Matrixkonverter bei der Münchner U-Bahn

"Ganz einfach mobil"

Unter diesem Motto befördert die Münchner Verkehrsgesellschaft mbH (MVG), ein Tochterunternehmen der Stadtwerke München GmbH (SWM), jährlich über eine halbe Milliarde Passagiere durch die Isar-Metropole. Die Fahrgäste nutzen dabei nicht nur Züge und Busse, sondern auch rund 770 Fahrtreppen in U-Bahn- und Trambahnstationen. SWM und MVG sind damit der größte Fahrtreppen-Betreiber in Deutschland.

Eine hohe Zuverlässigkeit

Mario Princip von der MVG sorgt mit seinem Team dafür, dass die Anlagen rund um die Uhr störungsfrei laufen. „Eine hohe Zuverlässigkeit ist extrem wichtig und hat auch strategisch bei uns eine sehr große Bedeutung“, erklärt der Praktiker. „Das hat nicht nur mit den berechtigten Komfortansprüchen der Fahrgäste zu tun, sondern vor allem mit Anforderungen im Betriebsablauf: Ohne Fahrtreppen gelangen die vielen Fahrgäste gar nicht in der notwendigen Geschwindigkeit in die Stationen bzw. wieder heraus.“

Hauseigene Innovationskraft

Hohe Ansprüche an Sicherheit und Verfügbarkeit einerseits – und viele hundert Anlagen andererseits: In diesem Spannungsfeld bedeutet jede technische Neuerung einen wesentlichen Kosten- bzw. Einsparfaktor. Entsprechend konsequent und sorgfältig prüfen Fahrtreppen-Profis ständig neue Optimierungsmöglichkeiten. Das Ergebnis ist ein kontinuierlicher Modernisierungsprozess in einem kaum standardisierbaren Umfeld. Denn die Betriebsdauer einer Fahrtreppe beträgt etwa 30 Jahre. Entsprechend sind immer mehrere Generationen und Modelle unterschiedlicher Hersteller im Einsatz. Ebenso vielfältig sind die jeweiligen räumlichen Gegebenheiten. „Kurz gesagt, jede Anlage ist ein Unikat“, bringt es Daniel Mayer, zuständig für die Elektrotechnik der Fahrtreppen, auf den Punkt. 

Die MVG begegnet dieser besonderen Herausforderung mit hoher Innovationskraft aus den eigenen Reihen. Ein aktuelles Beispiel ist eine selbst entwickelte, herstellerunabhängige Fahrtreppensteuerung. Die Wartung kann damit durch eigenes Personal erfolgen. Störungen lassen sich entsprechend schneller beheben. Zugleich ist der Aufwand für Ersatzteilhaltung und bei Umbauten wesentlich geringer. „Solche Innovationen kommen häufig aus München, da haben wir schon einen Namen in der Branche“, stellt Princip fest.

Schon länger als auf die neue Steuerung setzt die MVG auf den Einsatz von Frequenzumrichtern. Die Vorteile gegenüber herkömmlichen Antrieben werden im Betriebsalltag schnell klar: Die meisten Fahrtreppen fahren nur bei Bedarf und werden durch eine Lichtschranke aktiviert. Umrichtergesteuert können sie dabei variabel anfahren und abbremsen. Das ist nicht nur für die Nutzer angenehmer, sondern schont auch die Mechanik. 

So überzeugt die Verantwortlichen bei der MVG von diesen Punkten im motorischen Betrieb waren, fehlte es doch lange an einer entsprechenden Lösung für abwärts fahrende Treppen. Viele Anlagen arbeiten mit konventionellen Bremswiderständen. Die entstehende Abwärme muss jedoch aufwändig und sicher abgeführt werden, nicht zuletzt auch aus Brandschutzgründen. Auch die Motorwicklungen können als „Bremswiderstand“ dienen und Energie in Wärme wandeln, allerdings nur begrenzt und nicht im Dauerbetrieb. Nicht zuletzt ließe sich ein Frequenzumrichter durch eine zusätzliche Rückspeiseeinheit ergänzen, was aber angesichts der beengten Platzverhältnisse in den Fahrtreppen-Schaltschränken nicht überall möglich ist.

Die Lösung versprach schließlich eine Technologie, die im Niederspannungsbereich noch wenig Anwendung findet: ein Matrix Konverter, der Umrichter- und Rückspeiseeinheit in einem Gerät vereint. Im Frühjahr 2016 testeten Mario Princip und seine Kollegen die wenigen marktreif verfügbaren Modelle im eigenen Simulationsstand auf ihre Praxistauglichkeit. 

Eine zentrale, fahrtreppenspezifische Voraussetzung war dabei eine Fangschaltungsfunktion, die das synchronisierte Anfahren nach einer automatischen Abschaltung sicherstellt. Zudem müssen alle elektrischen Komponenten ganzjährig bei Außentemperaturen funktionieren. Dabei kam auch die Neuentwicklung U1000 von Yaskawa zum Einsatz.

Matrix Konverter U1000

Der 2014 erstmals vorgestellte U1000 Matrix Konverter von Yaskawa ist ein hocheffizienter, rückspeisefähiger Direktumrichter zum Antreiben von Asynchron- und Permanentmagnet-Maschinen mit oder ohne Drehzahlgeber. Verschiedene Modelle decken einen breiten Leistungsbereich von 2,2 bis 500 kW ab. Durch seine spezielle Topologie ist der U1000 direkt rückspeisefähig – er kommt sogar ohne Zwischenkreiskondensatoren aus. Der Platzbedarf für eine zusätzliche Rückspeiseeinheit entfällt. Wie alle Yaskawa-Umrichter der 1000er-Serie ist auch der U1000 für zehn Jahre wartungsfreien Dauerbetrieb ausgelegt.

Durch die Rückspeisung generatorischer Energie ins Netz steht diese für andere Verbraucher im Gebäude, wie zum Beispiel für die Beleuchtung, zur Verfügung und muss von diesen Verbrauchern nicht aus dem Stromnetz gezogen werden. Das war für die MVG jedoch nicht das ausschlaggebende Argument, um den Matrix Konverter U1000 auch im Rahmen eines Piloteinbaus unter Realbedingungen auf Herz und Nieren zu testen.

Anwendungsspezifische Argumente

Wichtiger war, dass mit dem U1000 Bremswiderstände überflüssig werden und die Kühlung oder Lüftung der Anlage dadurch stark vereinfacht bzw. überflüssig wird. Darüber hinaus sprach die Aufrechterhaltung der Netzqualität bei der Rückspeisung für das Yaskawa-System: Die Netzströme im Betrieb des U1000 sind, im motorischen wie im regenerativen Betrieb, annähernd sinusförmig. Oberschwingungen sind auf ein Minimum reduziert. Dadurch werden einerseits Verluste in Netzkomponenten wie Transformatoren oder Kabel und Leitungen verringert und die Effizienz einer Anlage lässt sich erhöhen. Andererseits sinkt auch das Störpotenzial auf andere Anlagenkomponenten erheblich. Ausfälle, deren Ursache typischerweise nur mit viel Zeitaufwand zu finden ist und die einen Anlagenstillstand bedeuten, werden so verhindert.

Ein EMV-Filter ist beim U1000 bereits integriert. Externe, sonst übliche Komponenten wie Drosseln oder LC-Filter, sind nicht notwendig. Trotzdem ist der Platzbedarf bis zu 50 % kleiner als bei herkömmlichen integrierten Lösungen mit sinusförmiger Ein- und Rückspeisung. Zudem verfügt der Matrix Konverter über einen eingebauten SIL3 STO Eingang und hilft somit hohe Anforderungen an die Maschinensicherheit einfach und mit wenigen Komponenten umzusetzen. Für alle gängigen Feldbusse sind Optionskarten erhältlich. Die Anbindung an EtherCAT, Powerlink, Profinet, Profibus, Ethernet IP und andere Systeme wird damit geradezu zum Kinderspiel.