Frequenzumrichter, Inverter, Umrichter, Wechselrichter, Drehstromumrichter, Wechselstromumformer, Frequenzumformer – drehzahlvariable Antriebstechnik hat viele Namen. Und im boomenden Maschinenbau steigt die Nachfrage nach ihr rasant an. Doch wir haben vorgesorgt und die passende Antwort: Unsere gesamte FR-Familie liegt für Sie in unseren Lagern zur Auslieferung bereit. Darum starten Sie durch!
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Die Kosten für Energie steigen ständig an und mit ihnen die Lebensdauerkosten der Antriebe. Die in allen Industriezweigen eingesetzten elektromotorischen Antriebe sollen neben der Erfüllung der eigentlichen Antriebsaufgaben zusätzlich Kosten senken. Mit intelligenten drehzahlvariablen Umrichterantrieben ist dies möglich, da sie die optimale Anpassung von Drehzahl und Drehmoment sowie einen energiesparenden Betrieb vorteilhaft verknüpfen.
Stromverbrauch elektrischer Antriebe in Deutschland – Einsparpotenzial durch energiesparenden Betrieb
Status quo: 146 Mrd. kWh
Energiesparlösungen: 119 Mrd. kWh
Quelle: ZVEI
Einsparung von 27 Mrd. kWh pro Jahr
Einsparung von 15 Mio. t CO2 pro Jahr
Damit der Antrieb seine Antriebsaufgaben erfüllen kann, muss sich die Drehzahl an den Prozess anpassen lassen. Während früher dazu oft eine grob abgestufte Drehzahleinstellung über Getriebestufen völlig ausreichte, erfordert die wachsende Automatisierung auf allen Gebieten der Technik Antriebe, die in einem weiten Bereich stufenlos sowohl in der Drehzahl als auch im Drehmoment eingestellt werden können. Gleichzeitig erhöhen sich seitens der Anwender die Anforderungen an die Dynamik des Antriebs. Weitere Wünsche zielen auf den Betrieb mit hohen und höchsten Drehzahlen (z. B. von über 250 0001/min beim Schleifen und Fräsen) und auf eine möglichst hohe Schutzart des Motors.
Gerade beim Einsatz von Kreiselpumpen und Zentrifugallüftern zur Steuerung des Volumenstroms – anstelle der energieverzehrenden Drosselung – können Antriebe mit Frequenzumrichtern erheblich zur Energieeinsparung und damit zur Senkung der Lebensdauerkosten (Life Cycle Cost; LCC) beitragen.
Ein Beispiel: Verringert man mit einer elektronischen Drehzahlregel und den Durchfluss um 20 %, so sinkt der Energiebedarf um 50 %! Weitere Energiesparpotenziale eröffnen die Nutzung der Spar-Kennliniensteuerung und der Einsatz von Hochwirkungsgradmotoren. Lüfter und Pumpen arbeiten oft im Dauerbetrieb mit hohen Betriebsstundenzahlen. Bei solchen Antrieben amortisieren sich höhere Investitionen für Hochwirkungsgradmotoren innerhalb weniger Monate, da die Energiekosten deutlich gesenkt werden können. Darüber hinaus werden von den Antrieben allgemein ein hoher Wirkungsgrad, gleichzeitig aber auch lange Wartungsintervalle erwartet, damit die Betriebs- und Servicekosten gering bleiben.
Alle diese Wünsche und Forderungen erfüllen Drehfeldmotoren – asynchroner und synchroner Bauart – problemlos, weil bei ihnen die elektrische Energie berührungslos vom Ständer (feststehender Teil des Motors) über den Luftspalt auf den Läufer (drehender Teil) übertragen wird. Somit entfallen der Stromwenderapparat, wie er beim Gleichstrommotor zur Leistungsübertragung notwendig ist, und der mit ihm verbundene Verschleiß, die Störungen sowie der Serviceaufwand.
Der Antrieb mit Drehfeldmotor war früher an die festen synchronen Drehzahlen nd gebunden, die sich aus dem Motorenaufbau und der Frequenz des speisenden Drehstromnetzes ergeben. Heute erlaubt der dem Motor vorgeschaltete Frequenzumrichter – als elektronisches Stellglied – die verlustarme Drehzahlverstellung über die Erzeugung eines frequenzvariablen Drehspannungsnetzes zur Speisung des Motors.
Dadurch wird es möglich, den robusten Drehfeldantrieb – bestehend aus einem Frequenzumrichter und einem Motor – auch überall dort einzusetzen, wo lange Zeit nur der Gleichstromantrieb für eine hochdynamische verlustarme Einstellung von Drehzahl und Drehmoment nutzbar war. So hat der Antrieb mit Frequenzumrichter den Gleichstromantrieb nicht nur in vielen Fällen ersetzt oder verdrängt, er schafft darüber hinaus sogar neue Einsatzmöglichkeiten (z.B. beim Bohren und Fräsen mit höchsten Drehzahlen). Ein weiterer Vorteil des Drehfeldmotors liegt in seinem höheren Leistungsgewicht (W/kg). So baut er gegenüber dem vergleichbaren Gleichstrommotor kleiner und besitzt damit auch weniger Bauvolumen und Masse.
Während der Anteil der drehzahlgeregelten Drehstromantriebe am Markt ständig wächst, stagniert der Anteil der Gleichstromantriebe, in verschiedenen Marktsegmenten ist er sogar stark rückläufig. Dies liegt daran, dass Drehfeldantriebe, wie bereits erwähnt, sehr robust, dynamisch und kleinbauend sowie nahezu wartungsfrei sind und sich mit ihnen hohe Schutzarten (auch Ex-Schutz) sowie höchste Drehzahlen kostengünstig realisieren lassen. Weiterentwickelte Puls- und Regelverfahren in der Software des Frequenzumrichters sorgen dafür, dass weniger Geräusche entstehen und eine hohe Regelgüte beim Drehmoment sowie ein guter Rundlauf, insbesondere bei kleinen Drehzahlen, erreicht werden.
Drehfeldantriebe mit modernen Frequenzumrichtern sind darüber hinaus über die digitalen Schnittstellen voll vernetzbar. Sie können über die gängigen Bussysteme leicht in eine Betriebshierarchie eingebunden werden, sodass sich die Prozesse besser steuern und überwachen lassen und auch die Dokumentation von Prozessdaten sowie globale Ferndiagnose möglich ist. Letztlich erleichtern integrierte SPS-Funktionalitäten den Aufbau und die Steuerung dezentraler Einheiten.
Bis vor wenigen Jahren wurde der drehzahlveränderbare Antrieb kleiner Leistung weitgehend über mechanische Verstellgetriebe mit angekoppelter Asynchronmaschine realisiert. Heute bieten sich hier verschleißfreie und verlustarme elektronische Lösungen mit dem Frequenzumrichter an. Dabei gewinnt die Lösung mit Frequenzumrichter weiter an Bedeutung, da diese dynamischer und vernetzbar sind und über einen höheren Wirkungsgrad verfügen. Weil nach Marktuntersuchungen erst etwa 20 bis 25 % der neuen elektrischen Antriebe drehzahlvariabel arbeiten, öffnet sich hier noch ein weites Feld für den Einsatz von kompletten Antriebsmodulen, die aus Frequenzumrichter und Drehfeldmotor bestehen. Durch die immer weiter zunehmende Automatisierung und die mögliche Vernetzung drehzahlveränderbarer Antriebsmodule nimmt diese Entwicklung stark zu. Nach Herstellerangaben werden hauptsächlich drehzahlvariable Antriebe mit Leistungen zwischen 0,2 und 7,5 kW benötigt.
In diesem Abschnitt werden einige Beispiele für den Einsatz drehzahlvariabler Antriebe mit Frequenzumrichter gegeben. Sie sollen einen Einblick in die Praxis vermitteln und Anregungen für weitere Einsatzmöglichkeiten liefern.
Mit einem drehzahlvariablen Antrieb lässt sich der Betrieb des Lüfters dem Prozess der Temperaturregelung optimal anpassen, indem man den Regelkreis über einen im Frequenzumrichter integrierten PID-Regler betreibt. Mit Hilfe dieses Prinzips wird nicht nur Energie eingespart, es bringt noch weitere Vorteile mit sich:
Für den Betrieb von Kran- und Hubwerken ist es von besonderer Bedeutung, dass sich mit Frequenzumrichtern Antriebe mit hohen Drehzahlen realisieren und beherrschen lassen. Mit entsprechenden Zusatzgeräten kann der Antrieb außerdem auch als elektrische Nutzbremse verwendet werden. Darüber hinaus bieten drehzahlvariable Antriebe für diesen Anwendungsbereich weitere Vorteile:
Der Antrieb eines Extruders erfordert bestimmte Steuermöglichkeiten für Drehzahl und Drehmoment, die vom verarbeiteten Material abhängen. Diese Anforderungen lassen sich durch den Einsatz drehzahlvariabler Antriebe wie folgt erfüllen:
Bei Drahtzieheinrichtungen müssen verschiedene Antriebe mit festen Drehzahlzuordnungen laufen. Dies lässt sich durch den Einsatz von drehzahlvariablen Antrieben folgendermaßen realisieren:
Die angeführten Beispiele zeigen, wie die stufenlose Drehzahl- und Drehmomentverstellung eines Motors über einen Frequenzumrichter eingesetzt werden kann. Zusammenfassend sollen nun nochmals die allgemeinen Vorteile genannt werden, die der Einbau eines modernen Frequenzumrichters mit sich bringt:
Es tritt keine Grundschwingungsblindleistung auf
Die vorangegangenen Abschnitte haben verdeutlicht, dass die typischen Einsatzgebiete für Antriebe mit kompakten Frequenzumrichtern heute sehr viel fältig sind. Genutzt werden ihre Vorteile für
Für die genannten Einsatzfälle werden Antriebe aus dem gesamten Leistungsbereich eingesetzt, der sich heute von 100 W bis in den Bereich von über 600 kW erstreckt. Der Betrieb ist leistungsabhängig am Wechsel- oder am Drehspannungssystem möglich.
Darüber hinaus ist die Möglichkeit des weltweiten Einsatzes von Frequenzumrichtern gegeben durch
Die Grundschaltung eines Frequenzumrichters arbeitet nach dem folgenden Prinzip: Über einen Netzstromrichter
(SR l) im Eingangskreis wird die gleichgerichtete 50-Hz-Wechsel-/Drehspannung in einen Gleichspannungszwischenkreis eingespeist und Energie im Kondensator C gespeichert. Der Maschinenstromrichter (SR2) im Ausgangs kreis formt die Zwischenkreisgleichspannung Uz über elektronische Schalter (die Ventile V1 bis V6) in ein neues Drehspannungssystem (U1, V1, W1) mit variabler Frequenz f und variabler Spannung U um; ein angeschlossener Drehstrommotor kann so drehzahlveränderbar laufen. Der Stromrichter SR1 arbeitet dabei als Gleichrichter, der Stromrichter SR2 im Wechselrichterbetrieb (Inverterbetrieb).
Die Steuerelektronik sorgt für eine frequenzproportionale Spannungseinstellung am Ausgang des Frequenzumrichters und übernimmt die Regelung sowie die Systemüberwachung. Darüber hinaus prüft sie die Betriebsdaten, damit Frequenzumrichter und Motor optimal arbeiten können, ohne überlastet zu werden. Die Steuerelektronik ist in digitaler Technik aus geführt, d.h., sie ist aus Mikroprozessoren, digitalen Signalprozessoren (DSP) sowie hochintegrierten Schaltkreisen (LSls, Large Scale Integrations) aufgebaut. Der Steuerelektronik Block enthält auch Speicher für die Software, die das Betriebsverhalten des Frequenzumrichters wesentlich mitbestimmen. Während die Halbleiterschalter in der Leistungselektronik-Schiene der jeweiligen Frequenzumrichterleistung angepasst werden müssen, ist die Steuer-, Regel- und Überwachungseinheit praktisch leistungsunabhängig. Die Steuerteile von Seriengeräten einer Leistungsreihe sind weitgehend gleich aufgebaut, wenn man von den Ansteuermodulen für die Leistungsschalter absieht. Unterschiede ergeben sich höchstens in der Betriebssoftware der Geräte, wenn sie verschiedene Funktionalitäten haben. Moderne Umrichter verfügen zusätzlich über eine integrierte SPS für dezentrale Antriebslösungen mit entsprechenden E/A-Bauteilen. Bei den in den Leistungsteilen eingesetzten elektronischen Schaltern (Halbleiterventilen) handelt es sich bei Leistungen bis in den MW Bereich um Dioden und Transistoren. Wegen der unvermeidlichen Schaltverluste arbeiten diese elektrischen Ventile ausschließlich im Schaltbetrieb, also nur in den beiden Schaltzuständen EIN (Durchlass: >>Es fließt Strom«) und AUS (Sperrbetrieb: >>Der Stromfluss ist gesperrt«). Durch die Ventilwirkung der Halbleiterschalter fließt der Strom immer nur in eine Richtung.
Im Folgenden soll die Arbeitsweise der Ventile kurz beschrieben werden, soweit dies für das Verständnis der Wirkungsweise der Frequenzumrichter notwendig ist.
Die einfachsten Halbleiterventile sind Dioden. Dies sind Halbleiterventile, die bei einer positiven Spannung an der Anode (A) den Strom I in Durchlassrichtung zur Kathode (K) passieren lassen und bei Umkehr der Spannungspolarität den Stromkreis sperren. Diese Eigenschaften nutzt man aus, um mit Dioden in einer Wechselstrom- (B2) oder einer Drehstrombrückenschaltung (B6) aus der 50-Hz Netzwechselspannung eine Gleichspannung Uz im Zwischenkreis des Frequenzumrichters zu erzeugen. Da für diese Ventile keine zusätzliche Steuermöglichkeit besteht, spricht man von ungesteuerten Stromrichtern. Die Betriebsart des Stromrichters ist der Gleichrichterbetrieb, verkürzt bezeichnet man eine solche Schaltung daher auch als „Gleichrichter“. Um einen solchen Gleichrichter handelt es sich beispielsweise bei dem Stromrichter SR1 im Blockschaltbild des Umrichters. Mit dem Kondensator C wird die in den Zwischenkreis eingespeiste Gleichspannung Uz geglättet.
Es gibt mehrere Typen von Transistoren. Allen Typen – Bipolartransistoren (BTR), Unipolartransistoren (MOS) und Insulated-Gate-BipoIattransistoren (lGBT) – ist gemeinsam, dass sie steuerbar sind und entsprechend drei Anschlüsse, also auch einen Steueranschluss, besitzen. Anders als bei Dioden kann bei positiver Spannung am Transistor der Stromfluss zu jedem beliebigen Zeitpunkt über die Steuerelektrode ein- bzw. ausgeschaltet werden. Sie »leiten« oder »Sperren« dann den Strom sofort, während Dioden erst nach dem Nulldurchgang des Stroms wieder sperren. Transistoren benötigen zur Aufrechterhaltung des EIN-Zustands (Durchlasszustand) eine dauernde Ansteuerung der Steuerelektrode.
Beim Übergang zwischen den stationären Schaltzuständen AUS EIN (und umgekehrt) entstehen Schaltverluste, die mit steigender Frequenz stark zunehmen. Diese Verluste begrenzen die Schaltfrequenz im Betrieb.
Der Transistor ist der nahezu ideale elektronische Schalter für den Maschinenstromrichter, also den Wechselrichterteil des Frequenzumrichters; z.B. ist auch der Stromrichter SR2 des Umrichters mit solchen elektronischen Schaltern bestückt. Heute werden in Maschinenstromrichtern für den gesamten Leistungsbereich von wenigen Watt bis zu einigen Megawatt fast ausschließlich Transistoren vom Typ IGBT eingesetzt. Die Leistungsgrenze verschiebt sich aufgrund der laufenden Verbesserungen bei den Grenzdaten von Spannung und Strom kontinuierlich nach oben.
Die Halbleiterschalter werden in montagefreundlicher Modulbauweise in die Frequenzumrichter eingebaut. Antiparallel zu den Ventilen sind zusätzliche Freilaufdioden geschaltet, die den Blindstrom bei induktiven Lasten übernehmen. Die Halbleiterelemente besitzen eine kleine Masse, was dazu führt, dass sie sich bei Stromfluss schnell erwärmen.
Um den Ausfall des Bauelements durch Überhitzung zu verhindern, werden die Temperaturen der Schalter während des Betriebs überwacht. Aufgrund der kleinen thermischen Zeitkonstante folgt die Sperrschichttemperatur Tj dem Laststrom.
In diesem Modul sind nicht nur IGBTs als Leistungsschalter integriert, sondern zusätzlich auch die Treiberelektronik, die Überwachung für Strom, Spannung und den thermischen Zustand sowie die erforderliche Stromversorgung enthalten. Sogar der Transistor für den Bremskreis (Brems-Chopper) und der Thyristor für den Vorladewiderstand sind bereits integriert. Diese Modulbauteile eignen sich besonders zum Bau sehr kleiner und kompakter Frequenzumrichter, weil sie Aufwand und Platzbedarf radikal reduzieren.
Weitere wesentliche Merkmale der Halbleitermodule sind ihre hohe Zuverlässigkeit und die sehr geringen Ausfallraten; dies wirkt sich auch sehr positiv auf die Verfügbarkeil der Frequenzumrichter aus, in denen solche Module eingesetzt sind.
Im nächsten Abschnitt soll nun gezeigt werden, wie durch die elektronischen Schalter im Maschinenstromrichter aus der Gleichspannung Uz des Zwischenkreises ein frequenzvariables Drehspannungssystem erzeugt wird.
Die Drehspannung der öffentlichen Netze wird von umlaufenden Generatoren erzeugt; sie liefern sinusförmige phasenverschobene Drehspannungen. Beim Frequenzumrichter werden die Ausgangsdrehspannungen U1, V1 und W1 durch zyklisches Ein- und Aus schalten der elektronischen Schalter im Wechselrichter aus der Gleichspannung Uz des Zwischenkreises gebildet. Die Schaltzeitpunkte für eine Periode der Ausgangsspannung bestimmt das Schalterdiagramm. Die Schalter V1 bis V6 verbinden dabei die Motorwicklungen U1, V1 und W1 abwechselnd entweder mit dem Plus pol (+) oder dem Minuspol (-) der Zwischenkreisspannung Uz oder schalten ganz ab. Aufgrund dieses Verfahrens ist die Kurvenform der Ausgangsspannung des elektronisch erzeugten Systems blockförmig. Durch das geeignete zeit versetzte Schalten der sechs Wechselrichterventile V1 bis V6 entstehen am Ausgang die drei blockförmigen, phasenverschobenen Wechselspannungen U1, V1 und W1, die das Diagramm zeigt. Das neue elektronisch erzeugte Drehspannungssystem ist zur Speisung eines Motors geeignet. So wird im Wechselrichter eines Frequenzumrichters der Vorgang der Gleichrichtung einfach umgekehrt (invertiert): Aus der Gleichspannung Uz entsteht ein frequenzvariables Drehspannungssystem, mit dem der Motor drehzahlvariabel arbeiten kann.
Die DurchIaufdauer des Ansteuerzyklus der Schalter bestimmt die Ausgangsfrequenz f der elektronisch erzeugten Drehspannung. Beide hängen direkt zusammen und können nahezu beliebig variiert werden. In der Praxis werden Frequenzen vom Grenzwert Null bis in den kHz Bereich hinein realisiert. Wie bereits erwähnt, begrenzen die mit steigender Frequenz zunehmenden Schaltverluste in den Bauteilen den Frequenzbereich. Die zuvor beschriebene Erzeugung der Ausgangsspannung nennt man wegen der blockförmigen Kurvenform der Ausgangsspannung Blockmodulation. Bei dieser Modulation treten in der elektronisch erzeugten Ausgangsspannung neben der erwünschten Grundschwingung für den Betrieb des Motors erhebliche Oberschwingungen auf, die durch andere Modulationsverfahren reduziert werden können.
Um Sättigung des Eisens im Motor zu vermeiden, erfolgt der Betrieb eines Drehfeldmotors mit konstantem Fluss, wie noch gezeigt wird. Dies erfordert bei einer Frequenzänderung eine frequenzproportionale Spannungsanpassung, die als U/f-Kennliniensteuerung bezeichnet wird. Um das Netz nicht mit Grundschwingungsblindleistung zu belasten, werden ungesteuerte Netzstromrichter eingesetzt, die Zwischenkreisspannung Uz ist dann konstant. Die Spannungsanpassung – entsprechend der U/fKennlinie des Motors – wird dann beim Frequenzumrichter mit Spannungszwischenkreis durch Pulsung der Ausgangsspannung erzielt.
Bei einem ungesteuerten Eingangsstromrichter erhält man eine konstante Zwischenkreisspannung Uz am Kondensator. Der Maschinenstromrichter muss in diesem Fall neben der Wechselrichteraufgabe auch noch die Spannungsanpassung entsprechend der U/f- Kennlinie übernehmen. Anstelle eines ganzen Spannungsblocks mit abgesenkter Spannungshöhe schaltet man Spannungspulse konstanter Spannungshöhe, aber variabler Weite auf den Motor – das Verfahren wird Pulsweitenmodulation (PWM) genannt. Durch das Ausblenden von Spannungs-Zeit-Flächen verringert man den Mittelwert der Ausgangsspannung auf den entsprechend der U/f- Kennlinie gewünschten Wert. Dabei bleibt die Periodendauer der Ausgangsspannung und damit die Frequenz ihrer Grundschwingung erhalten. Der Pulsbetrieb führt zu höheren Schaltverlusten in den Wechselrichterventilen, weil in jeder Periode der Ausgangsspannung wegen der Spannungsanpassung mehrfach geschaltet wird.
Führt man die Pulsung der Wechselrichterventile so durch, dass sich möglichst ein sinusförmiger Motorstrom einstellt, spricht man von einem »sinusbewerteten« Pulsverfahren. Dies erreicht man mit Spannungspulsen variabler Breite in einer Halbschwingung der Ausgangsspannung. Je sinusähnlicher die Motorströme sind, desto größer ist der Anteil des erwünschten Grundschwingungsstroms und desto kleiner sind die störenden Oberschwingungsströme, die den Motor im Betrieb zusätzlich thermisch belasten. Die Aufbereitung der sinusbewerteten Ansteuersignale für die Wechselrichterventile findet in der Steuer- und Regelungsbaugruppe des Frequenzumrichters statt. Bei den digitalen Wechselrichtersteuerungen werden die für die Sinusbewertung benötigten Pulsmuster vom steuernden Mikroprozessor laufend neu berechnet oder in Speichern hinterlegt und von dort abgerufen.
Kennzeichnend für das bisherige Verfahren ist die hohe Taktfrequenz von über 14 kHz, die auch zu hohen Schaltverlusten in den Ventilen führt. Durch ein neues optimiertes PWM-Verfahren, die so genannte »Soft- PW M«, ist es möglich, die Pulsfrequenz auf etwa 2 kHz zu reduzieren. So lassen sich nicht nur die hohen Pulsfrequenzen vermeiden, sondern auch störende Geräusche minimieren. Heute sind Soft- PWM-Verfahren bei Leistungen bis in den Bereich von über 600 kW im Einsatz.
Die Form des Drehfelddiagramms wird vom Raumzeiger der Flussverkettung Φ bestimmt, der proportional dem vom Frequenzumrichter erzeugten Spannungsraumzeiger U ist. Dabei spannen die Eckpunkte der Elementarzeiger Ul bis U6 ein regelmäßiges Sechseck auf. Einfaches Weitertakten des Drehfeldzeigers von Elementarraumzeiger zu Elementarraumzeiger führt zu einem unrunden Lauf des Motors mit überlagerten Pendelmomenten. Je näher das erzeugte Drehfeld der idealen Kreisform kommt, desto besser ist der Rundlauf. Einen besonders guten Rundlauf des Motors erzielt man mit der Raumzeigermodulation (RZM), bei der die Elementarspannungszeiger gepulst werden. Aufgrund der sechs Ventile V1 bis V6 gibt es acht mögliche Schaltzustände, wenn die Nullzeiger U7/U8 hinzugerechnet werden. Diese ergeben sich, wenn alle drei Ventile entweder am Pluspol oder am Minuspol der Zwischenkreisspannung Uz liegen. Dort hat dann der Spannungsraumzeiger jeweils den Wert Null, weil die Motorklemmen kurzgeschlossen sind. Wird durch die Steuerung im Frequenzumrichter eine Bahn des Soli-Spannungszeigers nach Betrag und Umlaufwinkelgeschwindigkeit ωs vorgegeben, so gelingt es, durch Pulsen, z.B. der drei Spannungsraumzeiger U1, U6 und U7 im Sektor 1, jeden beliebigen Punkt im aufgespannten Spannungssektor zu realisieren. Das Verhältnis der Einschaltdauern t1, t6 und t7 zur Periodendauer Tp bestimmt die Koordinaten des erzeugten Ist-Spannungszeigers. Durch geeignete Wahl der Pulsdauern läuft dieser dann mit richtiger Größe (Betrag) auf der vorgegebenen Bahn quasikontinuierlich mit konstanter Winkelgeschwindigkeit C05 um und weicht – bei hohen Taktfrequenzen – kaum vom Soll-Zeiger ab. So kann man ein fast kreisrundes Motordrehfeld erzeugen, wodurch sich ein guter Rundlauf des Motors ergibt. Durch das verbesserte Verfahren wurden außerdem die Pendelmomente an der Motorwelle reduziert und damit auch die Drehzahlschwankungen. Bevor das Zusammenspiel von Frequenzumrichter und Motor gezeigt wird, sollen die Motorkennlinien erläutert werden.
Elektromotoren sind elektromagnetische Energiewandler. Sie formen die vom Drehstromnetz zugeführte elektrische Energie verlustarm in mechanische Energie um, die an der Motorwelle zur Verfügung steht. Der äußere stillstehende Teil (Ständer) besteht aus dem Ständerblechpaket mit der am Innenumfang in Nuten eingebetteten Ständerwicklung und dem Gehäuse. Der innenliegende Läufer ist in den Lagerschilden gelagert. Die elektrische Energie aus dem speisenden Drehstromnetz wird der Ständerwicklung zugeführt; diese erzeugt ein Drehfeld, das im Luftspalt umläuft und die elektrische Energie berührungslos auf den Läufer überträgt. Die Umlaufdrehzahl des Drehfelds beträgt nd = f/p, wobei f die Speisefrequenz und p die durch die Motorwicklung festgelegte Polpaarzahl angeben. Man unterteilt die Drehfeldmotoren in Synchron- und Asynchronmotoren, die sich nur im Aufbau des Läufers unterscheiden. Wie der Name bereits vermuten lässt, folgt der Läufer des Synchronmotors dem umlaufenden Luftspaltfeld synchron. Die Pole des Drehfelds und die des Läufers sind quasi über das Magnetfeld fest gekoppelt. Dagegen arbeitet der Läufer des Asynchronmotors gegenüber dem Drehfeld mit einem gewissen Schlupf, wie im folgenden Kapitel näher ausgeführt wird.
Der Läufer des Asynchronmotors trägt eine kurzgeschlossene Wicklung, die sogenannte Kurzschlusswicklung (Kurzschlusskäfig), die im Spritzgussverfahren sehr kostengünstig aus Aluminium oder Kupfer (z. B. bei Hochwirkungsgradmotoren) hergestellt wird. Das im Motor umlaufende Drehfeld induziert Spannungen in den Stäben der Läuferwicklung, die Ströme und entsprechende Drehmomente zur Folge haben (Induktionsmotor). In der Kurzschlusswicklung des Läufers werden nur Spannungen induziert, wenn eine Differenzdrehzahl Δn zwischen Drehfeld und Läuferdrehzahl vorhanden ist. Die auf die synchrone Drehzahl bezogene relative Differenzdrehzahl Δn/nd wird Schlupf genannt und mit s bezeichnet. Asynchronmotoren schlüpfen im Betrieb – mit Ausnahme des idealen Leerlaufbetriebs (s = 0) – immer. Prinzipiell lässt sich die Arbeitsweise des Asynchronmotors mit der einer Schlupfkupplung vergleichen. Der ein fache und kostengünstige Aufbau des Läufers ist mit ein Grund für die weite Verbreitung des Asynchronmotors in der Antriebstechnik. Betrachtet man den Leistungsfluss im Asynchronmotor, so erkennt man, dass die zu geführte elektrische Leistung – um die Ständerverluste vermindert – berührungslos über den Luftspalt in den Läufer übertragen wird. Dort wird ein Teil (die Schlupfleistung Pv) in Wärme umgewandelt. Der Rest steht nach Abzug der mechanischen Reibverluste als mechanische Leistung Pmech an der Motorwelle zur Verfügung.
Die Betriebskennlinien eines Asynchronmotors gelten für die Speisung des Motors mit konstanter Spannung U und fester Netzfrequenz f. Bei Betrachtung der Drehzahlskala erkennt man, dass es die drei Betriebsbereiche Motorbetrieb, Generatorbetrieb und Gegenstrombremsbetrieb gibt. Wegen der Bedeutung des Schlupfs ist auch dieser mit aufgetragen. Zu beachten ist, dass die Skalierungen des Schlupfs und der Drehzahl n gegenläufig sind. Zwischen s = 0 und s = 1 liegt der wichtige Motorbetriebsbereich. Bei negativen Schlupfwerten arbeitet die Asynchronmaschine als Generator, bei Schlupfwerten s > 1 im Gegenstrombremsbetrieb, der bei Frequenzumrichterspeisung nicht genutzt wird. Werden zwei Netzzuleitungen an der Ständerwicklung getauscht, dreht das Luftspaltfeld in der anderen Richtung; der Motor ändert seinen Drehsinn. Bei der Speisung über einen Frequenzumrichter erfolgt die Umkehr elektronisch durch die Änderung der Ansteuerung der Wechselrichterschalter. Das Drehmoment steigt vom Leerlaufpunkt (s = 0) linear mit dem Schlupf an. Beim Bemessungsdrehmoment MN stellt sich der Bemessungsschlupf sN ein; das maximale Drehmoment M K (Kippmoment) wird beim Kippschlupf sK aufgebracht, zu größeren Schlupfwerten hin sinkt es wieder ab. Bei manchen Motoren tritt zwischen Kippmoment und Anlaufmoment (Stillstandsmoment) ein ausgeprägtes Sattelmoment auf. Dies hängt von der Konstruktion des Läufers und der Auslegung der Läuferkurzschlusswicklung ab. Der Motorstrom I steigt nahezu kontinuierlich vom Leerlaufstrom 10 im Leerlaufpunkt (s = 0) bis zum Stillstands Punkt (s = 1) an. Beim direkten Einschalten (s = 1) fließt ein hoher Einschaltstrom IA, der bis zu einem Achtfachen des Motorbemessungsstroms betragen kann. Kleinere Asynchronmotoren haben größere relative Verluste und somit einen schlechteren Wirkungsgrad als große Motoren. Dies macht sich auch im weicheren Verlauf der Drehzahl Drehmoment-Kennlinie bemerkbar.
Synchronmotoren verfügen im Ständer über den gleichen Aufbau wie Asynchronmotoren oder neuerdings Einzelpolwicklungen. Der Läufer besitzt jedoch ausgeprägte Pole (N, S); sie werden durch Stromfluss erregt oder immer öfter von Permanentmagneten (PM) erzeugt. Zusätzlich trägt der Läufer eine Kurzschlusswicklung, die mögliche Pendelbewegungen dämpft. Die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie ist nur für die aus der Speisefrequenz abgeleitete synchrone Drehzahl nd interessant. Motoren mit Permanentmagneten im Läufer haben einen sehr guten Wirkungsgrad. Die Motoren laufen direkt am Netz mit dem Kurzschlusskäfig (Anlaufkäfig) asynchron hoch, um sich dann in der Nähe der synchronen Drehzahl zu synchronisieren, oder werden am Umrichter mit variabler Frequenz hochgefahren (so genannter Frequenzanlauf).
Der Reluktanzmotor ist eine Sonderbauform des Synchronmotors. Sein Läufer ist unerregt, trägt aber meist einen Kurzschlusskäfig. Die Läuferpole werden wegen der magnetischen Vorzugsrichtung (Reluktanz) vom Ständerdrehfeld synchron mitgenommen. Die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie zeigt das Verhalten einer Kombination aus Synchron- und Asynchronmotor. Reluktanzmotoren werden wegen ihres im Vergleich zu Synchronmotoren preiswerteren Aufbaus häufig als Mehrmotorenantriebe für in der Textilindustrie eingesetzte Frequenzumrichter verwendet. Sie verfügen über einen guten Wirkungsgrad.
Zur Erfüllung besonderer Aufgaben werden die Motoren durch Anbauten ergänzt.
Gebersysteme dienen dazu, Drehzahl und Position des Antriebs genau und digital zu erfassen. Sie werden vorzugsweise konstruktiv direkt in den Motor als Hohlwellengeber integriert oder axial über Präzisionskupplungen angebaut. Je nach Anwendung können die unterschiedlichsten Gebersysteme zum Einsatz kommen. inkrementale Drehgeber arbeiten nach dem Prinzip der optoelektrischen Abtastung von Strichgittern, Resolver nach dem Induktionsprinzip. In die Wicklung des mit der Motorwelle fest verbundenen Läufers wird transformatorisch (daher bürstenlos) eine sinusförmige Wechselspannung übertragen. Die Gebersignale werden in der Steuerung des Frequenzumrichters ausgewertet.
Wird vom Antrieb ein Halten der erreichten Position gefordert, trägt der Motor zusätzlich eine mechanische Bremse. Meist handelt es sich dabei um eine gleichstromerregte Scheibenbremse, die nach dem so genannten Ruhestromprinzip arbeitet: Wird der Motor abgeschaltet, fällt die Bremse selbsttätig ein.
Da die Motordrehzahl bei Antrieben mit Frequenzumrichter in weiten Bereichen verstellt wird, kann sie bei kleinen Drehzahlen in einen Bereich gelangen, in dem die Eigenkühlung des Motors nicht mehr ausreicht. Solche Motoren werden dann mit einem Fremdlüfter ausgestattet, der die Verlustwärme drehzahlunabhängig abführt.
Zum internen Temperaturschutz des Motors sind Temperatursensoren eingebaut. Diese Schutzeinrichtungen lösen bei Wicklungstemperaturen von etwa 110 bis 150 C aus. Die in den Motor integrierten Temperaturfühler werden an den Frequenzumrichter angeschlossen.
Für den Betrieb von Motoren sind zehn Betriebsarten S1 bis S10 festgelegt (EN 60034-2). Im Folgenden sollen nur die beiden für drehzahlvariable Antriebe wichtigsten Betriebsarten vorgestellt werden.
Die Betriebsart S1 beschreibt einen Betrieb mit konstanter Belastung, der so lange andauert, bis der thermische Beharrungszustand erreicht wird, in dem sich die Temperatur kaum noch ändert; so arbeiten beispielsweise Motoren an Umwälzpumpen.
Die Betriebsart S8 setzt sich aus einer Folge identischer Spiele zusammen. Jedes dieser Spiele umfasst eine Betriebszeit mit konstanter Belastung (während der der thermische Beharrungszustand nicht erreicht wird) und bestimmter Drehzahl sowie anschließend eine oder mehrere Betriebszeiten mit anderen konstanten Belastungen entsprechend den unterschiedlichen Drehzahlen. Es tritt dabei keine Stillstandszeit mit stromlosen Wicklungen auf. Diese Betriebsart wird typischerweise für Antriebe von Werkzeugmaschinen usw. gewählt.
Die gebräuchlichsten Bauformen von Motoren zeigt Tabelle 3 (EN 60034-7). Dort sind die Sinnbilder mit den genormten Kurzzeichen zusammengestellt. Das Kurzzeichen setzt sich aus den Kennbuchstaben und Ziffern zusammen. Hauptsächlich eingesetzt werden Fußmotoren in der Grundbauform IM 1001 (IM B3) und die Flanschmotoren in den Bauformen IM 3001 (IM B5) oder mit senkrechter Welle IM 3011 (IM V1) und IM 3031 (IM V3).
Um den sicheren Betrieb von Anlagen und Maschinen auch bei widrigen Bedingungen zu ermöglichen, werden Motoren in verschiedenen Schutzarten ausgeführt, die durch ein Kurzzeichen gekennzeichnet sind (IEC 34-5). Dieses setzt sich aus zwei Kennbuchstaben, zwei Kennziffern und gegebenenfalls einem weiteren Kennbuchstaben zusammen. Die Angaben beginnen mit den Buchstaben IP (International Protecting).
Innengekühlte Motoren werden in der Schutzart IP 21 /22/23 ausgeführt, wenn sie in staubarmen und trockenen Räumen arbeiten sollen. Für die Außenaufstellung oder bei Betrieb in staubigen Räumen eignen sich oberflächengekühlte Motoren in den Schutzarten IP 44/54 oder höher.
Elektrische Antriebe werden innerhalb der EU weiträumig eingesetzt und beanspruchen dort 65 % des industriellen Stromverbrauchs für sich. Die Lebenszykluskosten von Motoren beinhalten neben der Investition die jährlich wiederkehrenden hohen Kosten für den Energieverbrauch.
Hochwirkungsgradmotoren können die Energiekosten senken. Es werden drei Wirkungsgradklassen angeboten. Bei Dauereinsatz amortisieren sich eff 1-Motoren in kürzester Zeit.
Für drehzahlveränderbare Antriebe wird der Asynchronmotor über einen Frequenzumrichter gespeist. Für das vom Asynchronmotor aufgebrachte Drehmoment M gilt allgemein: M – Φ · 1 mit den Raumzeigern der magnetischen Motorflussverkettung Φ und des Läuferstroms I. Soll die Flussverkettung Φ (oder kurz der
Fluss) konstant sein, um den Motor magnetisch gut auszunutzen, ergibt sich bei Frequenzverstellung der Zusammenhang: Φ = konstant – U/f Daraus folgt, dass bei Änderung der Speisefrequenz f auch die Speisespannung U frequenzproportional verstellt werden muss, um die Forderung nach konstantem Fluss Φ zu erfüllen. Daraus leitet sich die U/f- Kennliniensteuerung der Frequenzumrichter 1m Spannungsstellbereich ab.
Der Betriebsbereich zwischen Stillstand (s = 1, n = 0) und dem Bemessungsschlupf sN oder der Bemessungsdrehzahl nN ist der Spannungsstellbereich. Hier ist bei konstantem Strom I aufgrund des konstanten Flusses Φ das erzeugte Drehmoment M konstant. Die mechanische Leistung P an der Motorwelle steigt mit der Drehzahl n an, bis die Bemessungsdrehzahl nN (auch Eckdrehzahl oder Grunddrehzahl genannt) erreicht wird. Die Drehmomentkennlinien laufen im Spannungsstellbereich bei Betrieb mit variabler Frequenz f parallel zueinander.
Bei abnehmender Speisefrequenz f tritt der durch den Wirkwiderstand R1 der Ständerwicklung hervorgerufene Spannungsfall ΔU immer stärker in Erscheinung; dieser Spannungsfall ΔU verringert den Motorfluss Φ. Um auch bei kleinen Frequenzen den Betrieb des Motors mit konstantem Bemessungsfluss sicherzustellen, ist es notwendig, dort die Spannung überproportional über die U/f-Kennlinie anzuheben. Man spricht vom Boost oder der I-R-Kompensation im unteren Kennlinienbereich. Bei allen Frequenzumrichtern lässt sich der Verlauf der U/f-Kennlinie einstellen, um den Betrieb an den Motor anzupassen. Meist wird am Bemessungspunkt (Typenpunkt T) des Motors auch die Motor-Bemessungsspannung U erreicht. Dieser Betriebspunkt kann bei Frequenzumrichterspeisung verlustbedingt vom 50-Hz-Typenpunkt abweichen.
Bei Pumpen und Lüfterantrieben spart man mit einer quadratisch ansteigenden U/f Kennlinie Energie ein. Weil bei diesen Antrieben im unteren Drehzahlbereich ein geringeres Drehmoment benötigt wird, können die Spannung und damit der Magnetisierungsstrom abgesenkt werden; dadurch sinken die Verluste. Manche Umrichter passen die Magnetisierung automatisch der Last an und versorgen den Motor zu jedem Zeitpunkt mit dem passenden Fluss. Diese so genannte OEC Technologie (Optimum Excitation Control; optimale Flussregelung) garantiert eine maximale Antriebsauslastung bei minimaler Stromaufnahme und ermöglicht dadurch einen optimalen Wirkungsgrad.
Auch die Eckdrehzahl lässt sich variieren, beispielsweise für den so genannten »87-Hz-Betrieb«. Dazu wird der bezüglich der Frequenz erweiterte Spannungsstellbereich bis 87 Hz genutzt, wenn sich die Motorwicklung bei 400 V im Dreieck betreiben lässt. Der so angeschlossene Motor kann bei gleichem Drehmoment aufgrund der √3fach höheren Drehzahl auch √3fach mehr Leistung abgeben. Der speisende Frequenzumrichter ist für diese erhöhte Leistung zu bemessen. Der Nutzen des 87-Hz Betriebs liegt darin, dass ein Motor kleinerer Typenleistung eingesetzt werden kann.
Um die Drehzahl über die Bemessungsdrehzahl hinaus weiter zu steigern, muss die Speisefrequenz f erhöht werden. Weil die Motorspannung bei einer weiteren Frequenzerhöhung aber nicht mehr ansteigen kann, wird der Motorfluss geschwächt. Der Asynchronmotor arbeitet dann im Feldschwächbereich (Feldstellbereich). Hier reduziert sich das verfügbare Drehmoment, und es entsteht ein Bereich konstanter Leistung, wobei der Schlupf s leicht an steigt. Die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien verlaufen mit steigender Frequenz immer flacher. Das Kippmoment sinkt mit zunehmender Frequenz wegen des abnehmenden Flusses quadratisch ab (MK – 1/f2), sodass auch die Überlastungsfähigkeit (M K/MN) in diesem Bereich abnimmt. Bei der Bemessung eines Antriebs muss aus diesem Grund darauf geachtet werden, dass das Motorkippmoment je nach dem gewählten Feldschwächfaktor (üblicherweise liegt er bei 2 bis 3) entsprechend größer sein muss als das Bemessungsmoment im Typenpunkt.
Auch bei Synchron- und Reluktanzmotoren gilt die U/f-Kennlinie beim Betrieb am Frequenzumrichter. Diese Motoren werden meist im Spannungsstellbereich mit konstantem Drehmoment betrieben. Beim Einschalten synchronisieren sich die Motoren und laufen dann mit steigender Frequenz auf die Betriebsdrehzahl hoch. Bei Mehrmotorenantrieben an einem Frequenzumrichter laufen alle Motoren drehzahlsynchron, wie es in der Textilindustrie häufig gefordert wird.
Um den Motor optimal an die Belastungsmaschine anpassen zu können, benötigt man eine gute Kenntnis der Charakteristik des Belastungsmoments. In der Praxis trifft man bei den verschiedenen Arbeitsmaschinen (Prozessen) auch auf die unterschiedlichsten Belastungskennlinien. Aus der Vielzahl lassen sich jedoch vier typische Kennlinienverläufe herausarbeiten:
Ein drehzahlunabhängiges konstantes Belastungsmoment (M =konstant) findet man bei Hebezeugen, Werkzeugmaschinen, Förderanlagen und Antrieben für Kolbenpumpen. Unter Umständen muss beim Anlauf dieser Anlagen ein Losbrechmoment von beträchtlicher Größe überwunden werden. In einem solchen Fall ist zu prüfen, ob die kurzzeitige Überlastungsfähigkeit von Frequenzumrichter und Motor ausreicht, um das Losbrechmoment zu überwinden, oder ob eine größere Antriebseinheit zu wählen ist. Die Leistung steigt bei konstanter Belastung drehzahlproportional an. Sollen große Drehmomente bei kleinen Drehzahlen permanent gefahren werden, ist eine Fremdkühlung des Motors vorzusehen, um die Verlustwärme abzuführen. Bei Eigenkühlung muss das dauernd zulässige Drehmoment reduziert werden. Insbesondere bei längerem Betrieb mit kleinen Drehzahlen und großem Drehmoment besteht die Gefahr der thermischen Überlastung. Durch den Einsatz von Thermofühlern im Motor lässt es sich vermeiden, dass eine kritische Temperatur überschritten wird.
Ein linear mit der Drehzahl steigendes Belastungsmoment (M – k · n; k: Antriebskonstante) findet man bei Kalandern mit viskoser Reibung, Papierverarbeitungsmaschinen und bei Wirbelstrombremsen. Losbrechmomente treten bei diesen Anwendungen kaum auf. Die Leistung steigt quadratisch mit der Drehzahl, d.h., die doppelte Drehzahl erfordert die vierfache Leistung.
Ein quadratisch mit der Drehzahl steigendes Drehmoment (M – k · n2; k: Antriebskonstante) mfindet man bei Zentrifugallüftern und Kreiselpumpen. Ein Losbrechmoment tritt bei diesen Antrieben kaum auf. Die Antriebsleistung ist sehr stark drehzahlabhängig, sie ändert sich mit der dritten Potenz der Drehzahl (P – n³). Ein Beispiel zeigt dies: Wird die Lüfterdrehzahl von 100 auf 90 % abgesenkt, so reduziert sich die Lüfterleistung nach 0,9³· PN auf ca. 70 %. Um den Frequenzumrichter an diese Belastungskennlinie anzupassen, gibt es spezielle U/f-Kennlinienvorgaben (quadratische Kennlinie, Energiesparbetrieb und automatische Flussreduzierung OEC), wodurch die Verluste zusätzlich reduziert werden. Da oft mit hohen Drehzahlen gefahren wird, kann man im Allgemeinen ohne Fremdkühlung auskommen. Dies ist jedoch vom Anwendungsfall abhängig und jeweils genau zu prüfen.
Diese Belastungscharakteristik (P = konstant, M – 1 /n) findet man besonders ausgeprägt bei allen Wicklern. Das beschriebene Verhalten tritt auf, wenn Material mit konstanter Malerialgeschwindigkeit bei konstantem Materialzug aufgewickelt wird, aber auch bei der spanabhebenden Bearbeitung im Bereich der Werkzeugmaschinen. Bei kleineren Drehzahlen werden grobe Späne abgenommen (Schruppen), während das Feinschlichten, d.h. der Abhub sehr feiner Späne, bei höchster Drehzahl erfolgt (hohe Oberflächengüte).
Wie bereits erwähnt, treten in der Praxis zusätzliche Mischformen oder – je nach Maschinentyp oder Arbeitsprozess – Abweichungen von den dargestellten typischen Kennlinien auf. Zumindest für überschlägige Bemessungen sind die vier Grundtypen jedoch meistens ausreichend. Andere Abhängigkeiten ergeben sich, wenn man Pressen (M proportional zum Drehwinkel) oder Extruder (M abhängig von der Zeit) betrachtet.
Alle Maschinenanlagen müssen anlaufen oder stillgesetzt werden, dazwischen laufen sie mit unterschiedlichen Drehzahlen. Um von einer Drehzahl zur anderen zu wechseln, muss der Antrieb beschleunigt (Hochlauf) oder abgebremst werden (Bremslauf). Dabei ist nicht nur das Lastmoment (abhängig vom Prozess) wirksam, sondern auch das Massenträgheitsmoment J des gesamten Antriebs. Das dynamische Grundgesetz gibt über die auftretenden Drehmomente Auskunft:
2 π • n • dJ/dt + 2 π • J • dn/dt = MMotor+ MLast
J ist das Massenträgheitsmoment des gesamten Antriebs bezogen auf die Motorwelle, dn/dt die Änderung der Drehzahl mit der Zeit. Die Änderung des Massenträgheitsmoments tritt z. B. bei Waschmaschinen auf, wenn sich die Wäsche während des Schleuderns verteilt. Beim Hochlauf nimmt das Massenträgheitsmoment J Energie auf. Daher muss neben dem Lastdrehmoment ML noch ein zusätzliches beschleunigendes Drehmoment aufgebracht werden. Die zusätzliche Energie wird in der Schwungmasse J gespeichert. Beim Bremslauf gibt die Schwungmasse die gespeicherte Energie wieder ab. Bei Betrieb mit einem Frequenzumrichter arbeitet die elektrische Maschine jetzt als Generator und speist Beschleunigen und Bremsen 53 die Bremsenergie in den Zwischenkreis des Frequenzumrichters zurück. Hierauf wird im übernächsten Abschnitt näher eingegangen.
Während der Motor (UM, IM) das volle Drehmoment M aufbringt, entnimmt der Frequenzumrichter dem Netz nur den der augenblicklichen Leistung entsprechenden Wirkstrom IN. Der Blindstromanteil des Motors wird aus dem Zwischenkreiskondensator gedeckt. So wird das Netz beim Anlauf über einen Frequenzumrichter optimal geschont.
Die wichtigste Betriebsart ist der Motorbetrieb, d.h. das Antreiben der Arbeitsmaschine. Dabei wird Energie aus dem Netz über den Netzstromrichter, den Zwischenkreis und den Maschinenstromrichter (Wechselrichter) zum Motor übertragen. Dieser gibt die gewandelte elektrische Leistung – abzüglich der Verluste mechanisch an die Arbeitsmaschine (den Prozess) weiter. Ein Teil der Energie wird, wie zuvor beschrieben, in der Schwungmasse J des Antriebs gespeichert. Beim Bremsen kehrt sich die Richtung des Energieflusses um. Die Arbeitsmaschine und/ oder die Energie der Schwungmasse speisen jetzt die elektrische Maschine. Diese arbeitet nun als Generator und gibt die gewandelte mechanische Energie über den Maschinenstromrichter (Wechselrichter) in den Zwischenkreis ab. Der Kondensator im Zwischenkreis puffert die Energie. Er wird dadurch aufgeladen und die Zwischenkreisspannung Uz steigt an. Bei einer großen Zahl von Anwendungen reicht die Energiepufferung durch die Kondensatoren des Umrichterzwischenkreises aus. Um bei größeren Bremsenergien eine Gefährdung der elektrischen Bauteile zu vermeiden, muss die Kondensatorspannung Uz begrenzt werden. Dies geschieht bei kleinen Bremsleistungen (etwa <30 kW) durch das Einschalten eines Bremswiderstands (Ballastwiderstand) über einen Brems-Chopper. Im Widerstand wird die oft nur kurzzeitig anfallende Bremsenergie in Wärme umgesetzt. Ab etwa 11 kW ordnet man die Bremswiderstände wegen der großen Wärmeentwicklung extern an. Der Brems-Chopper funktioniert auch bei Netzausfällen, sodass der Antrieb geführt stillgesetzt werden kann. Bei größeren Leistungen lohnt sich der Aufwand für eine Nutzbremsung, d.h. die Rückspeisung der Bremsenergie in das Drehstrom netz. Dies kann beim V-Umrichter nur über einen antiparallel zum Netzstromrichter geschalteten steuerbaren Rückspeise-Pulsstromrichter erfolgen. Der Aufwand ist allerdings hoch und muss kalkuliert werden. In letzter Zeit werden immer häufiger anstelle des mit Dioden bestückten Netzstromrichters Transistor-Pulsstromrichter eingebaut. Sie verfügen über zwei Vorteile: Zum einen lassen sie beide Energierichtungen – also auch das Rückspeisen – zu, zum anderen arbeiten sie mit sinusförmigen Netzströmen. Dadurch sinken die durch die Oberströme resultierenden Netzrückwirkungen und damit der Filteraufwand. Bei V-Umrichtern handelt es sich normalerweise um 2-Quadranten-Antriebe. Mit Zusatzeinrichtungen wie Brems-Chopper oder Rückspeisestromrichter werden sie zu 4-Q-Antrieben ohne jede Einschränkung.
Antriebe erzeugen Bewegungen, die Personen gefährden können. Deshalb ist das Stillsetzen von Antrieben wichtiger Bestandteil eines Sicherheitskonzepts. Die Umrichter tragen diesem Bedarf an Sicherheit im oder am Antrieb Rechnung und haben bereits in der EN 61 800 angeführte Funktionen integriert. So sind z.B. Stoppkategorien wie die Funktion Safe Torque Off (sicher abgeschaltetes Moment; abgekürzt STO) implementiert, die den Antrieb sicherheitsgerichtet freischaltet. Bei der STO-Funktion wird im Umrichter die Energieversorgung zum Motor direkt unterbrochen. Der Antrieb kann daher kein Drehmoment und somit keine gefahrliehe Bewegung erzeugen. Wird die STO-Funktion hingegen bei laufendem Antrieb aktiviert, trudelt dieser unkontrolliert aus. Daher ist die Stopp-Funktion 1 (Safe Stop 1; SS1), bei der der Abschaltung ein kontrolliertes Stillsetzen vorangeht, grundsätzlich vorzuziehen. Dabei handelt es sich um das sofortige geführte Stillsetzen des Motors entlang einer Verzögerungsrampe mit anschließendem Abschalten des Motormoments.
Im oberen Teil ist die Leistungsschiene zwischen Netz und Motor dargestellt, darunter der Steuerteil des Frequenzumrichters. Der mit einem Mikroprozessor und u.U. mit Signalprozessoren (DSP) bestückte Steuerteil enthält die Software mit den Blöcken für die Grundfunktionen des Betriebs und die optionalen Zusatzfunktionen für weitere spezielle technologische Anwendungen, z.B. den PID- Regler. Neuerdings sind in Umrichtern SPS-Funktionalitäten integriert. Diese sind in der Lage, dezentrale Steuer- und Regelungsaufgaben von kompletten Maschinen vollständig zu übernehmen und so die übergeordnete Steuerung zu entlasten. Durch die Integration von SPS-Funktionalitäten ergeben sich folgende Vorteile:
Die Kommunikation mit der Umwelt (Mensch Maschine-Interface) erfolgt über die Eingangssignalkreise, die serielle Schnittstelle oder Bussysteme sowie über die Bedieneinheit Darüber hinaus ist es möglich, analoge und digitale Betriebswerte auszugeben. Alle Funktionen liegen heute nur noch als Softwarevarianten vor, einige davon sollen im Folgenden an gesprochen werden.
Die Software enthält zunächst die möglichen Betriebsarten, die durch den Aufruf der Softwareblöcke aktiviert werden können. Einstellen lassen sich jeweils der Betrieb »ohne« oder »mit« Drehzahlgeber für
Bei einfachen Antriebsaufgaben oder Mehrmotoren-Antrieben wird die U/f-Kennliniensteuerung eingesetzt, wobei das dynamische Verhalten des Antriebs in dieser Betriebsart allerdings eingeschränkt ist. Für eine Vielzahl von Antrieben, z.B. für Pumpen und Lüfter, Transport- und Förderbänder sowie Bearbeitungsmaschinen zum Sägen, Bohren und Fräsen, reicht diese Betriebsart völlig aus. Bei diesen einfachen Antriebsanforderungen arbeitet man mit der U/f-Kennliniensteuerung nach der Energiesparkennlinie. Um Förderbänder anzutreiben, wird die Spannung im unteren Frequenzbereich angehoben, sodass sich im ganzen Spannungsstellbereich ein möglichst konstanter Motorfluss und somit auch ein konstantes Drehmoment einstellen.
Bei höheren Anforderungen an die Drehzahlregelung und das erforderliche Drehmoment muss die Vektorregelung eingesetzt werden; dies ist das optimale Verfahren, um anspruchsvolle Antriebsaufgaben mit Asynchronmotoren zu lösen. Es kann mit und ohne Drehzahlgeber gearbeitet werden.
Wirkungsweise
Bei der Vektorregelung werden aus den Ist-Werten von Motorspannung Uist und Motorstrom l des Asynchronmotors von der Software der Magnetisierungsstrom Iu, (bestimmt den Motornuss) und der Wirkstrom lμ (bestimmt das Drehmoment) berechnet. Dazu wird der Motorstrom I im so genannten »Motormodell« in zwei Komponenten zerlegt, die einzeln und unabhängig von einander geregelt werden können. Das Ergebnis sind die den Motorfluss erzeugende magnetisierende Stromkomponente Iu und die senkrecht dazu stehende drehmomentbildende Stromkomponente Iμ. Die dazu notwendige »Regelschaltung« liegt als komplexe Software in einem schnellen Prozessor oder Signalprozessor (DSP) vor. Er berechnet aus dem einprogrammierten »Motormodell« – dem elektrischen Abbild des Motors – z.B. mit den Daten von Ständer (R1, L1) und Läufer (R2, L2) kontinuierlich die erforderlichen Solldaten für den Betrieb, die die Motorspannung und die Motorfrequenz bestimmen. Durch dieses Verfahren gelingt es, den Fluss zu jedem Zeitpunkt genau zu führen und das Drehmoment in einem weiten Drehzahlbereich hochdynamisch zu regeln. Soll im gesamten Drehzahlstellbereich eine hohe Drehzahlkonstanz realisiert werden, wird die Motordrehzahl über einen Geber erfasst. Betrieb mit PM-Synchronmotoren wird die Magnetisierungsstromkomponente auf null gesetzt und nur der drehmomentbildende Strom Iμ geregelt. Das verein facht das Verfahren. Ein Geber kann entfallen, da der Motor immer synchron läuft.
Kennlinien
Die statischen Drehzahl Drehmoment- Kennlinien (a) sowie die dynamischen Kennlinien (b) bei Lastaufschaltung verdeutlichen die Qualität der Regelung ohne Drehzahlrückführung. Besonders interessant ist der Kennlinienverlauf bei kleinen Frequenzen im Anlautbereich.
Selbstabgleich
Moderne Frequenzumrichter ermitteln die Daten des benötigten »Motormodells« in einem
Testlauf selbsttätig (Autotuning), für den Anwender wäre die Bestimmung dieser Daten sehr zeitaufwendig und erforderte vertiefte Fachkenntnisse. Die Selbstabgleichfunktion in der Betriebssoftware unterstützt den Anwender darüber hinaus auch dabei, wichtige Antriebsparameter, z.B. beim Drehzahlregler, zu finden und diese einzustellen. Dabei werden beispielsweise Hoch- und Bremslauframpen durchlaufen und der Drehzahlregler optimiert.
Durch die kontinuierliche Nachführung der Widerstandswerte R1 im Motormodell während des Betriebs ist das Drehzahlverhalten noch stabiler. Auf diese Weise wird die durch Erwärmung verursachte Widerstandsänderung kompensiert.
Um Motor und Umrichter nicht dauernd zu überlasten, wird der Strom im ganzen Betriebsbereich begrenzt. Diese Maßnahme zum Schutz der Anlage begrenzt natürlich auch das an der Welle zur Verfügung stehende Drehmoment. Kurzzeitig kann diese Stromgrenze (Momentengrenze) überschritten werden, wenn z.B. beim Hochlauf größere Momente zur Beschleunigung oder zum Losbrechen erforderlich sind. Durch die (einstellbare) Strombegrenzung ergeben sich typische Kennlinien. Zur Energieeinsparung wird die Ausgangsspannung des Frequenzumrichters automatisch lastabhängig abgesenkt.
Die Übergänge zwischen den Drehzahlen verlaufen nach verschiedenen Rampenfunktionen. Diese Hochlauf- und Bremslauframpen Jassen sich gewöhnlich am Frequenzumrichter einstellen. Die Parameter die gewählt werden können, z.B. die lineare oder die »S«-Rampe. Der Antrieb wird, entsprechend der eingestellten Hochlaufzeit und der Rampe, geführt beschleunigt. Gleiches gilt für den Bremslauf mit der ausgewählten Bremsrampe, der unter Umständen über Drehzahl-Zwischenstufen erfolgt. Bei »S«- Rampen gibt es besonders sanfte Übergänge, wie sie bei Personenaufzügen angenehm sind.
Alle Frequenzumrichter sind mit einer Einschaltstrombegrenzung ausgestattet, die die Kontakte der vorgeschalteten Schaltorgane vor zu großen Einschaltströmen schützt.
Der Frequenzumrichter kann wahlweise über externe Signale oder direkt über die Bedieneinheit gesteuert werden. Ein Anschluss des PC über die im Umrichter integrierte USB- oder RS485-Schnittstelle ist ebenfalls vorgesehen. Dies ermöglicht einen komfortablen Zugriff auf Parameter, aktuelle Werte und Steuerfunktionen. Darüber hinaus besteht die Option, die gängigen internationalen Bussysteme anzuschließen.
Beim Ansprechen einer Schutzfunktion wird der Ausgang des Frequenzumrichters abgeschaltet, und der Motor läuft bis zum Stillstand aus. Der Ausgang bleibt entweder so lange abgeschaltet, bis die Fehlerursache behoben und der Frequenzumrichter zurück gesetzt ist, oder es wird durch den programmierten automatischen Wiederanlauf versucht, die Maschine erneut zu starten. Der Frequenzumrichter kann z.B. durch Betätigen der RESET-Taste zurückgesetzt werden. Beim Ansprechen einer Schutzfunktion zeigt die Bedieneinheit in jedem Fall eine detaillierte Fehlermeldung an.
Alle Frequenzumrichter beziehen aus dem Wechsel-/Drehstromnerz nichtsinusförmige Ströme. Prinzipiell lassen sich diese in den Grundschwingungsstrom und die Oberschwingungsströme zerlegen. Die Oberströme verursachen an den inneren Netzwiderständen Oberschwingungsspannungen, die unter Umständen zu Störungen bei anderen am Netz parallel liegenden Verbrauchern führen. Bei der Antriebsplanung sind diese Möglichkeiten zu bedenken, um z.B. auch Resonanzen mit Kompensationseinrichtungen zu vermeiden. Wegen der ungesteuerten Diodenbrücke im Netzstromrichter besitzt der Verschiebungsfaktor cos φ 1 = P1 /S1 im ganzen Drehzahlbereich nahezu den Wert »1«. Er darf nicht mit dem Leistungsfaktor λ. = P/S verwechselt werden, der bei nicht sinusförmigen, also oberschwingungsbehafteten Netzströmen stets kleiner als der Verschiebungsfaktor cos φ 1 ist.
Grundschwingungsblindleistung wird vom Frequenzumrichter nicht aufgenommen, dagegen belasten die oberschwingungsbehafteten Netzströme das Netz mit Verzerrungsblindleistung. Pulsstromrichter im Eingang eines Umrichters verringern einerseits die Netzrückwirkungen durch nahezu sinusförmige Netzströme und er möglichen andererseits den Betrieb in beiden Energierichtungen. Ihr Einsatz ist allerdings auch eine Kostenfrage.
Elektrische Energie wird laufend teurer, daher nehmen Maßnahmen zur Energieeinsparung zu. Durch die erzielte Energieeinsparung amortisieren sich höhere Antriebskosten schnell, einige Möglichkeiten zu Realisierung sparsamer Antriebe sind hier genannt.
Durch die zunehmende Automatisierung und die steigende Anzahl von Antriebsgeräten in größeren Industrieanlagen ist es erforderlich, allen in einem Prozess beteiligten Einheiten den direkten Zugriff auf Daten zu ermöglichen. Netzwerktechnologien bieten eine Alternative zur gesteuerten Drehzahleinstellung über Standardanalogsignale. Moderne Maschinen und Industrieanlagen müssen dem Bediener weitaus mehr Funktionalität bieten und die Produktionsprozesse automatisch und optimal steuern. Alarmmeldungen, aktuelle Betriebsparameter und Steuerfunktionen müssen jederzeit über das Netzwerk an alle im Bussystem integrierten Einheiten gesendet und von ihnen empfangen werden. Um dies zu ermöglichen, wird von einem übergeordneten System, z.B. einer SPS, mit einem Bussystem direkt auf die Funktionen des Frequenzumrichters zugegriffen. Das Steuerungssystem wertet die empfangenen Informationen aus und erlaubt somit einen optimierten Ablauf des gesamten Maschinenprozesses. Der Datenverkehr zwischen Frequenzumrichter und Steuerung findet hierbei bidirektional statt.
Generell unterscheidet man Bussysteme für die Vernetzung von Leitrechnern (Prozessleitebene) sowie Bussysteme zur Vernetzung von E/A-Geräten (Steuerungs- oder E/A-Ebene). ln der Leitebene werden vorwiegend Prozessdaten zwischen mehreren Steuerungen und Rechnern aus getauscht. Diese Daten können auf einem Prozessvisualisierungssystem grafisch dargestellt werden oder an Datenbanksysteme zur Eifassung und Archivierung von Ist-Daten angekoppelt werden. Die Einrichtung einer Schnittstelle zur Fabrikleitebene für die Auftragserfassung, Konstruktion oder für Produktionsplanungssysteme (PPS) ist ebenfalls möglich. Die Kommunikation mit den Frequenzumrichtern findet auf der Steuerungs- oder EIA-Ebene statt. Für die verschiedenen Anwendungen haben sich heute etliche Bussysteme zur Vernetzung von Antriebsgeräten auf dem Markt etabliert. Diese unterscheiden sich hauptsächlich in
Tabelle 5 zeigt diverse Netzwerke auf der E/A Ebene. Die Einbindung eines Frequenzumrichters in das Netzwerk wird mit Netzwerkoptionskarten realisiert. Diese werden in die Frequenzumrichter eingesteckt und dienen als Schnittstelle zum Bussystem.
Durch die intelligenten Antriebsgeräte ergibt sich mit Hilfe von Bussystemen eine Vielzahl von Steuerungs- und Überwachungsfunktionen. Unterteilt wird hierbei in
Abhängig vom verwendeten Bussystem ist jeder Funktion ein Datencode zugeordnet. Über diesen Datencode wird die verwendete Funktion von dem übergeordneten System angesprochen.
Die zunehmend komplexer werdenden Automatisierungssysteme erfordern steigenden Projektierungs- und Programmieraufwand. Um diesen Aufwand zu reduzieren, werden für verschiedene Branchen spezielle Systemlösungen angeboten. Diese lassen sich schneller und vor allem kostengünstig in neue Konzepte integrieren. Im Folgenden werden vier Lösungen beispielhaft vorgestellt.
Extrusionsmaschinen werden in der Kunststoffindustrie zur Herstellung von Folien, PET Flaschen, Rohren sowie Kunststoffteilen aller Art eingesetzt. Bei der Fertigung dieser Produkte bedient man sich zweier Verfahren: dem Spritzgieß- und dem kontinuierlich arbeiten den Extrusionsverfahren. Für beide Verfahren benötigt man spezielle Steuer-, Regelungs- und Antriebsfunktionen. Die zum Transport des Granulats benötigte Extruderschnecke wird über einen umrichtergespeisten Asynchronmotor angetrieben. Um das Kunststoffgranulat im Schneckenbereich zu erwärmen, sind mehrere Heiz- und Kühlzonen angeordnet, die den Prozess mit Hilfe spezieller Regelungsalgorithmen optimieren. Diese sorgen auch dafür, dass der Druck am Extruderkopfkonstant bleibt. Die im Umrichter integrierte SPS-Steuerung übernimmt die sequenzielle Abarbeitung und den komplexen Regelungsprozess für die Beiz-/Kühlzonen sowie für die Druckeinstellung. Über das Datennetzwerk werden die Ist- und die Stellgrößen an den Frequenzumrichter übermittelt. Speziell entwickelte Softwarebausteine (ATHC-Bausteine) sind für die Anforderungen im Bereich der Kunststofftechnik optimiert. Durch den kostenoptimierten Aufbau, die leichte Bedienung und die einfache Einbindung in übergeordnete Automatisierungskonzepte ist diese neue Systemlösung den klassischen Lösungen deutlich überlegen.
Autowaschstraßen werden generell so ausgelegt, dass sie einen möglichst hohen Fahrzeugdurchsatz erlauben und eine optimale Trocknung der Fahrzeuge gewährleisten. Allerdings verbleiben auch heute selbst bei Einsatz modernster konturgeführter Gebläse in den Trocknerzonen noch deutlich zu viele Wassertropfen unter Türgriffen, Wischerblättern und Fahrzeugleuchten, die von Hand weggewischt werden müssen. Häufig werden Gebläsemotoren vor allem in alten Anlagen zwischen zwei Trocknungsvorgängen abrupt aus – und eingeschaltet oder sie laufen bei relativ kurzen Abständen zwischen den Fahrzeugen durch. Mit Hilfe von intelligenten Frequenzumrichtem kann der gesamte Reinigungs- und Trocknungsprozess unter Berücksichtigung einer saisonal und wetterbedingt stark schwankenden Nach frage optimiert werden. Alle Frequenzumrichter sind bereits mit der finnenspezifischen »OEC-Technologie« ausgestattet. Diese Technologie garantiert eine maximale Antriebsauslastung bei minimaler Stromaufnahme, da sich der Frequenzumrichter automatisch an das geforderte Lastverhalten der Gebläse und Lüfter anpasst und dadurch ein maximaler Wirkungsgrad der (Gesamt-) Anlage erreicht wird. Die Energieersparnis kann bis zu 60 % betragen. Bei hohem Fahrzeugdurchsatz erfasst der Frequenzumrichter automatisch die Abstände zwischen den Autos und passt die Drehzahl des Motors entsprechend an. Diese Drehzahlregelung gewährleistet eine höhere Lebensdauer der Motoren und sorgt gleichzeitig dafür, dass teure, für Wartungs- und Reparaturarbeiten einzuplanende Stillstandzeiten deutlich verringert werden.
Täglich fließen Millionen Liter Wasser durch die Haushalte. Ein ausgedehntes Kanalsystem führt das Schmutzwasser aus den Haushalten und das Regenwasser von den Dächern und den befestigten Flächen zu den Abwasserreinigungsanlagen, die es nach einer 15- bis 20-stündigen Reinigungsprozedur in hoher Qualität wieder abgeben. Bei diesem Prozess spielen insbesondere die Kosten, die Zuverlässigkeit und die Einhaltung gesetzlicher Grenz werte eine zentrale Rolle. Nur eine fortschrittliche Prozesssteuerung und eine energieeffiziente Antriebstechnik ermöglichen einen wirtschaftlichen Betrieb bei der Abwasserbehandlung. Einen wesentlichen Beitrag leisten dabei Frequenzumrichterantriebe mit intelligenten Steuer- und Regelfunktionen für Pumpen- und Lüfteranwendungen. Die drehzahlvariable Antriebstechnik ist für alle Stufen der Abwasserbehandlung entscheidend, denn es befinden sich auf dem Weg vom Rohwasserpumpwerk am Zulauf der Anlage bis hin zum Hochwasserpumpwerk am Auslauf der Anlage Hunderte von Antrieben im Einsatz. Neben dem eigentlichen Transport des Wassers und Klärschlamms werden sie auch für das Einbringen von Sauerstoff in das Wasser benötigt, den die Bakterien zum Leben benötigen. Andere Antriebe bewegen Rechen und Räumer und sorgen für die Dosierung von chemischen Zusätzen zur Abwasserbehandlung. Nur über mit Hilfe von Frequenzurmichtern optimal geregelte Antriebe kann in den zahlreichen Prozessstufen eine konstant gute Qualität des gereinigten Wassers gewährleistet werden. Ein weiterer nützlicher Effekt drehzahlvariabler Antriebe ist die erhebliche Senkung des Energieverbrauchs durch Drehzahloptimierung.
Wicklerantriebe stellen im Allgemeinen hohe Anforderungen an die Regelungs- und Antriebstechnik. Man unterscheidet Antriebe zum Auf und Abwickeln sowie Antriebe für Wickelvorgänge mit konstanter Zugspannung oder konstanter Geschwindigkeit. Für alle vier Wickelvorgänge stehen unterschiedliche Antriebs und Steuerprozesse zur Verfügung. Bei modernen Frequenzumrichtern ermöglicht der große Drehzahlstellbereich von 1: 120 einen ebenso großen Stellbereich beim Wickeln. Durch den Einsatz von Frequenzumrichtern mit integrierter SPS kann oft auf spezielle Wickelrechner (z.B. Hyperbelrechner) verzichtet werden. Zur Kommunikation werden schnelle Netzwerke eingesetzt. Alle diese eben genannten Komponenten erlauben es, kostengünstige und leistungsfähige Wickler aufzubauen. Die Papiere werden von einer übergeordneten Papiermaschine hergestellt und mit konstanter Geschwindigkeit an den Wickler weitertransportiert Die Umfangsgeschwindigkeit des Spulenhalters wird über einen Impulsgeber an der Tastwalze ermittelt und über schnelle Zähleingänge an der SPS ausgewertet. Die berechneten Sollwerte gelangen über das Netzwerk an die Frequenzumrichter, welche die Drehzahlen von Spulenhalter und Changierumrichter regeln. Auch im laufenden Betrieb ist es je derzeit möglich, spezielle Umrichterparameter zur Anpassung an verschiedene Prozesse über die Busschnittstelle zu verändern. Durch diese vernetzten drehzahlvariablen Antriebe können mittlerweile Arbeitsgeschwindigkeiten von bis zu 1 500 m/min erreicht werden.
Wie alle elektrischen Betriebsmittel muss auch ein Frequenzumrichter in seiner elektromagnetischen Umwelt fehlerfrei arbeiten und äußeren elektromagnetischen Einflüssen widerstehen. Andererseits erzeugt er im Betrieb selbst elektromagnetische Störungen, die andere Verbraucher beeinflussen können. Das Verhalten von Frequenzumrichtern unter diesem Gesichtspunkt bezeichnet man als elektromagnetische Verträglichkeit, kurz EMV. Grundsätzlich unterscheidet man dabei zwischen der Störfestigkeit und dem Störvermögen. Das Störvermögen (die Störaussendung) charakterisiert die vom Frequenzumrichter ausgehenden elektrischen bzw. elektromagnetischen Störungen. Diese werden im Wesentlichen durch die schnellen Schaltvorgänge im Leistungsteil oder durch das Takten des Prozessors verursacht. So bestimmt bei Frequenzumrichtern mit Pulsweitenmodulation die Höhe der Taktfrequenz bei der Modulation das Maß der ausgehenden Störungen. Die Störfestigkeit eines Frequenzumrichters ist sein Vermögen, äußeren elektrischen bzw. elektromagnetischen Einflüssen zu widerstehen. Hierbei wird geprüft, wie sich der Frequenzumrichter gegenüber elektrostatischen Entladungen, magnetischen Feldern und ähnlichen Störungen verhält, die von außen einwirken. Die Störungen lassen sich nach dem Weg unterscheiden, den sie für ihre Ausbreitung nehmen. So unterteilt man i n leitungsgebundene und nicht leitungsgebundene Störungen. Leitungsgebundene Störungen breiten sich vorrangig über die Netzzuleitung des Frequenzumrichters aus. Wirksames Gegenmittel ist hier der Einbau eines Funkentstörfilters direkt am Frequenzumrichter. Zur Dämpfung leitungsgebundener Störungen mit Frequenzen bis 30 MHz sind Drosseln, Kondensatoren und Filter sowie der Einsatz von abgeschirmten Leitungen geeignet. Bei den nicht leitungsgebundenen Störungen handelt es sich um hochfrequente Störungen, die sich in Form elektromagnetischer Wellen ausbreiten. Geeignete Maßnahmen für ihrem Dämpfung sind die EMV-gerechte Auslegung von Einbau und Anschluss. So sind beispielsweise alle Erdungen sehr niederohmig auszuführen und die beiden Schirmenden der geschirmten Motorzuleitung großflächig zu erden. Da die erforderlichen EMV-Maßnahmen aber stark von den eingesetzten Geräten und Komponenten abhängen, können kaum allgemein gültige Aussagen getroffen werden. In der EMV-Produktnorm für Umrichter IEC/EN 61800-3 sind die zulässigen Pegel für die leitungsgebundenen und abgestrahlten Störaussendungen im Frequenzbereich von 150 kHz bis 1 GHz definiert. Die Pegel hängen von der Kategorie und der Umgebung ab, in der die Umrichter betrieben werden. Für leitungsgebundene Störungen gelten entsprechend der zugeordneten Kategorie jeweils zwei Grenzkennlinien: Mittelwert und Maximalwert. Um die vorgegebenen Grenzwerte zu erfüllen, sind für alle Leistungsklassen der Frequenzumrichter speziell angepasste Kompakt-Funkentstörfilter (» foot print«) entwickelt worden. Wird der Frequenzumrichter am Wechselstromnetz betrieben, stehen außerdem »Built-on« Filter zur Verfügung. Diese lassen sich bequem in einem auf der Rückseite des Frequenzumrichters dafür vorgesehenen Schacht unterbringen. Zusätzlicher Platz oder die Vergrößerung der Bauform sind nicht erforderlich.
Asynchronmotor Drehfeldmotor mit asynchronem Lauf gegenüber dem Drehfeld; es tritt ein Schlupfs auf.
ATHC-Baustein (Autotuning Heating Control) spezieller Softwarebaustein zur Regelung von Kunststoffextrudern mit Autotuning und speziellen Sonderfunktionen.
Bremsbetrieb Bremsen in den Zwischenkreis, über Brems-Chopper mit Belastungswiderstand oder über Rückspeisestromrichter; Gleichstrombremsen.
Drehfeld Im Luftspalt des Motors umlaufendes Magnetfeld.
DSP Digitaler Signalprozessor zur schnellen Verarbeitung der Regel-/Steuersignale des Frequenzumrichters.
Ein-/Mehrmotorenantrieb Betrieb eines oder mehrerer Motoren an einem Frequenzumrichter. U-Umrichter sind für Mehrmotorenbetrieb geeignet.
Feldschwächbereich Durch Steigerung der Frequenzen erzielte Drehzahlerhöhung bei konstanter Spannung. Dadurch werden das Motorfeld und damit auch das Drehmoment geschwächt (Feldschwächbereich, konstante Leistung).
Geber Motoranbauten zur Erfassung der Drehzahl; lnkremental- und Absolutwertgeber.
Gleichstrombremse Aufschalten von Gleichstrom auf die Motorwicklung zum Bremsen.
Grundschwingung Erwünschte Schwingung, der meist noch Oberschwingungen überlagert sind, die oft zu störenden Pendelmomenten führen.
Hochwirkungsgradmotoren Motoren mit höherem Wirkungsgrad, deren Einsatz sich oft in wenigen Monaten amortisiert.
Lastcharakteristik Drehzahl- Drehmoment- Verlauf des Lastdrehmoments. Die wichtigsten sind: M = konstant, M – n, M – n2 und M – 1/n (P = konstant).
Läufer (Rotor) Drehender Teil des Motors, z.B. mit Kurzschlusswicklung beim Kurzschlussläufer oder PM-Polrad/Reluktanzläufer bei der Synchronmaschine. LSIC Large Scale lntegrated Circuit; Schaltkreis mit hoher lnregrationsdichte. Motormodell In der Vektorregelung einprogrammiertes Modell eines Motors mit den speziellen Parametern, z.B. R1, L1 usw.
Pendelmoment Dem konstanten Drehmoment überlagertes Drehmoment wechselnder Richtung.
PWM Pulsweitenmodulation; (sinusbewertete) Modulation der Impulsbreite bei konstanter Zwischenkreisspannung zur Erzielung sinusförmiger Motorströme.
Rampe Hochlauf- oder Bremslauframpe; Einstellung der Zeiten bei Übergangsvorgängen; werden unter Umständen selbst vorn Frequenzumrichter optimiert.
Raumzeigermodulation Bestimmtes Verfahren zur digitalen Berechnung der Pulsung der Ventile im Maschinenstromrichter, um ein gutes Drehfeld zu erreichen.
Reluktanzmotor Sonderbauart der Synchronmotoren; Einsatz oft in der Textilindustrie.
Rundlauf Aussage über die Schwankungen der Drehzahl, besonders bei kleinen Motordrehzahlen interessant.
Soft-PWM Spezielles Modulationsverfahren für geräuscharmen Motorlauf.
Schlupf Relative Differenzdrehzahl zwischen umlaufendem Drehfeld und Läufer des Asynchronmotors.
Schlupfkompensation Interne Regelung. um die Drehzahlabsenkung bei Belastung zu reduzieren.
Schnittstelle Anschlussmöglichkeit für Rechner oder Laptops zur Einstellung und Überwachung der Frequenzumrichter-Funktionen.
Schutzfunktionen z.B. Überstrom, Überlast, Kurz- und Erdschlussanzeige.
Selbstabgleich (Autotuning) Automatischer Testlauf zur Bestimmung der optimalen Antriebsparameter z.B. des Motormodells (R1. L1 usw.).
Spannungsstellbereich Stellbereich zwischen Stillstand und Bemessungsdrehzahl (Grunddrehzahl/Eckdrehzahl) des Motors (konst. Drehmoment).
SPS Speicherprogrammierbare Steuerung, neuerdings auch in den Umrichter integriert.
Ständer (Stator) Feststehender Teil des Motors mit Ständerwicklung.
Strombegrenzung Elektronische Begrenzung des Motorstroms und damit des Drehmoments.
Synchronmotor Drehfeldmotor – oft mit Permanentmagneten (PM) – mit drehfeldsynchronem Lauf.
Überlastbereich Bereich kurzzeitig (ca. 60 s) zulässiger Überlastung beim Stromrichter. z.B. während des Anlaufs.
U/f-Kennlinie Einstellung des Spannungsanstiegs bei Frequenzerhöhung im Spannungsstellbereich.
V-Umrichter Frequenzumrichter mit Spannungszwischenkreis – der Standard Umrichter.
Vektorregelung (Feldorientierte Regelung) Verfahren für höhere Anforderungen an die Drehzahlregelung und das erforderliche Drehmoment bei Drehfeldmotoren.
Ventile Elektronische Halbleiterschalter: ungesteuerte (Dioden) oder steuerbare Ventile (Transistoren BTR, MOS, IGBT) in Stromrichterschaltungen.
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