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Frequenzumrichter MB

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 Netzfrequnez beträgt permanent 50 Hz, die Polzahl legt der Motorbauer fest. Um ein einigemaßen akzeptables Fahrverhalten beim Beschleunigen und Verzögern zu erzielen, wurden sekundär wirkende Einrichtungen - also Kunstgriffe - angewendet:

  1. 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 gebracht werden, das auch wieder abgebremst werden muss ("Abfallprodukt": Wärmeenergie).

  2. Betrieb mit Spezialmotoren: Diese verfügen über getrennte Wicklungen. womit, je nach Polzahl, unterschiiedliche (Fest-)Drehzahlen erzeugt werden.

  3. 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.

  4. 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". Dabbei 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 permanet mitläuft, um die schlagartig entstehenden hohe  Wärmeenergiemengen abzuführen. Auch diese Technik ist nicht als "energieeffizient" einzustufen!

Drehzahlwechsel sind deshalb sehr schwierig zu realisieren. Die Netzbelastung mit den hohen Stromspitzen (bis zum 8-fachen des Motornennstromes!) ist nicht zu vernachlässigen. Dementsprechend müssen Trafostationen, Zuleitungen u.s.w. ausgelegt sein.

Eine Analyse des Energieverbrauches eines Antriebes (Lüfter, Pumpen, Hydraulikaggregate, Werkzeugmaschinen u.s.w.) kann teilweise sehr Erschreckendes zu Tage fördern. Zukünftig wird auch der Energieverbrauch einer Anlage eine wesentlich höhere wirtschaftliche Bedeutung erhalten. Die neue VDI Richtlinien  (z.B. 4707 als Entwurf) weisen auf diese Merkmale hin. Tatsache ist, dass bis auf sehr wenige Ausnahmen Maschinensysteme mehr oder weniger ausgeprägte Energieverschwender sind.

Kernfrage sollte immer sein:  Wozu wird eigentlich die Energie gebraucht? Antwort: Ausschließlich für dien motorische n Antrieb und zum Beschleunigungswechsel! Nur unter diesem ehrlichen Umweltaspekt (ernergetischer Wirkungsgrad) sollte eine Anlage konstruiert und betrieben werden!

Auch beim generatorischen Betrieb wird dem System Energie zugeführt bzw. die anfallende Energie wird nicht wiederverwendet. Letztendlich wird Wärmeenergie unkontrolliert produziert, die mit zusätzlichem Aufwand  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 proprtional zur Ausgangsfrequenz.  Das Motordrehmoment ist weitgehend konstant. Daher sind Schwungscheiben und andere Masseträgheitsmomente an Elektromotoren weitgehend 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 (Bremsebetrieb) entsheht 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 ggf. eine Drehzahl = 0 U/min  bei geöffneter Bremse erzielen.

Die Umrichter von YASKAWA verfügen über eine innovative Technolgie, die es ermöglicht, durch Parallelschaltung eines zweiten Umrichters mit entsprechenden Schutzmaßnahmen die anfallende Energie nahezu verlustfrei in das Netz zurückzuspeisen.

Bei Hochleistungsantrieben kann man auch die Gleichstromzwischenkreise unter Einbeziehung von Sicherheitseinrichtungen von den jeweiligen Einzelumrichtern zusammenschalten. Es findet quasi ein "Umpumpen" von generatorisch anfallender Energie eines Aufzuges in den Aufzug,  der motorisch fährt.

Die letzten beiden Punkte sind sehr wichtig, wenn geplant wird, wichtige  Systeme 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

  • effizientere Leistungsaufnahme

  • mehr aktive und passive Sicherheit (integrierte Überwachungseinrichtungen!)

  • geringere Wärmeentwicklung

  • geringere Lärmemission 

  • Reproduzierbarkeit von Positionieraufgaben

  • Einsatz von Synchronmaschinen (sog. Servo-Antriebe) mit sehr hohem Wirkungsgrad

  • Einsatz von langsamlaufenden Asynhron-Motoren

  • Streckung der Instandsetzungsintervalle für übrige Anllagenteile

  • Erweiterungsmöglichkeiten z.B. für Netzrückspeisung

  • Beibehaltung der hausseitigen Einspeisung

  • Streckung der wirtschaftlichen Lebensdauer eines Mascinen/Anlagensystems

Zum Einsatz kommen i.d.R. die Standardfrequenzumrichter A1000 (YASKAWA). Bei Standardanwendungen ist der Betrieb mit der vorhandenen Hardware völlig ausreichend. Wenn dieser entsprechennd der jeweiligen Hersteller-Beschreibung (open loop, closed loop, Servo-Antriebe) parametriert wird, erfüllt er seine Aufgaben zu vollen Zufriedenheit. Für weniger anspruchsvolle Aufgaben steht der  V1000 (YASKAWA) zur Verfügung.


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