motoren mit Luftspaltwicklung     
mittel (abhängig von PWM-Frequenz)sehr gut
Sensorlose PositionsdetektionObserverNulldurchgangs-
erkennung (ZCD)
Typische Drehzahlbereiche (bei Polpaarzahl 1)0 bis 200'000 U/min5'000 bis 1'000'000 U/min
Erhältlich in Celeroton Umrichtern:
     CC-75-400X
     CC-75-500XX
     CC-100-1000XX
     CC-120-1000X
     CC-230-3500auf AnfrageX


Motoren, welche für hohe Drehzahlen ausgelegt sind, weisen typischerweise tiefe Induktivitätswerte auf. Falls PWM zum Einsatz kommt, ist es daher essentiell, dass hohe Schaltfrequenzen verwendet werden. Die sogenannten PWM-Verluste führen sonst im Motor zu sehr hohen Verlusten – speziell im Rotor, wo sie unerwünscht sind. Mit einer Steigerung der PWM-Frequenz lassen sich diese Verluste im Motor reduzieren, dafür erhöhen sich die Schaltverluste im Umrichter.

Bei PAM wird der Wechselrichter mit Grundfrequenz getaktet. Die Schaltfrequenz des Tiefsetzstellers wird durch die passiven Komponenten im Umrichter definiert. Die Schaltverluste können daher gegenüber PWM verringert werden, allerdings erhöht sich der Bauteilaufwand im Umrichter. Ein weiterer Nachteil ist der Betrieb bei tiefen Drehzahlen und Stillstand, wo ein Drehmomentrippel auftritt.

Ab 100‘000 bis 200‘000 U/min (unter Annahme einer Polpaarzahl von 1) führt PAM typischerweise zu tieferen Motorverlusten als PWM, dies hängt aber stark vom Motortyp und der gewählten PWM-Frequenz ab. Die Angabe einer genauen Grenze ist nicht möglich und muss von Fall zu Fall untersucht werden. Im Zweifelsfall unterstützt Celeroton gerne bei der Wahl des Modulationsverfahrens, dies für Celeroton-Motoren und -Kompressoren, aber auch für Kundenmotoren. Mit den Celeroton-Umrichtern können zudem vorab Start Serienlieferung verschiedene Modulationen experimentell erprobt werden.


Schlussfolgerung

Die optimale Modulation hängt vom Motortyp, der Drehzahl und dem Ziel der Verlustoptimierung ab:

  • Luftspaltwicklungen, höchste Drehzahlen und/oder möglichst geringe Gesamtverluste resultieren tendenziell in einem Betrieb mit PAM

  • Genutete Motoren, mittlere bis hohe Drehzahlen und/oder möglichst geringe Rotor- oder Motorverluste resultieren tendenziell in einem Betrieb mit PWM

Dank den flexiblen Umrichtern von Celeroton, welche sowohl PAM- wie auch PWM-Modulation beherrschen, und dem Knowhow von Celeroton bezüglich Zusammenspiel von Umrichter und Motor sind Verbesserungen hinsichtlich Wirkungsgrad und Motorerwärmung bei hohen Drehzahlen möglich.

Weiterführende Informationen

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