Hochspannungs-Frequenzumrichter (im Ausland als Mittelspannungs-Frequenzumrichter bekannt) werden in China seit Mitte der 1990er Jahre gefördert. Nach zehn Jahren Entwicklung sind sie mittlerweile weit verbreitet, und ihr Marktvolumen wird in diesem Jahr auf 1 bis 2 Milliarden RMB geschätzt. Dieser Artikel analysiert die Eigenschaften von Hochspannungs-Frequenzumrichtern sowohl aus produkttechnischer als auch aus marktwirtschaftlicher Sicht. I. Produkt- und technische Eigenschaften von Hochspannungs-Frequenzumrichtern Von den 1980er bis Anfang der 1990er Jahre wurden drei Hauptmethoden zur Drehzahlregelung von Hochspannungsmotoren eingesetzt: (1) Hydraulische Kupplung. Hierbei wird eine hydraulische Kupplung in Reihe zwischen Motor und Last geschaltet. Die Drehzahl der Last wird durch die Regulierung des Flüssigkeitsstands und damit der Kupplungskraft zwischen Motor und Last angepasst. (2) Kaskaden-Drehzahlregelung. Bei der Kaskaden-Drehzahlregelung werden Schleifringläufer-Asynchronmotoren eingesetzt, die einen Teil der Wicklungsenergie durch Gleichrichtung und Umkehrung ins Netz zurückspeisen. Dies entspricht der Anpassung des Innenwiderstands des Rotors und damit der Änderung des Schlupfs des Motors. Da die Rotorspannung und die Netzspannung in der Regel nicht übereinstimmen, ist ein Transformator zur Netzumwandlung erforderlich. Um diesen Transformator einzusparen, werden auf dem heimischen Markt heute häufig intern gespeiste Motoren eingesetzt. Dabei wird am Stator eine dreiphasige Hilfswicklung angebracht, die die vom Rotor zurückgespeiste Energie aufnimmt. Die Hilfswicklung trägt ebenfalls zur Arbeit bei, wodurch die von der Hauptwicklung aus dem Netz aufgenommene Energie reduziert wird. Dies ermöglicht die Drehzahlregelung und Energieeinsparung. (3) Hoch- und Niederspannungsbetrieb. Da die Hochspannungs-Frequenzumrichtertechnologie damals noch nicht ausgereift war, wurde zunächst ein Transformator zur Reduzierung der Netzspannung verwendet. Anschließend erfolgte die Frequenzumwandlung mit einem Niederspannungs-Frequenzumrichter. Für den Motor gibt es zwei Verfahren: Entweder wird ein Niederspannungsmotor verwendet, oder der ursprüngliche Hochspannungsmotor wird beibehalten, wobei ein Aufwärtstransformator zwischen Frequenzumrichter und Motor geschaltet wird. Alle drei Verfahren sind mittlerweile zu ausgereiften Technologien geworden. Die Drehzahlregelungsgenauigkeit von hydraulischen Kupplungen und Kaskaden-Drehzahlregelung ist relativ gering, der Drehzahlregelbereich klein und der Wartungsaufwand hoch. Der Wirkungsgrad hydraulischer Kupplungen ist dem der Frequenzumrichter-Drehzahlregelung noch etwas unterlegen, weshalb die Wettbewerbsfähigkeit dieser beiden Technologien gering ist. Der Hoch-Niedrig-Betrieb ermöglicht zwar eine relativ gute Drehzahlregelung, weist aber im Vergleich zu einem echten Hochspannungs-Frequenzumrichter folgende Nachteile auf: geringer Wirkungsgrad, hohe Oberschwingungen, hohe Anforderungen an den Motor und geringe Zuverlässigkeit bei hohen Leistungen (über 500 kW). Der Hauptvorteil des Hoch-Niedrig-Betriebs liegt in den geringeren Kosten. Aktuell sind drei Haupttypen von Hochspannungs-Frequenzumrichtern verfügbar: (1) Stromquellen-Frequenzumrichter. Wie in Abbildung 1 dargestellt, verwendet der Wechselrichterteil des Stromquellen-Frequenzumrichters direkt in Reihe geschaltete SGCTs (Small-Gain-Carbon Transformators), um das Spannungsproblem zu lösen. Der Gleichstromteil nutzt Drosseln zur Energiespeicherung. Mit dieser Technologie lässt sich eine Ausgangsspannung von 7,2 kV erreichen, was für die in China üblicherweise verwendeten 6-kV-Netzspannungen geeignet ist. Der Leistungsfaktor der Eingangsseite des Stromquellenwechselrichters ist relativ niedrig, die vom Reaktor erzeugte Wärme relativ hoch und der Wirkungsgrad geringer als der des Spannungsquellenwechselrichters. Aufgrund der Stromregelung ist die Auslegung des Ausgangsfilters relativ komplex. Gleichtaktspannung, Oberschwingungen und dv/dt-Probleme des Zweistufenwechselrichters treten stärker hervor, wodurch höhere Anforderungen an den Motor gestellt werden. Obwohl der Stromquellenwechselrichter den Vorteil der Energierückführung bietet, ist die Anzahl der Lasten, die eine Energierückführung benötigen, gering, insbesondere bei Allzweckwechselrichtern. Daher hat die Wettbewerbsfähigkeit des Stromquellenwechselrichters auf dem Markt allmählich abgenommen. Abbildung 1: Stromquellen-Hochspannungswechselrichter (2) Reihenschaltung mehrerer Leistungseinheiten. Wie in Abbildung 2 dargestellt, verwendet dieser Wechselrichter mehrere Niederspannungs-Leistungseinheiten in Reihe, um eine Hochspannung zu erzielen. Der Abwärtstransformator auf der Eingangsseite arbeitet mit Phasenverschiebung, wodurch Oberschwingungen im Stromnetz effektiv eliminiert werden. Die Ausgangsseite verwendet mehrstufige sinusförmige PWM-Technologie und ist für Motoren beliebiger Spannung geeignet. Darüber hinaus kann eine ausfallende Leistungseinheit das System automatisch verlassen, während die verbleibenden Einheiten den Motor weiterlaufen lassen und so die durch den Abschaltvorgang verursachten Verluste reduzieren. Das System ist modular aufgebaut und ermöglicht einen schnellen Austausch defekter Module. Die Wettbewerbsfähigkeit des in Reihe geschalteten Multilevel-Wechselrichters ist daher offensichtlich. Abbildung 2 zeigt den in Reihe geschalteten Multilevel-Hochspannungswechselrichter (3) in dreistufiger Ausführung. Wie in Abbildung 3 dargestellt, nutzt der Dreistufen-Wechselrichter eine Klemmschaltung, um das Problem der Reihenschaltung zweier Leistungseinheiten zu lösen und eine dreistufige Phasenspannung am Ausgang zu erzeugen. Die Hauptschaltung des Dreistufen-Wechselrichters weist weniger Verbindungen auf. Obwohl es sich um eine Spannungsquellenstruktur handelt, lässt sich Energierückkopplung leicht realisieren. Das größte Problem des Dreistufen-Wechselrichters auf dem heimischen Markt ist die Spannung. Seine maximale Ausgangsspannung erreicht nicht 6 kV, weshalb häufig alternative Methoden wie die Anpassung der Motorspannung oder der Einsatz eines Aufwärtstransformators am Ausgang erforderlich sind. Diese Schwäche schränkt seine Anwendungsmöglichkeiten ein. Aktuell wurden zwar alternative Hochspannungswechselrichter vorgeschlagen, doch die meisten davon sind nicht praktikabel, d. h. sie haben nicht das Potenzial, die drei oben genannten gängigen Wechselrichterstrukturen zu ersetzen. Mit weiter sinkenden Kosten für Hochspannungswechselrichter werden Hoch- und Niederspannungswechselrichter im Mittelleistungssegment aus dem Wettbewerb ausscheiden und sich auf Anwendungen mit geringerer Leistung konzentrieren. Die Hauptnachteile von in Reihe geschalteten Mehrpegel-Frequenzumrichtern sind die Komplexität der Umrichterschaltung, die große Anzahl an Leistungskomponenten und die etwas größere Baugröße. Da andere Methoden jedoch die Anforderungen inländischer Anwendungen nicht erfüllen und die Zuverlässigkeit von Hochspannungsgeräten noch nicht sehr hoch ist, dürfte ihr Wettbewerbsvorteil in naher Zukunft unersetzlich bleiben. Dreipegel-Frequenzumrichter werden aufgrund ihrer niedrigeren Ausgangsspannung hauptsächlich in Spezialbereichen wie Walzwerken, Schiffsantrieben, Lokomotiven und Hebezeugen eingesetzt. Die Motoren in diesen Bereichen sind kundenspezifisch gefertigt, und die Spannung entspricht möglicherweise nicht dem Standard. Bei bestimmten Leistungsstufen ist die Ablösung herkömmlicher AC/AC-Frequenzumrichter durch Dreipegel-Frequenzumrichter ein technologischer Trend. Die Weiterentwicklung von dreistufigen Frequenzumrichtern hängt von der Verfügbarkeit von Leistungshalbleitern für höhere Spannungen und der Verbesserung der Zuverlässigkeit bestehender Produkte ab. In Anwendungen mit extrem hoher Leistung (ca. 8000 kW und mehr) sind LCI-Frequenzumrichter (lastgeführte Wechselrichter) mit Thyristoren weiterhin die dominierende Bauart. Aufgrund der genannten technischen Eigenschaften dominieren derzeit in Reihe geschaltete, mehrstufige Frequenzumrichter den Markt für universelle Hochspannungs-Frequenzumrichter mit einem Marktanteil von über 70 %. In China gibt es derzeit mindestens zwanzig Hersteller von Hochspannungs-Frequenzumrichtern, darunter Leadway, die alle im Wesentlichen diese Schaltungsstruktur verwenden. II. Marktmerkmale von Hochspannungs-Frequenzumrichtern (1) Weitgehende Marktakzeptanz. Wären Hochspannungs-Frequenzumrichter vor fünf Jahren auf den Markt gekommen, hätte man den Anwendern in der Regel ihre Funktionsweise und ihre Vorteile erklären müssen. Dank der gemeinsamen Anstrengungen vieler Hersteller und der positiven Marktentwicklung sind Hochspannungs-Frequenzumrichter heute jedoch allgemein akzeptiert. Die einzige Frage ist nun, welchen Hersteller man aus der Vielzahl der Anbieter auswählt. (2) Die Leistung ist von entscheidender Bedeutung. Hochspannungs-Frequenzumrichter arbeiten in der Regel mit hoher Leistung und werden in kritischen Bereichen eingesetzt. Daher legen Anwender größten Wert auf die Zuverlässigkeit des Produkts. Am besten lässt sich die Zuverlässigkeit überprüfen, indem man Anwender befragt, die das Produkt bereits im Einsatz haben, um deren Situation zu verstehen. Je mehr Anwenderberichte vorliegen, desto überzeugender ist die Aussagekraft. (3) Der Service ist unerlässlich. Hochspannungs-Frequenzumrichter sind Hochleistungselektronikgeräte. Im Betrieb treten daher immer wieder Probleme auf. Die Einsatzumgebung von Hochspannungs-Frequenzumrichtern ist ebenfalls sehr kritisch. Daher ist ein zeitnaher Kundendienst von großer Bedeutung. Der Service ist ein wesentlicher Bestandteil der Kundenbindung. Fehlt der Service oder sind die Kosten für Service und Ersatzteile – wie bei manchen ausländischen Herstellern – hoch, beeinflusst dies die Kaufentscheidung der Anwender. (4) Die Anpassungsfähigkeit an die Gegebenheiten vor Ort ist von großer Bedeutung. Hersteller von Hochspannungs-Frequenzumrichtern können die Bedingungen vor Ort in ihren eigenen Laboren in der Regel nicht vollständig simulieren. Daher sind die Flexibilität des Produktdesigns und die Fähigkeit, Probleme vor Ort schnell zu beheben, von entscheidender Bedeutung. Aufgrund des hohen Stromverbrauchs und der kritischen Last möchten Anwender oft keine längeren Testläufe der Geräte durchführen. Daher ist es bei unzureichender Produktkonstruktion sehr schwierig, auftretende Probleme zu beheben. Aus diesem Grund stagnierten die Produkte vieler Hersteller in den letzten Jahren. (5) Die Preise sind weiter gesunken. Aufgrund des starken Wettbewerbs und der Niedrigpreisstrategie neuer Marktteilnehmer, mit der sie sich Wettbewerbsvorteile verschaffen wollen, sind die Preise für Hochspannungs-Frequenzumrichter rapide gefallen. In einigen Projekten boten konkurrierende Hersteller sogar Preise unterhalb der Selbstkosten an. Mit dem technologischen Fortschritt werden Hochspannungs-Frequenzumrichter nicht nur ihre Verbreitung in bestehenden Märkten weiter vorantreiben, sondern auch ihre Anwendungsbereiche erweitern. Für viele Lasten müssen jedoch noch die technischen Anwendungsprobleme von Frequenzumrichtern gelöst werden. Kurz gesagt, Hochspannungs-Frequenzumrichter erleben derzeit eine Blütezeit ihrer Entwicklung.