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Adrian Lischka, Product Manager Drives (LV/MV) bei Yaskawa Europe GmbH (rechts), im Gespräch mit Frank Nolte – Bild: Yaskawa Europe GmbH 
Der U1000 benötigt gegenüber herkömmlichen dynamischen Bremslösungen 50 Prozent weniger Platz, ist leichter und speist die Bremsenergie vollständig zurück. Alles, was man zum Anschließen benötigen, sind drei Leitungen für den Ein- und für den Ausgang. – Bild: Yaskawa Europe GmbH 
Der U1000 verfügt über eine integrierte zweikanalige Safe Torque Off (STO)-Funktion, die den Anforderungen von SIL3 und PL-e entspricht. Dieses Sicherheitsmerkmal ermöglicht es dem Betreiber den Matrix-Konverter einfach in die Maschinensicherheit einzubinden. – Bild: Yaskawa Europe GmbH 
Durch sinusförmige Eingangsströme und einen Leistungsfaktor von nahezu eins reduziert der Matrix-Umrichter die Belastung von Netzkomponenten wie Transformatoren und Stromleitungen. – Bild: Yaskawa Europe GmbH
Herr Lischka, was unterscheidet einen Matrix-Umrichter grundsätzlich von einem klassischen Frequenzumrichter?
Der entscheidende Unterschied liegt in der Hardwaretopologie. Ein klassischer Frequenzumrichter richtet die Netzwechselspannung gleich, speichert die Energie im Zwischenkreis und erzeugt daraus wieder eine Wechselspannung mit der gewünschten Frequenz. Beim Matrix-Umrichter entfällt dieser Zwischenkreis. Der U1000 ist ein Direktumrichter mit bidirektionalen IGBTs, die motorisch wie regenerativ arbeiten. Damit kann Energie in beide Richtungen fließen. Gleichzeitig entfällt mit den Zwischenkreiskondensatoren ein Bauteil, dessen Lebensdauer u.a. von Temperatur und Feuchtigkeit beeinflusst wird.
Die Technologie klingt bestechend. Warum hat sie sich dann nicht allgemein durchgesetzt?
Weil sie anspruchsvoll ist. Es gab durchaus andere Hersteller, die sich mit dieser Topologie beschäftigt haben, aber der Schritt von der Forschung zu einem robusten Industrieprodukt ist nicht trivial. Wir bieten Matrix-Umrichter seit 2005 industriell an. In der Niederspannung reicht unser Leistungsbereich bis etwa 500kW. Darüber hinaus nutzen wir die Technologie auch in der Mittelspannung als Multilevel-Lösung bis 5MW. Dieses Knowhow ist über Jahre gewachsen.
Seit 2005 sind mehr als 20 Jahre vergangen. Was hat sich beim U1000 verändert?
Mit der zweiten Generation, die 2014 vorgestellt wurde, haben wir zunächst die Baugröße je nach Leistung um rund 30 Prozent reduziert. Gleichzeitig stieg die maximale Ausgangsfrequenz von 140 auf 400Hz. Hinzu kamen SPS-Funktionalitäten, mit denen sich einfache Steuerungsaufgaben direkt im Umrichter abbilden lassen, sowie zusätzliche Diagnosemöglichkeiten. Der Anwender kann beispielsweise Netzspannung und Netzfrequenz direkt am Bediengerät oder über das Netzwerk beobachten. Außerdem ist ein eingangsseitiger Überspannungsschutz bereits integriert.
Eine Besonderheit ist der elektronische Bypass. Was passiert dabei?
Wenn der Motor genau mit der Netzfrequenz laufen soll, kann sich der U1000 auf das Netz synchronisieren und die Netzspannung praktisch eins zu eins zum Motor durchschalten. Die IGBTs müssen in diesem Betriebspunkt nicht mehr permanent schalten. Damit sinken die Schaltverluste erheblich. Bei einem 100kW-Antrieb sprechen wir beispielsweise von etwa 600 bis 800W Verlustleistung gegenüber ungefähr 3,2kW bei einem vergleichbaren klassischen Umrichter. Gleichzeitig gehen die Netzoberwellen in diesem Betriebspunkt nahezu gegen null. Und auch das typische Taktgeräusch verschwindet. Sobald eine andere Drehzahl gefordert wird, verlässt der U1000 diesen Eco-Modus automatisch und regelt den Motor wieder ganz normal.
Wenn der U1000 so viel abdeckt: Warum bietet Yaskawa überhaupt noch klassische Frequenzumrichter an?
Nicht jede Anwendung benötigt diese Funktionalität, und natürlich spielt der Preis eine Rolle. Für eine einfache Drehzahlregelung ohne Rückspeisung oder besondere Anforderungen an Netzoberwellen ist ein Industrieumrichter oft die passendere Lösung. Unser Portfolio hat drei Säulen: Standard-Industrieumrichter, segmentspezifische Geräte etwa für Aufzüge, Krane oder HVAC und regenerative Lösungen. Der U1000 bildet die Brücke zwischen diesen Bereichen und ist zusätzlich vollständig rückspeisefähig.
Wie einfach lässt sich ein bestehender Antrieb auf Matrix-Technologie umrüsten?
Gerade im Retrofit ist das interessant. Ein klassischer Umrichter mit Bremswiderstand lässt sich im Prinzip eins zu eins durch einen Matrix-Umrichter ersetzen. Natürlich müssen die Applikations- und Motordaten parametriert werden, aber diese lassen sich weitgehend übernehmen. Der große Unterschied ist: Der Bremswiderstand wird nicht mehr benötigt. Ein 100kW-Matrix-Umrichter kann 100kW motorisch liefern und ebenso bis zu 100kW regenerativ ins Netz zurückspeisen. Damit entfallen Auslegung, Installation und Wärmeabfuhr des Bremswiderstands. Bei Retrofit-Projekten haben wir deshalb schon Schaltschränke erlebt, die nach dem Umbau erheblich aufgeräumter waren – inklusive entfallener Lüfter und Bremswiderstände.
Gibt es Anwendungen, bei denen Sie bewusst keinen Matrix-Umrichter einsetzen würden?
Entscheidend sind Applikation und Versorgungsnetz. Ein Beispiel sind mobile Krananlagen, die an einem kleinen Generator als Inselnetz betrieben werden. Beim Absenken einer Last entsteht regenerative Energie. Gibt es im Inselnetz keinen anderen Verbraucher, der diese Energie aufnehmen kann, muss man genau prüfen, ob Gesamtsystem und Generator dafür geeignet sind. Rückspeisung muss im jeweiligen Netz sinnvoll möglich sein. Ein Produkt nur wegen seiner technischen Möglichkeiten einzusetzen, ist der falsche Ansatz.
Wo liegt der Unterschied zu einer klassischen Active-Front-End-Lösung?
Beim Matrix-Umrichter steckt die regenerative Funktion in einem einzigen Gerät. Bei einer AFE-Lösung kommen zum eigentlichen Frequenzumrichter Rückspeiseeinheit, Filter, Drosseln und zusätzliche Verdrahtung hinzu. Das funktioniert ebenfalls – solche Lösungen haben wir selbst im Portfolio -, ist aber komplexer. Dazu addieren sich die Verluste der einzelnen Komponenten. Wir haben für eine 30kW-Installation einmal beide Konzepte gegenübergestellt. Mit dem Matrix-Umrichter ergaben sich rund 70 Prozent weniger Verdrahtungsaufwand, 65 Prozent weniger Montagefläche und 91 Prozent weniger Gewicht; die Leistungsaufnahme sank in diesem Vergleich um 19 Prozent. Das beschreibt den praktischen Vorteil recht gut: drei Leitungen hinein, drei zum Motor – und viele zusätzliche Komponenten entfallen.
Matrix-Umrichter hatten lange den Ruf, komplex und empfindlich zu sein. Ist das noch gerechtfertigt?
Aus unserer Erfahrung nicht. Für uns spielen Qualität, Langlebigkeit und einfache Inbetriebnahme eine große Rolle. Beim U1000 sind die Leiterplatten ab Werk gegen Umwelteinflüsse beschichtet. Tausende Geräte arbeiten inzwischen in Anwendungen von Wasserwerken und Pumpstationen über Tunnellüftungen bis zur Öl- und Gasindustrie.
Welche Vorteile bringt die Topologie auf der Motorseite?
Wir können deutlich längere Motorleitungen realisieren. Während bei klassischen Umrichtern je nach Hersteller bereits ab etwa 50m zusätzliche du/dt- oder Sinusfilter empfohlen werden, haben wir beim U1000 Anwendungen mit 350 bis 400m Motorleitung ohne zusätzliche Verdrosselung. Ein Grund dafür sind die deutlich geringeren Spannungsspitzen beim Schalten. Das schont auch die Motorisolation, was gerade bei Retrofit-Projekten mit älteren Motoren interessant ist. Hinzu kommen geringere Lagerströme. Man muss also nicht automatisch Motor und Verkabelung erneuern, nur weil die Antriebselektronik modernisiert wird.
Was bringt der U1000 in Sachen Maschinensicherheit mit?
Safe Torque Off, also STO, ist integriert. Für künftige Entwicklungen diskutieren wir weitere Safety-Funktionen, beispielsweise SS1 und Safe Limited Speed. Einen konkreten Zeitplan möchte ich dafür noch nicht nennen.
Auch die Kommunikation wird immer wichtiger. Wie flexibel ist der U1000 hier?
Seit 2023 bieten wir eine Multiprotokoll-Optionskarte an. Früher brauchte man für unterschiedliche industrielle Ethernet-Protokolle jeweils eine eigene Karte. Heute deckt dieselbe Hardware u.a. Modbus TCP/IP, Ethernet/IP, Ethercat, Profinet und BACnet/IP ab. Das reduziert Varianten und Lagerhaltung und erleichtert spätere Umstellungen, ohne zwangsläufig die Kommunikationshardware auszutauschen.
Welche Unterstützung bekommen Konstrukteure und Inbetriebnehmer darüber hinaus?
Mit DriveWizard stellen wir eine kostenlose Inbetriebnahmesoftware bereit. Damit lässt sich der Umrichter parametrieren; Größen wie Sollfrequenz, Drehmoment, Leistung oder I/O-Zustände können visualisiert und aufgezeichnet werden. Solche Lastprofile können Kunden zur Analyse an unsere Applikation schicken. DriveWizard vergleicht außerdem Parametersätze, erzeugt Inbetriebnahmeberichte und konvertiert Datensätze älterer Serien für neue Generationen. Im Service lässt sich so schnell feststellen, ob sich Parameter verändert haben.
Und das Auto-Tuning?
Das kann direkt über DriveWizard oder das Bedienpanel gestartet werden. Der Anwender gibt die grundlegenden Daten vom Motortypenschild ein, anschließend ermittelt der Umrichter innerhalb kurzer Zeit die für die Regelung relevanten Werte und passt seine Parameter an. Dazu kommt unsere Philosophie, beim Generationswechsel möglichst viel kompatibel zu halten. Klemmenstruktur, Adressierung und Bedienlogik verändern wir bewusst nur wenig. Ein Umrichter, der 20 Jahre im Feld war, soll sich möglichst ohne großen Eingriff in die übergeordnete Steuerung ersetzen lassen.
Welche Rolle wird die Matrix-Technologie in den kommenden Jahren spielen?
Wir beobachten sehr genau, welche Anforderungen aus dem Markt kommen und welche Halbleitertechnologien sich dafür eignen. Siliziumkarbid ist natürlich ein Thema. Damit lassen sich Geräte kleiner und kompakter bauen, gleichzeitig entstehen durch die sehr schnellen Schaltvorgänge aber auch neue Herausforderungen auf der Motorseite, etwa für die Isolation. Wenn ich einen kompakteren Halbleiter einsetze, anschließend aber wieder große Filter oder Drosseln benötige, ist wenig gewonnen. Deshalb betrachten wir nicht nur ein einzelnes Bauteil, sondern das Gesamtsystem. Auch für einen Nachfolger des U1000 müssen wir heute bereits spezifizieren, welche Leistungsklassen und Funktionen künftig gefragt sein werden.
