Frequenzumrichter allgemein
Betrachtungen zum Einsatz von Frequenzumrichter
In der Vergangenheit wurden im Masseneinsatz vorrangig Drehstromantriebe verwendet. Im Gegensatz zum Gleichstromantrieb ist die Drehzahl eines Drehstrommotors primär von der Frequenz und Polanzahl abhängig. Die Netzfrequenz beträgt in Mitteleuropa permanent 50 Hz, die Polzahl legt der Motorhersteller fest. Um ein einigermaßen akzeptables Fahrverhalten von Aufzügen beim Beschleunigen und Verzögern zu erzielen, wurden sekundär wirkende Einrichtungen - also Kunstgriffe - angewendet:
- Betrieb mit Schwungscheibe zum Erzielen von weichen Übergängen. Energetisch betrachtet handelt es sich um die reinste Energieverschwendung, denn es muss zusätzlich Energie in das System zum Beschleunigen gebracht werden, das auch wieder abgebremst werden muss ("Abfallprodukt": Wärmeenergie).
- Betrieb mit Aufzugspezialmotoren: Diese verfügen über 2 getrennte Wicklungen. Somit sind 2 Geschwindigkeiten erzielbar („polumschaltbar“). Die Ankerkonstruktion ist so ausgelegt, dass ein hoher Schlupf entsteht. Der Schlupf bedingt damit eine zusätzliche Verzögerung der Motordrehzahl beim Beschleunigungswechsel. Nachteil: Höherer Energieverbrauch durch schlechteren Motorwirkungsgrad mit Wärmeentwicklung.
- Betrieb mit spezifizierten Anlasswiderständen: Durch Vorschalten von Widerständen wird beim Drehzahlwechsel der elektrische Energiefluss verändert. Die Motore müssen so ausgelegt sein, dass zum Starten das notwendige Drehmoment aufgebaut und garantiert wird.
- Einsatz von Phasenanschnittgeräten: Im Grunde nicht anderes als ein Vorwiderstand der variabel als Regelkreis die Motorspannung beeinflusst. Zur Drehmomentbildung muss der Motor entsprechend von der Leistung (grobe polytechnische Umschreibung: P = Spannung x Strom) ausgelegt sein. Gebremst wird mit der sog. Wirbelstrombremse. Mit einem starken elektrischen Gegenfeld wird der Motor von der schnellen auf die langsamere Drehzahl "heruntergezogen". Dabei wird der Motor sehr hart mechanisch und thermisch belastet. Die niedrigfrequenten Geräusche verbreiten sich sehr schnell im Baukörper. Eine zusätzliche Geräuschkulisse entsteht dadurch, dass die Fremdbelüftung an der Maschine nahezu permanent mitläuft, um die schlagartig entstehenden hohen Wärmeenergiemengen abzuführen. Auch diese Technik ist nicht als "energieeffizient" einzustufen!
Bis auf Pkt.4 bedeutet der relativ schnelle Drehzahlwechsel neben dem schlechten Fahrkomfort eine enorme Belastung für Getriebe, Treibscheibe und Seile. Die Netzbelastung mit den hohen Stromspitzen (bis zum 8-fachen des Motornennstroms!) ist nicht zu vernachlässigen. Dementsprechend müssen vorgeschaltete Trafostationen, Zuleitungen u.s.w. ausgelegt sein.
Eine Analyse des Energieverbrauches eines Aufzuges kann teilweise sehr Erschreckendes zu Tage fördern. Zukünftig wird auch der Energieverbrauch einer Aufzugsanlage eine wesentlich höhere wirtschaftliche Bedeutung erhalten.
Die neue VDI Richtlinie 4707 weist auf diese Merkmale hin. Tatsache ist, dass bis auf sehr wenige Ausnahmen, Aufzugsanlagen Energieverschwender sind.
Kernfrage sollte immer sein: Wofür wird die Energie primär gebraucht?
Antwort: Ausschließlich für die motorische Fahrt und zum Beschleunigungswechsel! Nur unter diesem ehrlichen Umweltaspekt (energetischer Wirkungsgrad) sollte eine Anlage konstruiert und betrieben werden!
Auch bei der Aufwärtsfahrt (Korb leer - Gegengewicht zieht) wird dem System Energie zugeführt bzw. die anfallende generatorische Energie wird nicht wiederverwendet. Letztendlich wird Wärmeenergie unkontrolliert produziert, die mit zusätzlichem Aufwand aus dem Maschinenraum abgeführt werden muss. Grundsätzliche Abhilfe schafft nur der Einsatz eines Frequenzumrichters, weil er direkt als Drehzahlregler (closed loop - mit aktivem Soll- und Ist-Wertvergleich) auf die drehzahlbestimmende Variable "Frequenz" zugreift. Die Ausgangsspannung des Umrichters ist proportional zur Ausgangsfrequenz. Das Motordrehmoment ist weitgehend konstant.
Daher sind Schwungscheiben und andere Masseträgheitsmomente überflüssig. Das gesamte System nimmt weniger Energie auf. Die max. Ströme werden auf den Wert (ca.) 2 begrenzt. Die Maschine heizt sich nicht mehr auf, es muss keine Wärme abgeführt werden. Im generatorischen Betrieb (Bremsen, Aufwärtsfahrt leer) entsteht elektrische Energie.
Aus Kosten- / Nutzenvergleichsgründen werden bei den Umrichtern meistens sog. Bremswiderstände eingesetzt, die die anfallende (aber wesentlich weniger als im Vergleich zu 1-4) Energiemenge in Wärme umwandeln. Durch den geregelten Betrieb lässt sich auch eine Drehzahl = 0 U/min bei geöffneter Bremse erzielen.
Die angebotenen Frequenzumrichter verfügen über die innovative Technologie, die es ermöglicht, durch Einbindung einer speziellen DC-Zwischenkreisbetriebenen Rückspeiseeinheit D1000 (YASKAWA) mit entsprechenden Schutzmaßnahmen die anfallende Energie nahezu verlustfrei in das Netz zurückzuspeisen.
Bei Hochleistungsanlagen (z.B. Gruppen) können die Gleichstromzwischenkreise unter Einbeziehung von Sicherheitseinrichtungen der Einzelumrichter zusammengeschaltet werden. Es findet quasi ein "Umpumpen" von generatorisch anfallender Energie eines Aufzuges in den Aufzug, der motorisch fährt, statt.
Die letzten beiden Punkte sind sehr wichtig, wenn geplant wird, Aufzüge mit Frequenzumrichtern in Gebäuden einzusetzen, die über Notstromversorgungen (z.B. Diesel) verfügen.
Aber aufgepasst!: Nicht jeder Umrichter "verträgt" sich mit einem vorhandenen Motor! Ein wesentliches Qualitätsmerkmal ist die "Form" der Ausgangsspannung. Die durch das Schalten der IGBT entstehenden Peaks (schneller dU/dt Anstieg - nicht gut für die Isolation der Motorwicklung!) müssen weitgehend mit Hardware-Aufwand eliminiert werden. Es gibt Anbieter, die verzichten darauf und schreiben den zwingenden Einsatz (!) von (externen) Motorfiltern vor. Ein qualitativ hochwertiges Gerät benötigt nur in Ausnahmefällen diese zusätzlichen Einrichtungen.
Unser ältester Motor (Siemens-Halske, Baujahr 1925) fährt seit 1996 anstandslos mit einem Umrichter....
Vorteile eines Umrichtereinsatzes:
- geringere Anlaufstromspitzen
- geringere Leistungsaufnahme
- erweiterte aktive und passive Sicherheit
- geringere Wärmeentwicklung
- geringere Lärmemission
- Weiches, kultiviertes Fahrverhalten
- Reproduzierbarkeit der korrekten Bündigkeit
- Einsatz von Synchronmaschinen (sog. Servo-Antriebe) mit sehr hohem Wirkungsgrad
- Einsatz von langsamlaufenden Asynchron-Maschinen
- Streckung der Instandsetzungsintervalle für Bremse, Getriebe, Treibscheibe, Tragseile
- Erweiterungsmöglichkeiten für Nachtfahrprogramme, Evakuierung, Netzrückspeisung
- Beibehaltung der hausseitigen Einspeisung
- Streckung der wirtschaftlichen Lebensdauer einer Aufzugsanlage
Zum Einsatz kommen i.d.R. die Standardfrequenzumrichter der Serie L1000A (Seilaufzüge / YASKAWA). L1000H (Hydraulikaufzüge / YASKAWA) L1000V (ungeregelte Seilaufzüge mit Asynchronmaschinen / YASKAWA). Bei Standardanwendungen ist der Betrieb mit der vorhandenen Hardware völlig ausreichend. Wenn dieser entsprechend der jeweiligen Herstellerbeschreibung (open loop, closed loop, Servo-Antriebe, closed loop ) parametriert wird, erfüllt er seine Aufgaben zu vollsten Zufriedenheit.
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