Fachartikel

Ehrgeiziges Innovationsprojekt

Sensorlose Regelungstechnik für einen neuartigen Luftverdichter

Wenn in technischen Bereichen Neuland betreten wird, stellt sich bei der Entwicklung oft der Domino-Effekt ein: Jede einzelne verbaute Komponente muss perfekt aufeinander abgestimmt sein, wodurch sich eine ganze Reihe von speziellen Anforderungen ergeben – und nur wenn diese genauestens erfüllt werden, kann die Innovation als Gesamtlösung funktionieren. So geschehen ist das bei der Konstruktion eines modernen Mikro-Turbo-Verdichters, bei dem für den erfolgreichen Betrieb ein ganz besonderer Frequenzumrichter benötigt wurde.

Im Jahre 2005 wurde die FISCHER Engineering Solutions AG als "Think Tank" der FISCHER PRECISE Gruppe ins Leben gerufen. Auf der Agenda der Schweizer Innovationstreiber stehen innovative Projekte rund um die schnelle, leistungsstarke und präzise Rotation: Ein interdisziplinär agierendes Expertenteam entwickelt das breite Technologiewissen der Gruppengesellschaften gezielt für neue zukunftsgerichtete Marktfelder wie die Elektromobilität, die Energietechnik und Verdichteranwendungen weiter; ein enger Bezug zur Praxis und eine optimale Unterstützung durch eigene Fertigungs- und Montagemitarbeiter stellen sicher, dass aus den Visionen auch wirklich erfolgreiche Produkte entstehen. „Wir können auf das weltweite FISCHER PRECISE Netzwerk zurückgreifen, sodass sich auch anspruchsvolle Projekte von der Machbarkeitsstudie bis zur Vorserienproduktion relativ kurzfristig realisieren lassen“, erläutert Thomas Frisch, Geschäftsführer der FISCHER Engineering Solutions AG.

Ausgeklügelte Technik – auch beim Antrieb

Eines der erfolgreichen Innovationsprojekte der Rotations-Experten ist die Entwicklung des neuartigen Luftverdichters EMTC-180k Air, der sich vor allem bezüglich der strömungstechnischen Eigenschaften sowie der Lagertechnik von herkömmlichen Produkten abhebt. Ein aerodynamisches Gaslager gewährleistet, dass die austretende Luft absolut öl- und partikelfrei ist. Darüber hinaus lässt sich so ein praktisch verschleißfreier Betrieb mit minimaler Lagerreibung erreichen. „Unser Ziel war es, einen kompakten elektrischen Turbokompressor zu entwickeln, der auch kleine Massenströme beliebiger Gase effizient verdichten kann“, so Frisch. Selbstverständlich spielt dabei die Antriebstechnik eine entscheidende Rolle. „Weil wir sehr spezielle geberlose Synchronmotoren mit hohen Frequenzen einsetzen wollten, begaben wir uns auf die Suche nach einem passenden Umrichter.“ Die Anforderungen dabei waren klar: Das ideale System sollte die verwendeten Hochgeschwindigkeits-Motoren antreiben können, dabei sehr robust sein und eine sensorlose Regelung ermöglichen. „Ein Sensor braucht Platz, ist störanfällig und teuer“, erläutert Frisch. „Zudem hätten sich bei einem Betrieb mit Sensor unsere Anforderungen an Motortemperatur und Drehzahl nicht erfüllen lassen.“

Schnell stellte sich heraus: Ein Umrichter, der all diese Maßgaben in sich vereinte, war auf dem Markt regulär nicht verfügbar. Jedoch bestand seit vielen Jahren eine erfolgreiche Zusammenarbeit mit SIEB & MEYER – ein Unternehmen, das sich unter anderem auf innovative Umrichter-Technologie spezialisiert hat. „FISCHER Engineering involvierte uns frühzeitig in das Projekt und spezifizierte das Anforderungsprofil“, erinnert sich Torsten Blankenburg, Vorstand Technik der SIEB& MEYERAG. „Zu diesem Zeitpunkt arbeiteten wir bereits an der Umsetzung eines Umrichters mit geregeltem Zwischenkreis und sensorlosem Betrieb, der unserer Einschätzung nach eine gute Lösung für diese spezielle Anwendung darstellen würde.“ Beide Entwicklungsprozesse – von Verdichter und Umrichter – liefen ab diesem Zeitpunkt parallel und in enger Abstimmung.

Synchronmotoren sensorlos regeln

Bei SIEB & MEYER entstand eine neue Ausführung des bewährten Antriebsverstärkers SD2S, der generell für Hochgeschwindigkeits-Anwendungen konzipiert ist. Die Lüneburger Experten gestalteten eine neue Version für Synchronmotoren – mit einem geregelten Zwischenkreis, einer Fluss-Puls-Amplituden-Modulation (FPAM) und einer sensorlosen Regelung mittels einfacher und robuster Parametrierung auf Basis der Motorkenndaten. Der Unterschied zur konventionellen Ausführung mit fester Zwischenkreisspannung und Pulsweitenmodulation (PWM) der getakteten Leistungsendstufe liegt in einem zusätzlichen geregelten DC/DC-Wandler; er ermöglicht die variable Regelung der Zwischenkreisspannung. In Kombination mit der FPAM kann so eine Ausgangsspannung geliefert werden, deren Spannungshöhe unabhängig von der Drehfeldfrequenz ist. Die blockförmige Ausgangsspannung weist nur geringfügige niederfrequente harmonische Stromanteile auf, die Motorinduktivität ist voll wirksam. Dies reduziert die umrichterbedingten Motorverluste so weit, dass auf externe Motordrosseln komplett verzichtet werden kann. Es besteht quasi keine Begrenzung in Bezug auf die mögliche Drehfeldfrequenz, da ihr die Endstufentaktung jeweils entspricht. Der Motor wird nur mit der für den Betriebspunkt definierten Spannung beaufschlagt, sodass speziell bei niedrigeren Drehzahlen niedrigere harmonische Oberwellen auftreten. Dies hat eine geringere Motorerwärmung zur Folge. Aufgrund der sehr geringen Schaltfrequenz sind Probleme in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) oder die Motorisolation nicht zu befürchten.

Der EMTC-180k Air von FISCHER Engineering wurde mit der zwischenzeitlich am Markt verfügbaren Serienausführung des SD2S FPAM getestet – und für gut befunden. „Die Lösung von SIEB & MEYER ist in dieser Kombination einzigartig“, so Frisch. „Sie erfüllt alle unsere Anforderungen, gerade was die Ausrichtung auf Höchstgeschwindigkeiten und die extrem robuste Regelung anbelangt.“

Vielfältige Anwendungsszenarien

Heute steht der Mikro-Turbo-Verdichter von FISCHER Engineering potenziellen Kunden als Funktionsmuster zur Verfügung. Beide Entwicklungspartner können die Lösung auf eventuelle applikationsseitige Besonderheiten anpassen. Denkbar ist zum Beispiel der Einsatz in der mobilen Kälte- und Klimatechnik, wo der Luftverdichter bestehende Scroll-Kompressoren ersetzen kann. „Vorteilhaft sind hier unter anderem die breite Regelbarkeit der Drücke und Massenströme sowie der hohe Wirkungsgrad dank der eingesetzten Radialverdichtertechnologie“, erklärt Frisch. Auch in der Elektromobilität könnte der Verdichter seine Vorteile ausspielen – hier werden Brennstoffzellen verbaut, die wiederum eine leichte, effiziente und kompakte Belüftung erfordern. „Weil beim EMTC-180k Air keine Verunreinigungen entstehen können, sind auch Anwendungen im Bereich Medizin und Chemie möglich“, so Frisch. „Sogar hermetisch dichte Systeme sind realisierbar.“ Durch spezifische Aerodynamik-Auslegungen lassen sich die elektrischen Mikro-Turbo-Verdichter an veränderte Druckverhältnisse und Massenströme anpassen – die ausgeklügelte Lagerung und Motorentechnik bleibt dabei unverändert.

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