Entwicklungstrend der Wechselrichtertechnologie

I. Entwicklung von Bewegungssteuerungssystemen

Frequenzumrichter (FU) sind Leistungswandler in Bewegungssteuerungssystemen und repräsentieren die Weiterentwicklung der elektrischen Antriebstechnik als elektromechanische Energiewandler. Moderne Bewegungssteuerungssysteme umfassen verschiedene Disziplinen, wobei der allgemeine Entwicklungstrend in Richtung Wechselstromantriebe, Hochfrequenz-Leistungswandler und digitaler, intelligenter und vernetzter Steuerung geht. Daher haben sich FU als entscheidende Leistungswandlerkomponenten in diesen Systemen rasant weiterentwickelt und bieten heute steuerbare, leistungsstarke Wechselstromversorgungen mit variabler Spannung und Frequenz.

II. Entwicklungstrends der Frequenzumrichtertechnologie

Nach rund dreißig Jahren Forschung und Anwendung, dem Einsatz neuer Leistungselektronikbauteile und Hochleistungsmikroprozessoren sowie der Weiterentwicklung der Steuerungstechnik, hat sich das Preis-Leistungs-Verhältnis von Frequenzumrichtern stetig verbessert, und ihre Baugröße ist gesunken. Hersteller arbeiten kontinuierlich daran, die Zuverlässigkeit zu erhöhen und Frequenzumrichter weiter zu miniaturisieren, leichter zu machen, ihre Leistung zu steigern, ihre Multifunktionalität zu verbessern und die Umweltbelastung zu reduzieren. Die Leistung eines Frequenzumrichters hängt von drei Faktoren ab: dem Einfluss von Oberschwingungen in der Ausgangswechselspannung auf den Motor; der Oberschwingungsbelastung des Stromnetzes und dem Leistungsfaktor am Eingang; sowie den Energieverlusten (d. h. dem Wirkungsgrad). Am Beispiel des weit verbreiteten AC/DC/AC-Frequenzumrichters werden aus technischer Sicht weitere Entwicklungen in folgenden Bereichen erwartet:

1. Die Leistungsschaltelemente von Hauptstromkreisen werden zunehmend selbstabschaltend, modular, integriert und intelligent, mit stetig verbesserten Schaltfrequenzen und weiter reduzierten Schaltverlusten. Niederspannungs-Frequenzumrichter mit geringer Leistung verwenden üblicherweise Leistungsschaltbauelemente wie Leistungs-MOSFETs, IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate) und IPMs (Intelligente Leistungsmodule). Mittelspannungs-Frequenzumrichter mit hoher Leistung verwenden GTOs (Gate-Turn-Off-Thyristoren), IGCTs (Integrated Gate Commutated Thyristors), SGCTs (Symmetrically Switched Gate Thyristors), IEGTs (Injection Enhancement Gate Transistors) und Hochspannungs-IGBTs.

2. Zur Topologie des Hauptstromkreises des Wechselrichters: Bei Niederspannungs-Wechselrichtern mit geringer Leistung werden netzseitig üblicherweise 6-Puls-Wechselrichter eingesetzt, während bei Mittelspannungs-Wechselrichtern mit hoher Leistung Mehrpuls-Wechselrichter mit 12 oder mehr Pulsen verwendet werden. Lastseitig kommen bei Niederspannungs-Wechselrichtern mit geringer Leistung üblicherweise zweistufige Brückenwechselrichter zum Einsatz, während bei Mittelspannungs-Wechselrichtern mit hoher Leistung mehrstufige Wechselrichter verwendet werden. Bei Vierquadrantenantrieben ist zu beachten, dass der netzseitige Wechselrichter reversibel sein sollte, um eine Energierückspeisung vom Wechselrichter ins Netz und somit Energieeinsparungen zu erzielen. In diesem Zusammenhang sind Dual-PWM-Wechselrichter mit bidirektionalem Leistungsfluss auf dem Markt erhältlich. Durch eine geeignete Steuerung des netzseitigen Wechselrichters kann der Eingangsstrom einer Sinuswelle angenähert und der Leistungsfaktor des Systems auf 1 optimiert werden, wodurch die Netzbelastung reduziert wird. Solche Produkte sind aktuell sowohl für Niederspannungs- als auch für Mittelspannungs-Wechselrichter verfügbar. Die Verwendung einer gemeinsamen Gleichstrombustechnologie ermöglicht eine bessere Energieausnutzung in Antriebssystemen mit mehreren Einheiten (oder mehr Achsen), verbessert die Gesamtbetriebseffizienz des Systems und senkt die Kosten des Wechselrichters selbst. Gemeinsame Gleichstrombusse können regenerativ oder nicht-regenerativ sein. Die Erforschung der Resonanz-Gleichstromschleifentechnologie ermöglicht den Betrieb des Leistungsschalters des Frequenzumrichters im Soft-Switching-Modus. Dies reduziert die Geräteverluste erheblich, ermöglicht höhere Schaltfrequenzen, unterdrückt elektromagnetische Störungen durch Spannungs- und Stromspitzen und macht einen Pufferkreis überflüssig.

3. Regelungsverfahren für Pulsweitenmodulations-Wechselrichter (PWM): Sinusförmige Pulsweitenmodulationsregelung (SPWM); PWM-Regelung zur Eliminierung von Oberschwingungen einer bestimmten Ordnung; Stromnachführungsregelung; Spannungsraumvektorregelung (Flussverkettungsnachführungsregelung).

4. Fortschritte bei Frequenzumrichterverfahren für Wechselstrommotoren: Die Entwicklung hat sich von der Skalarregelung (V/f-Regelung und Schlupffrequenzregelung) hin zur Vektorregelung und direkten Drehmomentregelung mit hoher Dynamik verlagert. Die Entwicklung sensorloser Vektorregelungs- und Direktmomentregelungssysteme ist im Gange.

5. Fortschritte bei Mikroprozessoren haben die digitale Steuerung zum Entwicklungsschwerpunkt moderner Controller gemacht. Bewegungssteuerungssysteme sind Hochgeschwindigkeitssysteme, insbesondere die Hochleistungssteuerung von Wechselstrommotoren, die die Speicherung vielfältiger Daten und die schnelle Echtzeitverarbeitung großer Informationsmengen erfordert. In den letzten Jahren haben führende internationale Unternehmen DSP-basierte (Digital Signal Processor) Kerne auf den Markt gebracht, die mit den für die Motorsteuerung benötigten peripheren Funktionsschaltungen ausgestattet und in einen einzigen Chip integriert sind. Diese sogenannten DSP-Ein-Chip-Motorcontroller (z. B. die ADMC3××-Serie von ADI, der TM S320C240 von TI und die DSP56F8××-Serie von Motorola) zeichnen sich durch deutlich niedrigere Preise, kleinere Abmessungen, kompaktere Bauweise, einfache Bedienung und höhere Zuverlässigkeit aus. DSPs erreichen eine maximale Geschwindigkeit von 20–40 MIPS und eine Befehlsausführungszeit von nur wenigen zehn Nanosekunden. Im Vergleich zu herkömmlichen Mikrocontrollern bieten sie eine 10- bis 15-fach höhere digitale Verarbeitungskapazität und gewährleisten so eine überlegene Systemsteuerungsleistung. Die digitale Steuerung vereinfacht die Hardware, und flexible Steuerungsalgorithmen bieten hohe Flexibilität bei der Regelung und ermöglichen die Realisierung komplexer Regelungsgesetze. Dadurch lässt sich die moderne Regelungstechnik auf Bewegungssteuerungssysteme anwenden, die Datenübertragung mit übergeordneten Systemen wird erleichtert und Fehlerdiagnose-, Schutz- und Überwachungsfunktionen werden verbessert, wodurch das System intelligenter wird (z. B. verfügen einige Frequenzumrichter über Selbstjustierungsfunktionen).

6. Wechselstrom-Synchronmotoren, insbesondere Permanentmagnet-Synchronmotoren, haben sich zu einem wichtigen Bestandteil von Wechselstromantrieben entwickelt. Diese Motoren zeichnen sich durch eine bürstenlose Bauweise, einen hohen Leistungsfaktor und einen hohen Wirkungsgrad aus, wobei die Rotordrehzahl exakt mit der Netzfrequenz synchronisiert ist. Frequenzumrichter für Synchronmotoren lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen: extern gesteuerte und selbstgesteuerte Frequenzumrichter. Selbstgesteuerte Frequenzumrichter ähneln im Prinzip Gleichstrommotoren, ersetzen jedoch den mechanischen Kommutator durch einen Leistungselektronik-Umrichter. Bei Verwendung eines AC/DC/AC-Umrichters werden sie als „kommutatorlose Gleichstrommotoren“ oder „bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC)“ bezeichnet. Traditionelle selbstgesteuerte Frequenzumrichter für Synchronmotoren nutzen Rotorpositionssensoren; Systeme ohne Rotorpositionssensoren befinden sich derzeit in der Entwicklung. Extern gesteuerte Frequenzumrichter für Synchronmotoren können auch die Vektorregelung nutzen, die aufgrund der Ausrichtung des Rotormagnetfelds einfacher ist als bei Asynchronmotoren. Reluktanzmotoren (SR-Motoren) sind eine spezielle Art von Synchronmotoren mit doppelt ausgeprägten Polen in Stator und Rotor. Sie sind robust, bürstenlos und zeichnen sich durch ein hohes Drehmoment aus. Da die Wicklungen von SR-Motoren nur in eine Richtung Strom benötigen, genügt ein unipolarer Umrichter, was zu einer einfachen Schaltung führt. Herkömmliche Drehzahlregelungssysteme für SR-Motoren benötigen Positionssensoren; sensorlose Systeme befinden sich derzeit in der Entwicklung. SR-Motoren bieten erhebliche Vorteile und ihre Anwendungsbereiche erweitern sich stetig. Ein kleiner Nachteil besteht jedoch darin, dass der Umrichter des SR-Motors unregelmäßige Stromimpulse ausgibt, was bei niedrigen Drehzahlen zu hörbaren Betriebsgeräuschen und Drehmomentwelligkeit führt. Dies erfordert weitere Verbesserungen der Regelungsmethoden.

Die Drehzahlregelung mit Wechselstrom und variabler Frequenz ist eine umfassende Technologie, die starke und schwache Ströme kombiniert und elektromechanische Systeme integriert. Sie erfordert die Umwandlung großer Mengen elektrischer Energie (Gleichrichtung und Invertierung) sowie die Erfassung, Transformation und Übertragung von Informationen. Daher lassen sich die zugehörigen Technologien in zwei Hauptbereiche unterteilen: Leistungselektronik und Steuerung. Erstere befasst sich mit den technischen Herausforderungen im Zusammenhang mit Hochspannung und Hochstrom sowie der Anwendungstechnik neuer Leistungselektronikgeräte. Letztere löst die Probleme der Hardware- und Softwareentwicklung (derzeit hauptsächlich volldigitale Steuerungstechnik) auf Basis moderner Regelungstechnik und intelligenter Steuerungsstrategien.

Die wichtigsten Entwicklungsrichtungen sind folgende:

(1) Erreichen einer hochpräzisen Regelung. Regelungsstrategien basierend auf Motor- und Mechanikmodellen umfassen Vektorregelung, Magnetfeldregelung, Direktmomentregelung und Kompensation mechanischer Torsionsschwingungen; Regelungsstrategien basierend auf modernen Theorien umfassen Gleitmodusregelung mit variabler Struktur, modellreferenzadaptive Regelung, nichtlineare Entkopplung mittels Differentialgeometrie, robuste Beobachter, optimale Regelungstechnik unter bestimmten Indizes und die inverse Nyquist-Array-Entwurfsmethode; Regelungsstrategien basierend auf intelligenten Regelungskonzepten umfassen Fuzzy-Regelung, neuronale Netze, Expertensysteme und verschiedene Selbstoptimierungs- und Selbstdiagnoseverfahren.

(2) Entwicklung von Umrichtern für saubere Energie. Ein Umrichter für saubere Energie zeichnet sich durch einen Leistungsfaktor von 1 und einen möglichst geringen Oberwellenanteil sowohl netz- als auch lastseitig aus, um die Belastung des Stromnetzes und das Drehmomentwelligkeit im Motor zu reduzieren. Bei Umrichtern mit kleiner und mittlerer Leistung ist die PWM-Steuerung mit erhöhter Schaltfrequenz effektiv. Bei Umrichtern mit hoher Leistung können die Schaltungsstruktur und das Steuerungsverfahren bei herkömmlichen Schaltfrequenzen angepasst werden, um eine saubere Energieumwandlung zu erreichen.

(3) Verkleinerung der Bauelemente. Kompakte Wandler erfordern einen hohen Integrationsgrad der Leistungs- und Steuerungskomponenten, darunter intelligente Leistungsmodule, kompakte Optokoppler, Hochfrequenz-Schaltnetzteile sowie kleinvolumige Transformatoren, Drosseln und Kondensatoren aus neuen elektrischen Werkstoffen. Auch veränderte Kühlmethoden für Leistungshalbleiter (wie Wasserkühlung, Verdunstungskühlung und Wärmerohre) tragen effektiv zur Verkleinerung der Bauelemente bei.

(4) Digitale Hochgeschwindigkeitssteuerung. Digitale Steuermodule auf Basis von 32-Bit-Hochgeschwindigkeitsmikroprozessoren bieten ausreichende Leistungsfähigkeit zur Implementierung verschiedener Steueralgorithmen. Die Einführung des Windows-Betriebssystems ermöglicht freie Gestaltungsmöglichkeiten, und auch die grafische Programmiertechnik für Steuerungen hat große Fortschritte gemacht.

(5) Simulations- und CAD-Technologie (Computer-Aided Design). Die Einführung von Motorsimulatoren, Lastsimulatoren und verschiedener CAD-Software hat die Konstruktion und Prüfung von Frequenzumrichtern maßgeblich unterstützt.

Zu den wichtigsten Forschungs- und Entwicklungsprojekten gehören folgende:

(1) Ein Übertragungsgerät, das von einem Hochleistungs-Wechselstrom-Wechselstrom-Frequenzumrichter mit digitaler Steuerung gespeist wird.

(2) Die Anwendung von Hochleistungs-Lastumrichterstromumrichter-Stromversorgungsübertragungsanlagen in Pumpspeicherkraftwerken, großen Windkraftanlagen und Pumpen.

(3) Förderung und Anwendung von GTO-Wechselrichtern vom Spannungstyp bei Eisenbahnlokomotiven.

(4) Erweiterung der Funktionen und Verbesserung der Leistung von Antriebsgeräten, die mit spannungsgesteuerten IGBT- und IGCT-Wechselrichtern betrieben werden. Beispielsweise kann es in vier Quadranten arbeiten, mit Selbstmessung und Selbsteinstellung von Elektrodenparametern, automatischer Kompensation von Motorparameteränderungen sowie sensorloser Vektorregelung und direkter Drehmomentregelung.

(5) Forschung zur energiesparenden Drehzahlregelung von Hochspannungsmotoren für Ventilatoren und Pumpen. Es ist bekannt, dass Ventilatoren und Pumpen durch den Einsatz von Drehzahlregelung viel Strom sparen. Insbesondere bei Hochspannungsmotoren mit hoher Leistung ist der Energiespareffekt deutlich ausgeprägter. Die Entwicklung wirtschaftlicher und sinnvoller Drehzahlregelungsverfahren für Hochspannungsmotoren ist daher ein aktuelles Forschungsthema.

Die wichtigsten Forschungsinhalte und Schlüsseltechnologien umfassen Folgendes:

(1) Hochspannungs- und Hochstromtechnik: Dynamische und statische Spannungsausgleichstechnik (3-Zoll-Thyristoren in Reihe in 6-kV- und 10-kV-Stromkreisen mit einem statischen und dynamischen Spannungsausgleichskoeffizienten größer als 0,9); Stromausgleichstechnik, Stromausgleichstechnik von Hochleistungsthyristoren parallel mit einem Stromausgleichskoeffizienten größer als 0,85; Stoßspannungsableitungstechnik (in 10-kV- und 6-kV-Stromkreisen); optische Steuerungs- und elektromagnetische Ansteuertechnik (elektrisch/optische, optisch/elektrische Wandlungstechnik); Wärmeleitungs- und Wärmeabfuhrtechnik (hauptsächlich Technologien mit guter Wärmeleitung und Wärmeabfuhr sowie hoher Stromabgabe, wie z. B. Wärmerohr-Wärmeabfuhrtechnik); Hochspannungs- und Hochstromsystemschutztechnik (elektromagnetische Feldstärkenbeständigkeit, Isolationsdesign); Ersatzlastsimulationstechnik.

(2) Anwendungstechnologien neuer leistungselektronischer Geräte: Abschaltantriebstechnologie; Dual-PWM-Wechselrichtertechnologie; zyklischer Umrichter/Strom-Wechselrichter (CC/CSIO)-Umrichtertechnologie (12-Puls-Frequenzumwandlungstechnologie); Drehzahlregelung von Synchronmaschinen mit Wechselstromerregung; PWM-Umrichtertechnologie mit sanftem Schalten.

(3) Vollständig digitale automatische Steuerungstechnik: Parameter-Selbsteinstellungstechnologie; Prozess-Selbstoptimierungstechnologie; Fehler-Selbstdiagnosetechnologie; Objekt-Selbstidentifizierungstechnologie.

(4) Moderne Regelungstechnologien: Mehrgrößen-Entkopplungsregelung; Vektorregelung und Direktmomentregelung; adaptive Regelungstechnik.