Strom kostet Geld und seine Herstellung in Kohle- oder Kernkraftwerken belastet die Umwelt. Strom zu sparen liegt daher im Interesse der gesamten Gesellschaft. Die Chancen dafür stehen gut: Mehr als 70 Prozent des elektrischen Stroms betreibt Elektroantriebe, vom Motor, der den Schlitten des CD-Spielers ausfährt, bis hin zu den Kraftpaketen der Hochgeschwindigkeitszüge. Leichtere Werkstoffe, verbesserte Konstruktionen sowie Regelungsstrategien sollen helfen, mit geringerem Energieeinsatz die gewünschte Leistung zu erreichen.

Ein naheliegender Weg wird aber noch kaum begangen: Ein bremsender Elektromotor wird zum Generator und erzeugt Strom. Motoren für Gebäudeaufzüge sind dafür ein gutes Beispiel: In der Regel beschleunigen sie alle zwei Meter und bremsen dann wieder. Gelänge es, die zuvor aufgewendete Energie wieder in das öffentliche Netz zurückzuspeisen, ließe sich Experten zufolge der Verbrauch an Elektrizität einer Aufzugsanlage um mindestens die Hälfte reduzieren. Eine an unserem Lehrstuhl entwickelte Elektronik soll dies möglich machen.

Daß Elektromotoren und -generatoren nur zwei Seiten einer Medaille sind, verdanken sie dem prinzipiell gleichen Aufbau: In beiden Maschinen dreht sich ein "Läufer" in einem "Stator". Eine Drehspannung, an die Stator-Wicklungen gelegt, versetzt den Läufer in Rotation. Umgekehrt induziert ein sich drehender Läufer in den Stator-Spulen Spannungen mit sinusförmigem Verlauf – der Motor wird zum Generator.

Das öffentliche Netz liefert Drehstrom beziehungsweise -spannung, das heißt drei Wechselspannungen, die gegeneinander um 120 Grad phasenverschoben sind. Damit werden etwa 90 Prozent der von Elektromotoren verbrauchten Energie umgesetzt.

Die einfachste Art, einen Läufer in Rotation zu setzen, wäre wohl, diese drei Spannungen auf drei Anschlüsse des Motorstators zu geben. Entsprechend der Frequenz der Spannung und der Motorkonstruktion stellte sich dann eine feste Drehzahl ein. Passagiere in einer Aufzugkabine hätten sicher keine rechte Freude, denn dieser Motor beherrschte nur Start, Betrieb und Stop. Vom sanften Anfahren und Bremsen wäre dabei keine Rede – dazu wird eine Drehzahlregelung benötigt.

Die entsprechende elektronische Schaltung bezeichnet man als "Umrichter". Sie erzeugt aus den drei Netzspannungen eine Drehspannung variabler Frequenz und Amplitude, indem sie in Bruchteilen von Sekunden die einlaufenden Spannungen weiter- und wieder abschaltet. (Mehr und mehr ersetzt Elektronik dieser Art auch Transformatoren in Netzteilen etwa von Haushaltsgeräten).

In den achtziger Jahren haben Ingenieure dazu den "indirekten Umrichter mit Zwischenkreis" entwickelt. Zentrales Element ist ein Kondensator. Dieser Energiepuffer wird über Stromventile (Dioden) aufgeladen, und Transistoren schalten die gespeicherte Energie quasi "häppchenweise" auf die Spulen des Stators weiter. Deren Selbstinduktion verhindert, daß der Strom schlagartig ansteigt beziehungsweise abfällt – es ergibt sich der gewünschte Sinus. In der Regel geben heutige Umrichter 10|000 mal pro Sekunde Energie weiter, der Kondensator wird dabei rund 300mal geladen.

Ein solches System nimmt in den Maschinen aber nicht nur viel Raum ein, die Dioden verhindern auch eine effektive Energierückspeisung. Da die Kapazität des Kondensators bereits nach etwa einer hundertstel Sekunde überschritten ist, verbrät ein Heizwiderstand deshalb etwa 99 Prozent des beim Bremsen erzeugten Stroms.

Unsere Arbeitsgruppe verfolgte ein auf dem Markt noch nicht etabliertes Konzept: den Direkt- beziehungsweise Matrixumrichter. Die drei Spannungsphasen werden abwechselnd direkt auf die drei Maschinenanschlüsse aufgeschaltet. Insgesamt müssen also drei mal drei Schalter vorhanden sein, deshalb die Bezeichnung Matrixumrichter. Welche der drei Netzphasen gerade wie lange auf einen Maschinenanschluß durchgeleitet wird, entscheidet eine Steuerlogik.

Die Probleme lagen hier im Detail. Öffnet man nämlich einen Schalter, um erst danach einen anderen zu schließen, ist der Strom abrupt unterbrochen, und durch Selbstinduktivität induziert sich eine sehr große Spannung, die zu zerstörerischen Funken führen können. Wird hingegen ein Schalter geschlossen, bevor der nächste offen ist, ergibt sich ein Kurzschluß.

Wir bedienten uns deshalb des Feinaufbaus der neun Schalter; als Namen für diese besondere Schaltung prägten wir das Kunstwort METZI. Jeder Schalter besteht nämlich seinerseits aus zwei Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT, Spektrum der Wissenschaft, 3/1998, S. 83). Einer läßt Strom in Vorwärts-, einer in Rückwärtsrichtung passieren. Soll ein Schalter geschlossen werden, müssen also eigentlich beide in ihre jeweilige Durchlaßrichtung leiten. Es bietet sich an, vereinfacht gesagt, einen Schalter teilweise zu schließen, so daß Strom nur in eine Richtung passieren kann. Ein IGBT bleibt dazu offen. Damit wird ihm in jedem Fall ein Weg gebahnt, auf dem durch Selbstinduktion erzeugte Spannung unschädlich abgebaut wird.

Matrixumrichter kann man noch nicht kaufen, denn die Entwicklung hat erst in den siebziger Jahren begonnen. Die rasante Entwicklung von schnellen Schaltern der Leistungselektronik wie dem IGBT scheinen aber nun den Weg zu ebnen. Es gibt bereits verschiedene Prototypen und Bausätze beispielsweise für kleinere Antriebe der Automatisierungstechnik. In zwei bis fünf Jahren dürften erste Produkte auf dem Markt sein, vermutlich für Maschinen mit wenig Einbauraum – der Matrixumrichter kommt mit der Hälfte aus – und die viel Energie zurückspeisen könnten wie Aufzugsmotoren oder Roboterantriebe. METZI wurde bereits zum Patent angemeldet und dürfte in einigen dieser Produkte zu finden sein.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 2000, Seite 84
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