Antriebe: Neue Matrix-Konverter für die Müncher U-Bahn

Die Stadtwerke München (SWM) betreiben für die U-Bahn-Stationen der bayrischen Landeshauptstadt Deutschlands größtes Fahrtreppen-Netz. Technische Neuerungen machen sich dort deshalb gleich hundertfach bemerkbar – wie jetzt  für mit dem sukzessiven Einsatz des Matrix-Konverters U1000 von Yaskawa. von Sven Meth

„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 die rund 770 Fahrtreppen in den U-Bahn- und Trambahnstationen. SWM beziehungsweise MVG sind damit der größte Fahrtreppen-Betreiber in Deutschland.

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 hohe 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 und wieder heraus.“

Jede Fahrtreppe ein Unikat

Hohe Ansprüche an Sicherheit und Verfügbarkeit einerseits – und viele hundert Anlagen andererseits: In diesem Spannungsfeld bedeutet jede technische Neuerung einen wesentlichen Kosten- aber auch Einsparfaktor. Entsprechend konsequent und sorgfältig prüfen die 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.

Innovationskraft in den eigenen Reihen

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.

Ein wunder Punkt

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

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.

Der neue Matrix-Konverter

Der 2014 vorgestellte Matrix-Konverter U1000 ist ein hocheffizienter, rückspeisefähiger Direktumrichter zum Antreiben von Asynchron- und Permanentmagnet-Maschinen mit oder ohne Drehzahlgeber. Verschiedene Modelle decken einen Leistungsbereich von 2,2 bis 500 kW ab. Die direkte Rückspeisefähigkeit erreicht das Gerät durch eine spezielle Topologie, die sogar ohne Zwischenkreiskondensatoren auskommt. Der Platzbedarf für eine zusätzliche Rückspeiseeinheit entfällt. Wie alle Yaskawa-Umrichter der 1000er-Serie ist auch der „Neue“ für zehn Jahre wartungsfreien Dauerbetrieb ausgelegt.

Durch die Rückspeisung der Energie ins Netz steht diese für andere Verbraucher im Gebäude, wie zum Beispiel die Beleuchtung, zur Verfügung. Das war für die MVG jedoch nicht das ausschlaggebende Argument für den Piloteinbau des Matrix-Konverters.

Wichtiger war, dass Bremswiderstände überflüssig werden und die Kühlung oder Lüftung der Anlage dadurch stark vereinfacht oder sogar überflüssig wird. Darüber hinaus sprach die Aufrechterhaltung der Netzqualität bei der Rückspeisung für das Yaskawa-System: Die Netzströme im Betrieb Matrix-Konverters 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 sowie die Effizienz der Anlage erhöht. Andererseits sinkt 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.

EMV-Filter integriert

Ein EMV-Filter ist beim U1000 bereits integriert. Externe, sonst übliche Komponenten wie Drosseln oder LC-Filter, sind nicht notwendig. Dabei ist der Platzbedarf bis zu 50 Prozent 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 mit wenigen Komponenten umzusetzen. Für alle gängigen Feldbusse wie Ethercat, Powerlink, Profinet, Profibus, Ethernet IP und weitere sind Optionskarten erhältlich.

Erste Erfahrungen und Ausblick

Nach den positiven Ergebnissen im Simulationsstand erprobt die MVG seit Frühjahr 2016 an einer Treppe der U-Bahn-Station Fraunhoferstraße einen U1000 im Feld. Für diesen Einsatzort sprachen nicht zuletzt die typischen Raumverhältnisse im Schaltschrank. Soll heißen: Der Platz ist sehr begrenzt. Der U1000 wurde deshalb in Durchsteckmontage so an der Seitenwand des Schaltschranks installiert, dass das Kühlmodul auf der Außenseite liegt. Das Gerät ist auf das MVG-Leitsystem aufgeschaltet. Der aktuelle Betriebszustand kann damit in Echtzeit angezeigt werden. Darüber hinaus liegen jederzeit belastbare Testdaten vor.

Nach den ersten Praxiserfahrungen ist Mario Princip zufrieden mit der gefundenen Lösung: „Die Knackpunkte sind behoben, der U1000 läuft so, wie er soll.“ Entsprechend werden nun alle geeigneten Treppen sukzessive mit Matrix-Konvertern von Yaskawa ausgestattet. Das Modell ist zudem ab sofort auch Bestandteil der regelmäßigen Neuausschreibungen. JBI |

Autor: Sven Meth ist Key Account Manager bei Yaskawa Europe, Drives+Motion Division in Eschborn.

  • Für den kompakten Matrix-Konverter sprachen nicht zuletzt die typischen Platzverhältnisse im Schaltschrank. Bild: Yaskawa
  • Nach den positiven Ergebnissen im Simulationsstand erprobt die MVG seit Frühjahr 2016 an einer Treppe der U-Bahn-Station Fraunhoferstraße einen U1000 im Feld. Bild: Yaskawa
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