Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt kurz die Hauptschaltungstopologie und das Regelungsverfahren eines 6-kV-Frequenzumrichters, stellt den Vergleich und die Auswahl von Frequenzumrichtern vor und präsentiert ein Anwendungsbeispiel des Frequenzumrichters PowerFlex7000 im Wasserwerk Nr. 4 Yangzhou. Schlüsselwörter: Frequenzumrichter, Topologie, Regelung 1 Einleitung Wie bekannt, lassen sich durch die Implementierung von Drehzahlregelungssystemen für Wasserpumpen in der Wasserversorgung Energieeinsparungen erzielen und der sichere Betrieb städtischer Wassernetze gewährleisten. Neben direkten wirtschaftlichen Vorteilen ergeben sich auch erhebliche soziale Vorteile. Es ist daher zu erwarten, dass die Entwicklung und Anwendung der Drehzahlregelungstechnologie für Hochleistungs-Wechselstrommotoren eine der wichtigsten Richtungen der Energieeinsparung in China darstellt und ein Ziel ist, das die Wasserversorgungsbranche kontinuierlich verfolgt. 2. Aktueller Stand In den vergangenen Jahren verlief die Anwendung der Hochspannungs-Frequenzumrichtertechnik in Hochleistungs-Wechselstromantrieben schleppend, hauptsächlich aus zwei Gründen: Erstens ist die Versorgungsspannung von Hochleistungsmotoren hoch (die 29 dreiphasigen Asynchronmotoren des Autors arbeiten alle mit 6 kV und einer Mindestleistung von je 185 kW), während die Spannungsfestigkeit der Leistungshalbleiter des Frequenzumrichters gering ist, was zu Problemen bei der Spannungsanpassung führt. Zweitens sind Hochspannungs-Hochleistungs-Frequenzumrichtersysteme technisch komplex, schwierig und kostspielig, während energiesparende Modernisierungen wie Wasserpumpen geringe Investitionen und hohe Renditen erfordern, was zu Problemen mit der Wirtschaftlichkeit führt. Aufgrund der hohen Versorgungsspannung und der begrenzten Spannungsfestigkeit der Leistungshalbleiter besteht der gängige Ansatz – abgesehen von den Stromsystemen von Rockwell – darin, Leistungseinheiten oder -halbleiter in Reihe zu schalten, um das Hochspannungsproblem zu lösen. 3. Vergleich von Haupt- und Steuerschaltung 3.1 Vergleich der Hauptschaltungen Aktuell verfügen Hochspannungs-Frequenzumrichter auf dem Markt noch nicht über die ausgereifte und einheitliche Hauptschaltungstopologie von Niederspannungs-Frequenzumrichtern und sind auf die Verwendung von Leistungshalbleitern mit Strom- und Spannungsfestigkeit beschränkt. Um den Anforderungen des Hochspannungsbetriebs gerecht zu werden, haben verschiedene Wechselrichterhersteller im In- und Ausland unterschiedliche Hauptschaltungsstrukturen entwickelt, die jedoch alle erfolgreich das Problem der hohen Spannung und der großen Leistung gelöst haben. Hochspannungsumrichter für Asynchronmotoren haben sukzessive verschiedene Topologien entwickelt, wie z. B. Stromumrichter, Serienumrichter, Dioden-geklemmte Drei-Level-Umrichter, Kondensator-geklemmte Vier-Level-Umrichter, Direkt-Serien-IGBT-Umrichter und Spannungs-Hoch-Niederspannungs-Umrichter. Hochleistungs- und Hochspannungsumrichter sind besonders häufig als Strom- oder Spannungsumrichter anzutreffen. Derzeit sind einige bekannte Marken von Wechselrichtern auf dem Markt als Strom- oder Spannungsumrichter erhältlich. (1) Spannungsumrichter: Spannungsumrichter nutzen in Reihe geschaltete Niederspannungsgeräte, um die Spannung für Hochspannungsmotoren zu überlagern. Der Vorteil dieses Umrichtertyps liegt in den etwas geringeren Investitionskosten. Theoretisch ergeben sich jedoch bei der Reihenschaltung Probleme mit dem statischen und dynamischen Spannungsausgleich, da sich der dynamische Widerstand und die polare Kapazität der einzelnen Geräte unterscheiden. Werden die Spannungsausgleichsmaßnahmen R (Widerstand) und RC (Widerstand und Kapazität) parallel zu den Geräten eingesetzt, wird die Schaltung komplexer und die Verluste steigen. Gleichzeitig erhöht die Reihenschaltung der Geräte die Anforderungen an die Ansteuerschaltung erheblich. Die in Reihe geschalteten Geräte müssen gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden. Andernfalls führt die unterschiedliche Ein- und Ausschaltzeit der einzelnen Geräte zu einer ungleichmäßigen Spannung, die Geräte beschädigen oder sogar zum Ausfall des gesamten Systems führen kann. (2) Strombasierte Frequenzumrichter. Strombasierte Frequenzumrichter sind derzeit hauptsächlich Produkte von Rockwell Automation, insbesondere die in den letzten Jahren eingeführte neue Generation der 6-kV-Frequenzumrichter der Serie PowerFlex7000. Das neue Leistungshalbleiterbauelement, der symmetrische Gate-Kommutierte Thyristor (SGCT), ersetzt den ursprünglichen GTO, was die Ansteuer- und Absorptionsschaltung vereinfacht und den Systemwirkungsgrad verbessert. Jeder Brückenzweig des 6-kV-Systems verwendet drei SGCTs mit einer Spannungsfestigkeit von 6500 V. PWM-Gleichrichter, Standard-Oberschwingungsfilter und Leistungsfaktorkorrektur sorgen dafür, dass die Oberschwingungen den Anforderungen der Norm IEEE 519-1992 entsprechen. Der 6-kV-Frequenzumrichter der Serie PowerFlex 7000 zeichnet sich durch einfache Stromregelung, erleichterte Energierückführung und Vierquadrantenbetrieb aus. Der Eingang verwendet steuerbare Bauelemente für die PWM-Gleichrichtung. Dieser Umrichter verwendet ein zweistufiges Wechselrichterkonzept mit in Reihe geschalteten Leistungshalbleitern, was zu einer einfachen Struktur und einem minimalen Bedarf an Leistungshalbleitern führt. Der PowerFlex 7000 verfügt über eine Eingangsdrossel und einen Filter, um die Oberwellenanforderungen des Stromnetzes und des Systems zu erfüllen. Seine Leistung ist von den Motorparametern abhängig und zeichnet sich durch ein adaptives Anpassungssystem aus. Dadurch werden der hohe Oberwellengehalt, die Verschmutzung und die Verluste anderer Frequenzumrichter sowie deren hohe Gleichtaktspannung, die die Motorisolation beeinträchtigen kann, vermieden. Ein Nachteil des PowerFlex 7000 sind die etwas höheren Anschaffungskosten. Verschiedene 6-kV-Frequenzumrichter unterscheiden sich nicht nur in ihrer Hauptschaltungstopologie, sondern auch in Wirkungsgrad, Oberwellen, Zuverlässigkeit und Redundanz. In der Wasserversorgung werden leistungsstarke Drehzahlregler eingesetzt, und mit dem wachsenden Bewusstsein für Energieeinsparung gewinnt die Systemeffizienz zunehmend an Bedeutung. Die Systemeffizienz wird durch die verschiedenen Hauptschaltungstopologien, die Art und Anzahl der verwendeten Leistungselektronik sowie den Einsatz von Transformatoren und Filtern beeinflusst. Um die Systemeffizienz zu verbessern, ist es unerlässlich, die Verluste in den Leistungsschaltern und Frequenzumrichtern zu minimieren. Unter den verschiedenen 6-kV-Frequenzumrichtern ist der PowerFlex7000 ein stromgesteuerter Hoch-zu-Hoch-Spannungs-Frequenzumrichter (6 kV Eingang, 6 kV Ausgang). Das System nutzt ein redundantes Design, Pulsweitenmodulation (PWM) und einen Stromquellenwechselrichter (CSI) als Antriebswechselrichter, was die Systemleistung weiter steigert. Seine Leistungseinheit ist einfach, kostengünstig, stabil und zuverlässig und eignet sich für einen breiten Spannungs- und Leistungsbereich. Die Nenn-Spitzenspannung (PIV) seiner Leistungshalbleiterbauelemente erreicht 6500 V, wodurch die Anzahl der Leistungsbauelemente im Vergleich zu Frequenzumrichtern gleicher Spannungsebene und Kapazität am geringsten ist. Durch den Einsatz eines aktiven PWM-Gleichrichters am Eingang erfüllt er die Anforderungen der IEEE-519-Norm, ohne dass ein Phasentrenntransformator am Eingang erforderlich ist. Der PowerFlex7000 liefert dem Motor nahezu sinusförmigen Strom und Spannung, wodurch die Anforderungen an Wärmeableitung und Isolationsfestigkeit reduziert werden. Die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit (dv/dt) beträgt weniger als 10 V/ms. Die bei Spannungszwischenkreisumrichtern (VSI) häufig auftretenden Probleme mit reflektierter Wellenform und dv/dt sind beim PowerFlex 7000 vollständig beseitigt. Darüber hinaus eliminiert eine selektive Oberwellenunterdrückung (SHE) im Wechselrichter die wichtigsten Oberwellen (wie die 3., 5. und 7. Harmonische). Der im Wechselrichter integrierte kleine Ausgangskondensator eliminiert die verbleibenden Oberwellen höherer Ordnung, sodass die gesamte Ausgangswellenform nahezu einer perfekten Sinuswelle entspricht. Das Gerät verwendet außerdem einen SGCT (Enhanced Gate Turn-Off Thyristor with Integrated Gate Driver, GTO). Der Gate-Treiber befindet sich in unmittelbarer Nähe des SGCT, was zu einer niedrigen Impedanz der Regelschleife führt. Dadurch werden Strom- und Spannungsschwankungen beim Schalten des Gates deutlich reduziert, was herkömmliche Leistungshalbleiter deutlich übertrifft. 3.2 Vergleich der Regelschaltungen: Frühe Universalwechselrichter wie die Toshiba TOSVERT-130-Serie, die FUJI FVRG5/P5-Serie und die SANKEN SVF-Serie verwendeten meist eine Regelung mit konstantem Spannungsverhältnis (V/F = konstant) im offenen Regelkreis. Vorteile sind die einfache Regelungsstruktur und die geringen Kosten, Nachteile hingegen die geringe Systemleistung. Insbesondere ändert sich die Regelkennlinie mit der Last; das Drehmomentansprechen ist träge, die Drehmomentausnutzung des Motors gering, und die Leistung sowie die Stabilität verschlechtern sich bei niedrigen Drehzahlen aufgrund des Statorwiderstands und des Totzoneneffekts des Wechselrichters. Die Transformation des U/F-Regelungssystems von Wechselrichtern erfolgte im Wesentlichen in drei Phasen: (1) Phase 1: Magnetflusstrajektorienregelung. Anfang der 1980er-Jahre schlugen japanische Wissenschaftler die Spannungsraumvektor-Methode der grundlegenden Magnetflusstrajektorie vor. Dieses Verfahren nutzt die Gesamtwirkung der dreiphasigen Wellenform als Grundlage und die ideale kreisförmige Rotationsfeldbahn des Motorluftspalts als Ziel und erzeugt in einem Schritt zweiphasige Modulationswellenformen. Dieses Verfahren wird als Spannungsraumvektorregelung bezeichnet. Typische Modelle sind die FUJI (Fuji) FRN5OOOG5/P5- und SANKEN (Sanken) MF-Serien, die um 1989 auf dem chinesischen Markt eingeführt wurden. Ähnliche Produkte gab es auch bei Mitsubishi, Hitachi, Toshiba und anderen Herstellern, wie beispielsweise den 1991 von Fuji Electric eingeführten FVR- und FRNG7/P7-Motoren. Allerdings konnte die Systemleistung durch die vier oben genannten Verfahren aufgrund der fehlenden Drehmomentregelung nicht grundlegend verbessert werden. (2) Stufe 2: Die feldorientierte Regelung, auch Vektorregelung genannt, wurde Anfang der 1970er-Jahre von F. Blasschke et al. in Westdeutschland erstmals vorgeschlagen. Das Prinzip wurde durch den Vergleich von Gleichstrom- und Wechselstrommotoren analysiert und erklärt und leistete damit Pionierarbeit für die äquivalente Gleichstrommotorsteuerung von Wechselstrommotoren. Es zeigte sich, dass Wechselstrommotoren trotz ihrer komplexen Steuerung die inhärente Eigenschaft der unabhängigen Drehmoment- und Feldregelung erreichen können. Der Kern der Vektorregelung besteht darin, den Rotorfluss zu steuern, den Rotorfluss auszurichten und den Statorstrom in Drehmoment und Feld zu zerlegen. Die orthogonale bzw. entkoppelte Regelung wird durch Koordinatentransformation realisiert. Aufgrund der Schwierigkeit, den Rotorfluss präzise zu erfassen, und der Komplexität der Vektortransformation ist der tatsächliche Regelungseffekt jedoch oft schwer mit dem der theoretischen Analyse übereinzustimmen. Dies ist ein praktischer Nachteil der Vektorregelung. Darüber hinaus ist es notwendig, die Position des Rotorflusses im Raum direkt oder indirekt zu bestimmen, um eine entkoppelte Regelung des Statorstroms zu erreichen. In diesem Vektorregelungssystem muss ein Rotorpositions- oder Drehzahlsensor konfiguriert werden, was für viele Anwendungen mit Unannehmlichkeiten verbunden ist. Daher wird die Vektorregelung weiterhin in universelle Frequenzumrichter integriert. Ab 1992 entwickelte Siemens in Deutschland die Mehrzweck-Baureihe 6SE70, die Frequenz-, Vektor- und Servoregelung mittels FC-, VC- bzw. SC-Platinen ermöglicht. 1994 wurde die Baureihe auf über 315 kW erweitert. (3) Stufe 3: Direkte Drehmomentregelung. Der Frequenzumrichter PowerFlex7000 nutzt die sensorlose direkte Drehmomentregelung. Dieses Verfahren ermöglicht schnelle Drehmomentänderungen ohne Einfluss auf den Motorfluss und erzielt eine hohe Regelgenauigkeit ohne Tachogenerator. Die Theorie der direkten Drehmomentregelung (DTC) wurde 1985 von Professor Depenbrock von der Ruhr-Universität erstmals vorgestellt. Die direkte Drehmomentregelung unterscheidet sich von der Vektorregelung. Sie regelt das Drehmoment nicht indirekt über Strom, Flussverkettung etc., sondern direkt als Regelgröße. Die Vorteile der Drehmomentregelung liegen darin, dass sie die Statorflussverkettung steuert und keine Drehzahlinformationen benötigt. Sie passt sich gut an Änderungen aller Motorparameter außer dem Statorwiderstand an. Der eingeführte Statorflussbeobachter ermöglicht die einfache Schätzung der Synchrondrehzahl und somit einen sensorlosen Betrieb. Daher ist es naheliegend, dieses Regelungsverfahren für universelle Frequenzumrichter anzuwenden; diese Regelung wird als sensorlose Direktmomentregelung bezeichnet. Sie basiert jedoch auf einem präzisen mathematischen Modell des Motors und der automatischen Identifizierung der Motorparameter. Durch die Identifizierung werden wichtige Parameter wie die tatsächliche Statorimpedanz, die Gegeninduktivität und das Trägheitsmoment der Motorlast automatisch ermittelt. Anschließend werden basierend auf dem präzisen Motormodell das tatsächliche Drehmoment, der Statorfluss und die Rotordrehzahl des Motors geschätzt und mittels Band-Band-Regelung von Fluss und Drehmoment PWM-Signale generiert, um den Schaltzustand des Wechselrichters zu steuern. Dieses System ermöglicht eine schnelle Drehmomentansprechzeit und eine hohe Drehzahl- und Drehmomentregelungsgenauigkeit. Technische Leistungskennzahlen des Direktmomentregelungssystems: Die Drehmomentansprechzeit beträgt < 2 ms; die statische Drehzahlgenauigkeit mit PG beträgt ± 0,01 %. Die Drehzahlregelungsgenauigkeit ohne Leistungsfaktorkorrektur (PG) kann selbst unter dem Einfluss von Eingangsspannungsänderungen oder Lastspitzen ±0,1 % erreichen. 4. Technisches Beispiel: Das Projekt zur energiesparenden Modernisierung der Drehzahlregelung durch Frequenzumrichter im vierten Wasserwerk Yangzhou wurde in Verbindung mit der Modernisierung des Pumpwerks durchgeführt. Um den reibungslosen Abschluss dieses Projekts zu gewährleisten, wurden ab Anfang 2002 Marktforschung und -untersuchungen durchgeführt. Ausgehend von der Ist-Situation des vierten Wasserwerks vor der Sanierung (5 Einheiten, 4 in Betrieb, 1 in Reserve) wurden an einigen Einheiten energiesparende Modernisierungen durch Frequenzumrichter-Drehzahlregelung vorgenommen. Dadurch konnte die Wasserversorgungskapazität des vierten Wasserwerks den Spitzen- und Schwachlastbedarf des Jahres 2005 decken. Eine Vergleichstabelle der Pumpenausrüstung im zweiten Pumpwerk des vierten Wasserwerks vor und nach der Sanierung ist in Tabelle 1 dargestellt. Im Rahmen der Recherche, Untersuchung und Ausschreibung für das Frequenzumrichter-Sanierungsprojekt im Wasserwerk Yangzhou Nr. 4 wurden Faktoren wie die Topologie des Hauptstromkreises, die Zuverlässigkeit der Geräte, die Regelungsmethode, die Regelungsgenauigkeit, der Wirkungsgrad, die Oberschwingungen, die Wirtschaftlichkeit und die Leistungsfähigkeit in der Wasserversorgungsbranche umfassend berücksichtigt. Schließlich wurde der Frequenzumrichter PowerFlex 7000 von Rockwell ausgewählt. Die baulichen Anlagen für den Frequenzumrichterraum wurden für die Installation von drei 6-kV-Frequenzumrichtern mit je 630 kW Leistung errichtet. Das gesamte Projekt wurde Ende Mai 2005 in Betrieb genommen und testweise in Betrieb genommen. Zur Steuerung der Frequenzumrichter kamen sowohl lokale als auch Fernsteuerungsverfahren zum Einsatz, basierend auf dem SPS-Steuerungssystem MicroLogix 500 von Rockwell. Für jeden Tag wurden Druckdatentabellen für 24 Zeiträume mit unterschiedlichen Daten für Wochentage und Feiertage erstellt. Die Daten konnten online in Echtzeit angepasst werden. Dies ermöglichte Vorgänge wie das Starten und Stoppen der Frequenzumrichter, das Öffnen und Schließen der Auslassventile sowie die Druckregelung. Zusätzlich verfügte das System über eine Echtzeit-Frequenzanzeige, Kurvenverfolgung und Alarmfunktionen. Damit wurde das Ziel einer geschlossenen, vollautomatischen und zeitlich segmentierten Konstantdruck-Wasserversorgung erreicht. 5. Ergebnisse der Verbesserung: Seit der Inbetriebnahme Ende Mai 2005 läuft das Projekt einwandfrei und hat bereits zu Energieeinsparungen geführt. 5.1 Mikroökonomische Vorteile (1) Basierend auf der Messung des Pumpenausgangsdrucks wird der Pumpenausgangsdruck im tatsächlichen Betriebszustand der Anlage auf 0,45 MPa gehalten und vom Frequenzumrichter gemäß der eingestellten Datentabelle automatisch auf 0,38 MPa bis 0,45 MPa angepasst. Der kurzzeitige Druckwert von 0,45 MPa nach der Frequenzumrichteranpassung wird vernachlässigt, sodass der Pumpenausgangsdruck von 0,45 MPa auf 0,38 MPa eingestellt wird. Die Näherungsberechnung erfolgt wie folgt: Der Pumpenförderstrom ist direkt proportional zur Drehzahl: Q1/Q2 = n1/n2. Der Pumpendruck ist direkt proportional zum Quadrat der Drehzahl: N1/N2 = (n1/n2)². Die Wellenleistung ist direkt proportional zur dritten Potenz der Drehzahl: P1/P2 = (n1/n2)³. 0,38 MPa/0,45 MPa = (n1/n2)². n1/n2 = 0,919. P1/P2 = (n1/n2)³ = 0,776 = 77,6 %. Die Berechnungen zeigen, dass die vom Motor aufgenommene Leistung 77,6 % der ursprünglichen Leistung beträgt, was einer Energieeinsparung von 22,4 % entspricht. (2) Der Energieeinsparungseffekt wird anhand des tatsächlichen Leistungsverbrauchs gemessen. Die durchschnittlichen täglichen Testdaten des tatsächlichen Stromverbrauchs einer einzelnen 630-kW-Wechselrichtereinheit in einer bestimmten Jahreszeit sind in Tabelle 2 dargestellt. Aus den Testdaten in Tabelle 2 geht hervor, dass die tägliche Energieeinsparung einer einzelnen Einheit 2780 kWh beträgt und die jährliche Energieeinsparung 2780 × 341 = 948.000 kWh beträgt (berechnet für 341 Tage pro Jahr, abzüglich 2 Tage Wartungszeit pro Monat). Unter Berücksichtigung des Wirkungsgrads des Wechselrichters von 97,6 % beträgt die tatsächliche jährliche Energieeinsparung 925.000 kWh und die Einsparungen 925.000 × 0,473 = 437.500 Yuan. 5.2 Makroökonomische Vorteile (1) Sicherheit: Seit der Inbetriebnahme des Projekts vor einigen Jahren hat es dank der Verwendung einer Wasserversorgung mit konstantem Druck keinen Rohrbruch im Hauptwasserversorgungsnetz gegeben. Dies hat die Sicherheit der städtischen Wasserversorgung effektiv gewährleistet und zu guten sozialen und wirtschaftlichen Vorteilen geführt. Das Projekt trägt wesentlich zur Stabilität und zum harmonischen Zusammenleben der Stadt bei. (2) Auszeichnungen der Regierung: Da es sich um das erste 6-kV-Hochleistungsfrequenzumrichterprojekt in Yangzhou handelte, diente es als Vorbild für die energetische Nachrüstung von Hochspannungsfrequenzumrichtern in verschiedenen Branchen der Region. Darüber hinaus erfüllte die erfolgreiche Umsetzung des Projekts die Anforderungen an die Lastanpassung auf der Nachfrageseite des Stromnetzes, was dem Projekt Lob von den städtischen und provinziellen Energiebehörden einbrachte und zur Auszeichnung mit dem Jiangsu Provincial Energy Conservation Project Award führte. 6. Fazit: Auf dem Markt sind viele Marken von 6-kV-Frequenzumrichtern erhältlich. Der Autor ist der Ansicht, dass der Frequenzumrichter PowerFlex7000 in der Wasserversorgungsbranche eine gute Leistung bei der Drehzahlregelung von 6-kV-Motoren erbringt. Aufgrund des erfolgreichen Betriebs dieses Frequenzumrichters im vierten Wasserwerk erwarb die Yangzhou Water Company in der zweiten Jahreshälfte 2006 einen weiteren PowerFlex7000-Frequenzumrichter zur Drehzahlregelung der Anlagen im ersten Wasserwerk, um eine höhere wirtschaftliche und soziale Rentabilität zu erzielen. Die Beschreibung des Autors dient Kollegen als Referenz bei der Auswahl von 6-kV-Frequenzumrichtern.