Carsten Schreiter, Yaskawa - Bild: Yaskawa

„Entwicklungsfortschritte bei den Leistungshalbleitern haben für sinkende Herstellkosten gesorgt. Zudem ist die Aufmerksamkeit für Energieeffizienz gestiegen, sodass ihr heute ein deutlich höherer Wert beigemessen wird als noch vor wenigen Jahren.“ Carsten Schreiter, Yaskawa - Der Energietechniker verantwortet in der EMEA-Region das Produktmanagement für das Frequenzumrichter-Portfolio von Yaskawa. Bild: Yaskawa

Herr Schreiter, wie unterscheiden sich Matrix-Konverter von anderen Frequenzumrichtern?
Herkömmliche Frequenzumrichter wandeln meist dreiphasigen Wechselstrom zunächst in Gleichstrom um. Anschließend wird daraus über Transistor-Brückenschaltungen Drehstrom mit einstellbarer Frequenz erzeugt. Im Gegensatz dazu sitzen im Matrix-Konverter zwischen den drei Eingangsphasen und den drei Ausgangsphasen neun bidirektionale Schalter. Diese verbinden zeitgesteuert die Ein- und Ausgangsphasen. Durch geeignete Schaltmuster entsteht so ein Ausgangssignal mit variabler Spannung und Frequenz.

Was bringt das konkret an Vorteilen?
Da ist zum einen der geringe Oberwellen-Anteil. Im Gegensatz zu herkömmlichen Umrichtern erreichen wir mithilfe der Matrix-Topologie einen nahezu sinusförmigen Eingangsstrom mit einem THDi von weniger als fünf Prozent. Durch die deutlich reduzierten Oberwellen werden nicht nur EMV-Probleme minimiert, auch Transformatoren, Generatoren und Versorgungsleitungen werden entlastet. Unter Umständen kann man so Neuanlagen kleiner dimensionieren oder bei der Umrüstung von Bestandsanlagen die vorhandene Anschlussleistung von Transformatoren besser ausnutzen und eine Erweiterung verzögern oder vermeiden. Besonders interessant ist auch, dass beim U1000, anders als bei Lösungen mit passiven Oberwellenfiltern, der Oberwellengehalt des Netzstromes auch bei mittlerer und niedriger Last nur unwesentlich ansteigt. Das macht die Lösung besonders interessant für Anwendungen, die hauptsächlich im Teillastbereich betrieben werden, wie Lüfter, Pumpen und dergleichen. Ein anderer Vorteil ist die eingebaute Rückspeisung. Der Matrixkonverter hat keinen Zwischenkreis, Bremsenergie muss also zurückgespeist werden. Dafür ist er mit bidirektionalen IGBTs ausgestattet. Die Rückspeisung senkt nicht nur die Energiekosten, sie macht auch Bremschopper oder Widerstände und deren Einbau, Vedrahtung und Kühlung überflüssig. Im Gegensatz zu klassischen Rückspeiselösungen ist keine externe Beschaltung mit Filtern, Drosseln oder ähnlichen Komponenten erforderlich. Deshalb ist die U1000-Lösung einfach und vergleichsweise schnell zu installieren, wartungsfrei und vor allem sehr kompakt.

Wenn diese Technologie so einfach ist, warum gibt es Matrix-Konverter nicht schon länger?
Matrix-Konverter sind tatsächlich nichts völlig Neues. Im Mittelspannungsbereich stehen sie bereits seit einigen Jahrzehnten erfolgreich im Einsatz, teilweise auch mit Lösungen von Yaskawa. In dem für die Automatisierung von Maschinen und Industrieanlagen relevanten Bereich hatte Yaskawa bereits 2005 die Vorreiterrolle gespielt und mit dem AC 7 einen Matrix-Konverter für die Spannungsklassen 200 und 400 V auf den Markt gebracht. Allerdings konnte das Produkt mit herkömmlichen Inverter-Lösungen preislich nicht mithalten. Es wurde daher nur in Anwendungen eingesetzt, wo das Ausschöpfen der Vorteile der Matrix-Technologie einen entsprechend hohen Mehrwert generierte. Seither haben jedoch Entwicklungsfortschritte bei den Leistungshalbleitern für sinkende Herstellkosten gesorgt. Zudem ist die Aufmerksamkeit für Energieeffizienz gestiegen, sodass ihr heute ein deutlich höherer Wert beigemessen wird als noch vor wenigen Jahren. Und die Verseuchung der Stromnetze mit Oberwellen hat deutlich zugenommen, weshalb deren Vermeidung wichtiger geworden ist.

Matrix Konverter U1000 von Yaskawa
Der Matrix Konverter U1000 von Yaskawa ermöglicht Energieeinsparungen durch Energierückspeisung und geringe Verluste, einen netz- und anlagenschonenden Betrieb dank sehr niedriger Oberwellen und ist außerdem bis zu 50 Prozent kompakter als vergleichbare Active-Frontend-Lösungen.

In welchen Anwendungen kann der U1000 seine Vorteile ausspielen?
Die Klassiker unter den Anwendungsfällen für den Matrix-Konverter U1000 sind Hebezeuge, also Kräne, Lifte und Rolltreppen. Sie haben eine ausgeprägte Last- und eine ebenso ausgeprägte Bremsrichtung. Die elektrische Energie, die zum Hochheben aus dem Netz entnommen wird, kann zu einem erheblichen Teil beim Absenken zurückgeliefert werden. Das ist auch dann von Vorteil, wenn der Rückfluss nicht vergütet wird, sondern innerhalb einer Anlage von anderen Komponenten konsumiert wird, denn dadurch verringert sich der Gesamtenergiebezug vom Versorger. Die Forderung nach besonders niedriger harmonischer Belastung der Versorgungsnetze sehen wir zum Beispiel recht oft in Ausschreibungen öffentlicher Einrichtungen, etwa für Wasserversorgungsanlagen.

Kann der Matrix-Konverter auch an Generatoren betrieben werden?
Selbstverständlich lässt sich der U1000 auch an Generatoren betreiben. Gerade hier kann er einen seiner Vorteile voll ausspielen. Der sinusförmige Eingangsstrom entlastet den Generator, dieser wird weniger erwärmt und das Netz, das er speist, kann effizienter ausgenutzt werden.

Technik im Detail

Der Umrichter U1000

Der U1000 treibt mit einer maximalen Ausgangsfrequenz von 400 Hz Asynchron- und Permanentmagnetmotoren mit und ohne Drehgeber-Rückführung an und eignet sich so für eine große Bandbreite von Anwendungen und Maschinen. Dabei spielt er nicht nur im Dauerbetrieb seine hohe Energieeffizienz und Kompaktheit aus, er verliert diese auch bei Betrieb mit langen Stillstandszeiten zwischen den Bewegungsphasen nicht. Der Leistungsbereich der seit Frühjahr 2015 verfügbaren U1000 beginnt bei 2,2 kW. In seiner 400V-Ausführung haben die derzeit stärksten Geräte einen maximalen Ausgangsstrom von 414 A, das entspricht einer Nennleistung von 220 kW. Inzwischen sind Geräte mit bis zu 500 kW Nennleistung verfügbar, die bei 480 V bis zu 930 A Strom liefern können.

Wie sieht es mit integrierten Safety-Funktionen oder anderen Features aus?
Die Geräte verfügen über integrierte funktionale Sicherheit bis SIL3 gemäß ISO EN61508 in Form einer Safe-Torque-Off-Funktion. Damit bieten sie eine einfache, vor allem eine einfach zu installierende Lösung zur Verbesserung der Maschinensicherheit. Außerdem benötigt der U1000 keine Netzdrosseln oder Oberwellenfilter. Selbst ein EMV-Filter ist integriert. Da keine externen Bauteile erforderlich sind, ist der Anschluss des U1000 eine Frage von Minuten. Drei Drähte rein, drei Drähte raus – fertig!
Zudem verfügt er über alle gängigen Encoder-Schnittstellen. Er bietet die Möglichkeit, mit Schnittstellenkarten digitale und analoge Ein- und Ausgänge anzusteuern oder abzufragen, und er ist mit allen bedeutenden Feldbussystemen und Industrial-Ethernet-Protokollen kompatibel. Softwareseitig unterstützt der DriveWizard das Parametermanagement und bietet eine Oszilloskop-Funktion sowie Möglichkeiten zur Fehleranalyse. Die Entwicklungsumgebung DriveWorksEZ ermöglicht die Integration von SPS-Funktionen per grafischer Block-Programmierung und umfangreicher Bibliotheken für Technologiefunktionen sowie Funktionen für das online-Monitoring. Yaskawa macht es Anwendern leicht, für Energieeinsparung und Stromqualität zu sorgen.

Die Fragen stellte Marco Vörös, Prospero PR im Auftrag von Yaskawa