A Antrieb mit variabler Frequenz (VFD) steuert die Drehzahl und das Drehmoment eines Wechselstrommotors durch Anpassung der dem Motor zugeführten Frequenz und Spannung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Motoren, die nur mit der festen Netzfrequenz (in der Regel 50 Hz oder 60 Hz) betrieben werden, erzeugt ein Frequenzumrichter einen Ausgang mit einstellbarer Frequenz, wodurch der Motor schneller oder langsamer laufen oder einem kontrollierten Beschleunigungs- und Verzögerungsprozess folgen kann.
Einfach ausgedrückt funktioniert ein Frequenzumrichter so, dass er die eingehende Wechselstrom in Gleichstrom, wobei die Gleichspannung über den Gleichstrombus geglättet wird, und anschließend mithilfe einer elektronischen Hochgeschwindigkeits-Schalttechnik wieder in einen geregelten Wechselstromausgang umgewandelt wird. Dieser Umwandlungsprozess ermöglicht eine präzise Steuerung des Motorbetriebs und verbessert den Gesamtwirkungsgrad des Systems.
Präzise Geschwindigkeitsregelung
Passen Sie die Motordrehzahl präzise an die Produktionsanforderungen an, anstatt den Motor ständig mit voller Drehzahl laufen zu lassen.
Reduzierter Anlaufstrom
Ein Sanftanlauf reduziert hohe Einschaltströme und minimiert die Belastung von Motoren und elektrischen Systemen.
Bessere Prozesssteuerung
Sorgen Sie für einen stabilen Betrieb, indem Sie die Motordrehzahl, das Drehmoment und die Beschleunigungsprofile regeln.
Energieeinsparungen
Steigern Sie die Effizienz bei Anwendungen mit variablem Drehmoment, wie beispielsweise Pumpen und Ventilatoren, indem Sie unnötigen Stromverbrauch reduzieren.
Motorschutz
Reduzieren Sie mechanische Stöße und verlängern Sie die Lebensdauer der Anlagen durch eine sanfte Beschleunigung und einen reibungslosen Betrieb des Motors.
In diesem Leitfaden wird die gesamte Funktionsweise eines Frequenzumrichters erläutert, einschließlich der Vorgänge im Inneren des Umrichters, wie sich die Frequenz auf die Motordrehzahl auswirkt, wie die PWM-Technologie eine variable Ausgangsspannung erzeugt und wie man den richtigen Frequenzumrichter für verschiedene industrielle Anwendungen auswählt.
Was ist ein VFD?
A Antrieb mit variabler Frequenz (VFD) ist eine elektronische Motorsteuerung, die dazu dient, die Drehzahl und das Drehmoment eines Wechselstrommotors durch Veränderung der Frequenz und Spannung der dem Motor zugeführten elektrischen Energie zu regeln.
Anstatt einen Wechselstrommotor mit einer festen Netzfrequenz zu betreiben, wird in der Regel 50 Hz oder 60 Hz, Ein Frequenzumrichter erzeugt einen Ausgang mit variabler Frequenz, der eine präzise Regelung der Motordrehzahl, der Beschleunigung und der Betriebsleistung ermöglicht.
Ein Frequenzumrichter ist auch bekannt als:
Gängige Motoranwendungen
Die meisten industriellen Frequenzumrichter werden eingesetzt bei Drehstrom-Asynchronmotoren. Bei richtiger Auswahl und Konfiguration können viele Frequenzumrichter auch Permanentmagnetmotoren und andere moderne Motortypen steuern.
Grundlegendes Funktionsprinzip
Die Motordrehzahl wird hauptsächlich durch die Netzfrequenz bestimmt. Ein Frequenzumrichter passt die Ausgangsfrequenz an, um die Motordrehzahl je nach Betriebsanforderungen zu erhöhen oder zu verringern.
Wie die Frequenz die Motordrehzahl beeinflusst
↓
Niedrigere Motordrehzahl
↓
Höhere Motordrehzahl
Die Motordrehzahl kann innerhalb des sicheren Betriebsbereichs sowohl des Motors als auch der angeschlossenen mechanischen Anlage eingestellt werden.
Warum die Motordrehzahl von der Frequenz abhängt
Bei einem Wechselstrom-Induktionsmotor wird die Synchrondrehzahl nach folgender Formel berechnet:
Synchrondrehzahl (U/min) = (120 × Frequenz) / PolzahlEin 4-poliger Motor weist beispielsweise folgende Synchrondrehzahlen auf:
| Versorgungsfrequenz | Synchrondrehzahl |
|---|---|
| 10 Hz | 300 U/min |
| 25 Hz | 750 U/min |
| 50 Hz | 1500 U/min |
| 60 Hz | 1800 U/min |
Ein Asynchronmotor läuft aufgrund des Schlupfs normalerweise etwas unterhalb der Synchrondrehzahl. Die Formel verdeutlicht jedoch nach wie vor den wesentlichen Zusammenhang: Wenn sich die Frequenz ändert, ändert sich die Motordrehzahl.
Ein herkömmliches Stromnetz liefert eine feste Frequenz. In vielen Ländern beträgt diese 50 Hz, in anderen 60 Hz. Ohne Frequenzumrichter läuft der Motor in der Regel mit einer festen Drehzahl. Mit einem Frequenzumrichter erzeugt der Antrieb eine neue Ausgangsfrequenz, wodurch die Motordrehzahl an den tatsächlichen Prozessbedarf angepasst werden kann.
Wie funktioniert ein Frequenzumrichter?
Ein Frequenzumrichter arbeitet in drei Hauptstufen der Stromumwandlung:
- Gleichrichter: Wandelt eingehenden Wechselstrom in Gleichstrom um.
- Gleichstrom-Sammelschiene: Glättet den umgewandelten Gleichstrom und speichert ihn.
- Wechselrichter: Wandelt Gleichstrom wieder in Wechselstrom mit einstellbarer Frequenz um.
Wechselstromversorgung → Gleichrichter → Gleichstrombus → Wechselrichter → Wechselstromausgang mit variabler Frequenz → Motor
Stufe 1: Der Gleichrichter wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um
Der erste Abschnitt eines Frequenzumrichters ist der Gleichrichter. Es wird über das Stromnetz mit Wechselstrom fester Frequenz versorgt, beispielsweise mit 220 V einphasig, 380 V dreiphasig, 400 V dreiphasig oder 480 V dreiphasig, je nach Antriebsmodell und Region.
Der Gleichrichter verwendet leistungselektronische Bauteile wie beispielsweise:
- Dioden
- Thyristoren
- Aktive Front-End-IGBTs in modernen Antrieben
Seine Aufgabe besteht darin, Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Nach der Gleichrichtung weist die Spannung keine sinusförmige Wechselstromwellenform mehr auf. Es entsteht pulsierender Gleichstrom.
Zu diesem Zeitpunkt steuert die ursprüngliche Netzfrequenz den Motor nicht mehr direkt. Der Umrichter hat die Eingangsleistung in eine Zwischenform als Gleichstrom umgewandelt, die von der nächsten Stufe weiterverarbeitet werden kann.
Stufe 2: Der Gleichstromsammelschiene glättet und speichert Energie
Nachdem der Gleichrichter Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt hat, ist der Ausgangsstrom nicht vollständig glatt und weist weiterhin Spannungswelligkeit auf. Der Gleichstrom-Sammelschienenabschnitt filtert diese instabile Gleichspannung, speichert elektrische Energie und stellt eine stabile Stromquelle für die Wechselrichterstufe bereit.
Hauptkomponenten eines Gleichstromsammelscheins
Ein typischer Gleichstrom-Sammelschienenstromkreis eines Frequenzumrichters besteht aus mehreren wichtigen Komponenten, die zusammenwirken, um eine stabile Gleichstromversorgung aufrechtzuerhalten:
Spannungsschwankungen ausgleichen und elektrische Energie für den Wechselrichter speichern.
Stromwelligkeit reduzieren und die Stromqualität verbessern.
Begrenzen Sie den Anlaufstrom beim Start des Frequenzumrichters.
Überschüssige Energie bei Motorbremsvorgängen bewältigen.
Überwachung der Gleichspannung und Schutz der internen Komponenten.
Funktionen des Gleichstrombusses
Liefert eine konstante Stromversorgung für die Schaltvorgänge des Wechselrichters.
Filtert unerwünschte Schwankungen aus der gleichgerichteten Gleichspannung heraus.
Ermöglicht eine präzise Spannungs- und Frequenzregelung.
Sorgt für einen ruhigeren Motorlauf.
Bietet kurzfristige Energieunterstützung bei Lastschwankungen.
Zusammenhang zwischen Gleichstrom-Sammelschienenspannung
In den meisten Frequenzumrichtersystemen beträgt die Gleichstrom-Sammelschienenspannung ungefähr:
Der genaue Wert hängt von der Art der Eingangsspannung, den Lastbedingungen und der Messmethode ab.
Ein Frequenzumrichter mit einem 400 V Wechselstrom, dreiphasig erzeugt in der Regel eine Gleichstrom-Sammelspannung von etwa 540–565 V Gleichstrom unter normalen Betriebsbedingungen.
Stufe 3: Der Wechselrichter erzeugt einen Wechselstromausgang mit variabler Frequenz
Der Wechselrichter ist die Ausgangsstufe des Frequenzumrichters. Er wandelt die Gleichstrom-Sammelschienenspannung wieder in Wechselstrom um, wobei nun Frequenz und Spannung vom Umrichter geregelt werden.
Moderne Frequenzumrichter verwenden in der Regel Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter wie beispielsweise:
- IGBTs für die meisten industriellen Antriebe
- MOSFETs in einigen kleinen oder Niederspannungsantrieben
- SiC- oder GaN-Bauelemente in bestimmten hocheffizienten oder hochfrequenten Schaltungen
Diese Schalter schalten sich tausende Male pro Sekunde ein und aus. Durch die Steuerung des Zeitablaufs und der Dauer jedes Impulses erzeugt der Frequenzumrichter eine Ausgangswellenform, auf die der Motor als Wechselstrom mit der gewünschten Frequenz reagiert.
Zum Beispiel:
| Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters | Ungefähres motorisches Verhalten |
|---|---|
| 5 Hz | Sehr niedrige Geschwindigkeit |
| 20 Hz | Niedrige Drehzahl |
| 35 Hz | Mittlere Geschwindigkeit |
| 50 Hz | Nenndrehzahl in 50-Hz-Systemen |
| 60 Hz | Nenndrehzahl in 60-Hz-Systemen oder Überdrehzahl in bestimmten Anwendungen |
Auf diese Weise regelt ein Frequenzumrichter die Motordrehzahl ohne den Einsatz von Getrieben, Drosselventilen, Klappen oder mechanischen Drehzahlreglern.
So funktioniert PWM in einem Frequenzumrichter
Die meisten modernen Frequenzumrichter verwenden Pulsweitenmodulation (PWM) um die Ausgangswellenform zu erzeugen.
PWM erzeugt nicht direkt eine vollkommen glatte Sinuswelle. Stattdessen erzeugt es eine schnelle Abfolge von Spannungsimpulsen. Die Breite jedes Impulses ändert sich entsprechend der gewünschten Ausgangswellenform.
Da die Motorwicklung eine Induktivität aufweist, glättet sie die Hochgeschwindigkeitsimpulse auf natürliche Weise zu einer Stromwellenform, die für den Motorbetrieb ausreichend sinusförmig ist.
Mithilfe von PWM kann der Frequenzumrichter Folgendes steuern:
- Ausgangsfrequenz
- Ausgangsspannung
- Motorstrom
- Beschleunigung und Verzögerung
- Drehmomentverhalten
- Drehrichtung
Warum ein Frequenzumrichter sowohl die Spannung als auch die Frequenz verändert
Ein Frequenzumrichter verändert nicht nur die Frequenz. Er passt auch die Spannung an, da der Magnetfluss des Motors vom Verhältnis zwischen Spannung und Frequenz abhängt.
Diese Beziehung wird als V/F-Verhältnis.
Wird die Frequenz verringert, die Spannung jedoch zu hoch beibehalten, kann es zu einer Überflutung des Motors kommen, was zu Überhitzung und einem ineffizienten Betrieb führt. Wird die Frequenz verringert, die Spannung jedoch zu niedrig beibehalten, erzeugt der Motor möglicherweise nicht genügend Drehmoment.
Bei der einfachen V/F-Regelung senkt der Umrichter die Spannung, wenn die Frequenz abnimmt.
Beispiel für einen 400-V-Motor mit 50 Hz:
| Frequenz | Ungefähre Ausgangsspannung |
|---|---|
| 50 Hz | 400 V |
| 40 Hz | 320 V |
| 30 Hz | 240 V |
| 20 Hz | 160 V |
| 10 Hz | 80 V |
Durch die Aufrechterhaltung eines geeigneten V/F-Verhältnisses kann der Motor einen stabilen Magnetfluss und ein vorhersehbares Drehmoment aufrechterhalten.
In der Praxis kann die V/F-Kurve an die Last angepasst werden. Bei Pumpen und Ventilatoren kommt häufig eine andere Kurve zum Einsatz als bei Lasten mit konstantem Drehmoment, wie beispielsweise Förderbändern, Mischern und Hebezeugen.
Hauptkomponenten im Inneren eines Frequenzumrichters
Ein moderner Frequenzumrichter enthält sowohl Leistungselektronik als auch Steuerelektronik.
| Komponente | Funktion |
|---|---|
| Gleichrichter | Wandelt eingehenden Wechselstrom in Gleichstrom um |
| Gleichstrom-Sammelschienenkondensatoren | Gleichstrom glätten und speichern |
| Gleichstromdrossel oder Netzdrossel | Reduziert Welligkeit und Oberschwingungen in bestimmten Schaltungsausführungen |
| Wechselrichtermodul | Wandelt Gleichstrom in geregelten Wechselstrom um |
| IGBTs oder Leistungsschalter | DC-Spannung schnell schalten, um einen PWM-Ausgang zu erzeugen |
| Steuerplatine | Führt Algorithmen zur Motorsteuerung und Schutzlogik aus |
| Gate-Treiberplatine | Sendet Schaltsignale an die Leistungsbauelemente |
| Lüfter oder Kühlkörper | Leitet Wärme von Leistungskomponenten ab |
| Bremskreis | Leitet bei Bedarf regenerative Energie ab |
| Schutzschaltungen | Erkennung von Überstrom, Überspannung, Überhitzung, Phasenausfall und Erdschlüssen |
| Tastatur oder HMI | Ermöglicht die Parametereinstellung, Überwachung und Fehlerrücksetzung |
| Kommunikationsschnittstelle | Lässt sich mit SPSen, HMIs, SCADA-Systemen oder Feldbus-Netzwerken verbinden |
Gängige Steuerungsmethoden für Frequenzumrichter
Unterschiedliche industrielle Anwendungen erfordern unterschiedliche Leistungsniveaus bei der Motorsteuerung. Die gängigsten Steuerungsverfahren für Frequenzumrichter umfassen: V/F-Regelung, sensorlose Vektorregelung und Vektorregelung im geschlossenen Regelkreis. Jede Methode bietet unterschiedliche Niveaus hinsichtlich Drehmomentsteuerung, Drehzahlgenauigkeit und Ansprechverhalten.
| Steuerungsverfahren | Regelgenauigkeit | Encoder erforderlich | Typische Anwendungen |
|---|---|---|---|
| V/F-Steuerung | Grundlegend | Nein | Ventilatoren, Pumpen, HLK |
| Sensorlose Vektorsteuerung | Mittel bis hoch | Nein | Kompressoren, Förderbänder, Mischer |
| Vektorielle Steuerung im geschlossenen Regelkreis | Höchster | Ja | Aufzüge, CNC, Hebezeuge |
1. V/F-Regelung (Spannungs-/Frequenzregelung)
V/F-Regelung ist die einfachste und am weitesten verbreitete Regelungsmethode für Frequenzumrichter. Der Umrichter hält ein konstantes Spannungs-Frequenz-Verhältnis aufrecht, um die Motordrehzahl zu regeln. Er ist vor allem für Anwendungen konzipiert, bei denen keine präzise Drehmomentregelung erforderlich ist.
Am besten geeignet für:
- Niedrigere Kosten
- Einfache Einrichtung
- Stabile Grundgeschwindigkeitsregelung
- Geeignet für variable Drehmomentbelastungen
- Geringere Drehmomentgenauigkeit
- Schwache Leistung bei niedrigen Geschwindigkeiten
- Weniger präzises dynamisches Ansprechverhalten
2. Sensorlose Vektorregelung
Sensorlose Vektorregelung verbessert die Motorleistung, indem die Motordrehzahl und der Magnetfluss ohne Verwendung eines externen Encoders geschätzt werden. Im Vergleich zur einfachen V/F-Regelung bietet sie eine bessere Drehmomentsteuerung und ein schnelleres Ansprechverhalten.
- Kompressoren
- Mixer
- Förderer
- Extruder
- Werkzeugmaschinen mit moderaten Genauigkeitsanforderungen
- Bessere Drehmomententfaltung im unteren Drehzahlbereich
- Schnellere Motorreaktion
- Verbesserte Geschwindigkeitsregelung
- Es ist keine Installation eines Encoders erforderlich
3. Vektorregelung im geschlossenen Regelkreis
Vektorregelung im geschlossenen Regelkreis verwendet einen Encoder oder ein Rückmeldegerät zur Messung der Motordrehzahl und -position. Dank dieser Rückmeldung erreicht der Frequenzumrichter ein Höchstmaß an Drehzahlgenauigkeit, Drehmomentregelung und dynamischer Leistung.
- Aufzüge
- Kräne
- Hebezeuge
- CNC-Maschinen
- Wickelsysteme
- Positionierungsgeräte
- Hervorragendes Drehmoment im unteren Drehzahlbereich
- Präzise Drehzahlrückmeldung
- Starkes dynamisches Ansprechverhalten
- Geeignet für anspruchsvolle Anwendungen im Bereich der Bewegungssteuerung
Beispiel: Wie ein Frequenzumrichter bei einer Pumpe Energie spart
Frequenzumrichter eignen sich besonders gut für Kreiselpumpen und Ventilatoren, da diese Lasten den Affinitätsgesetzen folgen. Vereinfacht ausgedrückt: Wenn die Drehzahl sinkt, fällt der Leistungsbedarf wesentlich schneller ab als die Drehzahl.
Bei Zentrifugalkräften:
Der Durchfluss ist proportional zur Geschwindigkeit.
Der Druck ist proportional zur Geschwindigkeit zum Quadrat.
Die Leistung ist proportional zur Geschwindigkeit zum Kubik.Das bedeutet, dass bereits eine geringe Verringerung der Geschwindigkeit zu einer erheblichen Energieeinsparung führen kann.
Beispiel:
Wenn eine Pumpe den Prozessbedarf bei einer Drehzahl von 80% decken kann, beträgt der ungefähre Leistungsbedarf:
0,8 × 0,8 × 0,8 = 0,512Die Pumpe benötigt also etwa 51% an Leistung bei voller Drehzahl, bevor tatsächliche Verluste und Systembedingungen berücksichtigt werden.
Aus diesem Grund kann der Austausch von Drosselventilen oder Klappen durch eine Frequenzumrichtersteuerung bei geeigneten Pumpen- und Lüftersystemen zu erheblichen Einsparungen führen.
Wo Frequenzumrichter zum Einsatz kommen
Antriebe mit variabler Frequenz (VFDs) Sie finden breite Anwendung in Branchen, in denen eine regelbare Motordrehzahl die Energieeffizienz, die Prozessstabilität, die Produktionsgenauigkeit und den Anlagenschutz verbessern kann. Durch die Anpassung der Motordrehzahl an die tatsächlichen Betriebsanforderungen tragen Frequenzumrichter dazu bei, Energieverschwendung und mechanische Beanspruchung zu reduzieren.
HVAC-Systeme
Frequenzumrichter verbessern die Luftströmung und die Temperaturregelung, indem sie die Drehzahl von Ventilatoren und Pumpen bedarfsgerecht anpassen.
- Lüfter
- Fans zurückholen
- Kühltürme
- Kaltwasserpumpen
- Lüftungsgeräte (AHU)
Wasser und Abwasser
Frequenzumrichter sorgen für eine stabile Druckregelung und verbessern den Wirkungsgrad der Pumpen in Wassermanagementsystemen.
- Druckerhöhungspumpen
- Abwasserpumpen
- Bewässerungspumpen
- Schlammpumpen
- Wasserversorgungssysteme mit konstantem Druck
Herstellung
Frequenzumrichter ermöglichen eine präzise Drehzahlregelung bei Produktionsanlagen und verbessern die Konsistenz der Fertigung.
- Förderer
- Mixer
- Verpackungsmaschinen
- Extruder
- Rollen
- Werkzeugmaschinen
Öl und Gas
Frequenzumrichter tragen zur Optimierung von motorbetriebenen Hochleistungsanlagen bei und verbessern gleichzeitig die betriebliche Flexibilität.
- Kompressoren
- Förderpumpen
- Bohrgeräte
- Messsysteme
Bergbau und Schwerindustrie
Frequenzumrichter sorgen für eine zuverlässige Drehzahlregelung und verringern die mechanischen Belastungen in anspruchsvollen industriellen Umgebungen.
- Brecher
- Futterautomaten
- Hebezeuge
- Förderer
- Lüftungsventilatoren
Erneuerbare Energien und Infrastruktur
Die Frequenzumrichtertechnologie trägt zum effizienten Betrieb moderner Energie- und Infrastruktursysteme bei.
- Solarbetriebene Pumpensysteme
- Hilfssysteme für Batterie-Energiespeicher
- Zusatzausrüstung für Windkraftanlagen
- Fernwärme- und Fernkälteanlagen
Warum die Industrie Frequenzumrichter einsetzt
Reduzieren Sie den unnötigen Stromverbrauch des Motors.
Sorgen Sie für eine konstante Drehzahl und konstante Prozessbedingungen.
Den Anlaufschock und den mechanischen Verschleiß verringern.
Vorteile des Einsatzes eines Frequenzumrichters
A Antrieb mit variabler Frequenz (VFD) bietet mehr als nur eine einfache Drehzahlregelung. Durch die Steuerung der Motorfrequenz und -spannung verbessert ein Frequenzumrichter die Energieeffizienz, verringert die mechanische Belastung, erhöht die Prozessstabilität und schützt Motoren sowie angeschlossene Geräte vor abnormalen Betriebsbedingungen.
1. Energieeinsparungen
Für Anwendungen mit variablem Drehmoment, wie zum Beispiel Zentrifugalpumpen und Ventilatoren, Ein Frequenzumrichter passt die Motordrehzahl an den tatsächlichen Systembedarf an, anstatt den Motor kontinuierlich mit voller Drehzahl laufen zu lassen.
2. Sanftanlauf
Das herkömmliche Direktstartverfahren kann hohe Einschaltströme und plötzliche mechanische Stöße verursachen. Ein Frequenzumrichter erhöht die Motordrehzahl schrittweise durch kontrolliertes Beschleunigen und Abbremsen, wodurch die Belastung der elektrischen und mechanischen Systeme verringert wird.
Ein Sanftanlauf trägt zum Schutz bei:
3. Präzise Drehzahlregelung
Ein Frequenzumrichter ermöglicht eine flexible Drehzahlregelung des Motors über verschiedene Eingabemethoden und eignet sich daher für automatisierte industrielle Systeme.
4. Bessere Prozesssteuerung
Anstatt auf mechanische Drosselvorrichtungen, Bypassventile oder manuelle Einstellungen zurückzugreifen, regelt ein Frequenzumrichter die Motorleistung direkt entsprechend den Prozessanforderungen.
- Verbesserte Prozessstabilität
- Weniger Material- und Energieverschwendung
- Präzisere Produktionssteuerung
5. Schutz von Motor und Ausrüstung
Die meisten modernen Frequenzumrichter verfügen über integrierte Schutzfunktionen, die dazu beitragen, Motorschäden zu verhindern und die Zuverlässigkeit des Systems zu verbessern.
Einschränkungen und gestalterische Überlegungen
Ein Frequenzumrichter ist leistungsstark, muss aber richtig eingesetzt werden.
Zu den üblichen Überlegungen gehören:
- Höhere Anschaffungskosten als beim Direktstart
- Harmonische Verzerrungen in der Stromversorgung
- Elektromagnetische Störungen
- Belastung der Motorisolierung durch schnelle Spannungsanstiegszeit
- Lagerströme in einigen Anlagen
- Zusätzliche Wärmeentwicklung bei niedriger Motordrehzahl, wenn der Motorlüfter auf der Welle montiert ist
- Bei langen Motorkabelstrecken können Ausgangsfilter erforderlich sein
- Eine korrekte Erdung und Abschirmung sind wichtig
Bei kritischen Systemen sollte der Frequenzumrichter unter Berücksichtigung des Motors, der Last, der Kabellänge, des Gehäuses, der Kühlung und der elektrischen Umgebung ausgewählt werden.
Frequenzumrichter vs. Sanftanlasser
Ein Sanftanlasser reduziert den Anlaufstrom und sorgt für eine gleichmäßige Beschleunigung, ermöglicht jedoch in der Regel keine stufenlose Drehzahlregelung, sobald der Motor seine volle Drehzahl erreicht hat.
| Merkmal | VFD | Sanftanlasser |
|---|---|---|
| Reduzierung des Anlaufstroms | Ja | Ja |
| Stufenlose Drehzahlregelung | Ja | Nein |
| Energieeinsparung bei Pumpen und Ventilatoren | Hohes Potenzial | Begrenzt |
| Drehmomentsteuerung | Besser | Grundlegend |
| Rückwärtssteuerung | In der Regel vorrätig | Eingeschränkt oder extern |
| Kosten | Höher | Unter |
| Optimaler Anwendungsfall | Betrieb mit variabler Drehzahl | Sanftanlauf mit konstanter Drehzahl |
Wählen Sie eine VFD wenn der Prozess eine Drehzahlregelung oder Energieeinsparungen durch eine reduzierte Motordrehzahl erfordert.
Wählen Sie eine Softstarter wenn der Motor mit konstanter Drehzahl läuft und lediglich ein sanfteres Anlaufen und Anhalten benötigt.
So wählen Sie den richtigen Frequenzumrichter aus
Die richtige Auswahl Antrieb mit variabler Frequenz (VFD) erfordert mehr als nur die richtige Motorleistung. Die Wahl des richtigen Frequenzumrichters hängt von mehreren Faktoren ab, darunter Motorstrom, Eingangsspannung, Lastcharakteristik, Überlastanforderungen, Einbauumgebung und erforderliche Regelungsleistung.
1. Den Motorstrom anpassen
Der wichtigste Faktor bei der Auswahl eines Frequenzumrichters ist der Motor, Volllaststrom (FLC). Wählen Sie einen Frequenzumrichter mit einem Nennausgangsstrom, der mindestens dem Nennstrom des Motors entspricht.
2. Eingangsleistung bestätigen
Frequenzumrichter sind für bestimmte Eingangsspannungssysteme ausgelegt. Vergewissern Sie sich stets, dass die verfügbare Stromversorgung den Eingangsspezifikationen des Frequenzumrichters entspricht.
3. Lastart ermitteln
Motorbetriebene Lasten werden im Allgemeinen in drei Kategorien unterteilt. Die Auswahl des richtigen Lasttyps stellt sicher, dass der Frequenzumrichter ein ausreichendes Drehmoment und eine ausreichende Überlastfähigkeit bereitstellt.
| Lasttyp | Beispiele | Hinweis zur Auswahl von Frequenzumrichtern |
|---|---|---|
| Variables Drehmoment | Ventilatoren, Kreiselpumpen | Die Nennleistung für den Normalbetrieb ist oft ausreichend |
| Konstantes Drehmoment | Förderbänder, Mischer, Extruder | Möglicherweise ist eine höhere Überlastfestigkeit erforderlich |
| Hochleistungs- | Brecher, Hebezeuge, Pressen | Wählen Sie ein hohes Anlaufdrehmoment und eine hohe Überlastfestigkeit |
4. Wählen Sie die Steuerungsmethode aus
Geeignet für einfache Ventilatoren, Pumpen und eine grundlegende Drehzahlregelung.
Bietet ein besseres Drehmoment- und Drehzahlverhalten ohne Encoder-Rückmeldung.
Wird für Anwendungen eingesetzt, bei denen es auf präzise Drehzahl, Position und Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen ankommt.
5. Überprüfen Sie die Installationsumgebung
Die Umgebungsbedingungen wirken sich unmittelbar auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Frequenzumrichtern aus. Berücksichtigen Sie die folgenden Faktoren:
6. Überprüfung der Kabellänge und der EMV-Anforderungen
Lange Motorkabel können die Spannungsbelastung durch reflektierte Wellen sowie elektromagnetische Störungen (EMI) erhöhen. Je nach Einbausituation können zusätzliche Schutzkomponenten erforderlich sein.
7. Berücksichtigen Sie Kommunikation und Integration
Stellen Sie bei industriellen Automatisierungssystemen sicher, dass der Frequenzumrichter die erforderlichen Kommunikationsprotokolle unterstützt.
Häufige Störungen bei Frequenzumrichtern und was sie in der Regel bedeuten
| Fehler | Gemeinsames Anliegen |
|---|---|
| Überstrom | Kurze Beschleunigungszeit, blockierte Last, Motorfehler, falsche Motorparameter |
| Überspannung | Schnelle Verzögerung, regenerative Belastung, hohe Eingangsspannung |
| Unterspannung | Niedrige Versorgungsspannung, Phasenausfall, schwache Stromquelle |
| Übertemperatur | Mangelhafte Belüftung, hohe Umgebungstemperatur, überlasteter Antrieb |
| Erdschluss | Beschädigtes Motorkabel, Ausfall der Motorisolierung, Feuchtigkeit |
| Motorüberlastung | Falsche Stromeinstellung, überlastete Maschine, unzureichende Kühlung |
| Kommunikationsfehler | Verkabelungsproblem, falsche Protokolleinstellung, SPS-Konfigurationsfehler |
Diese Fehler sollten nicht wiederholt behoben werden, ohne die Ursache zu ermitteln. Ein wiederkehrender Fehler deutet in der Regel auf ein Systemproblem hin und nicht nur auf ein Problem mit dem Laufwerk.
FAQ
Ein Frequenzumrichter regelt die Motordrehzahl, indem er die Frequenz der dem Motor zugeführten Wechselspannung verändert. Eine niedrigere Frequenz führt zu einer niedrigeren Motordrehzahl. Eine höhere Frequenz führt zu einer höheren Motordrehzahl, sofern diese innerhalb des sicheren Betriebsbereichs des Motors liegt.
Ja, insbesondere bei Kreiselpumpen und Ventilatoren, bei denen die Last nicht immer die volle Drehzahl erfordert. Durch die Anpassung der Motordrehzahl an den Bedarf kann ein Frequenzumrichter den Stromverbrauch erheblich senken. Die tatsächlichen Einsparungen hängen von der Art der Last, den Betriebsstunden, der Anlagenauslegung und der Regelungsstrategie ab.
Nicht jeder Motor eignet sich für den Betrieb mit einem Frequenzumrichter. Viele moderne Drehstrom-Asynchronmotoren sind mit Frequenzumrichtern kompatibel, ältere Motoren können jedoch Einschränkungen hinsichtlich Isolierung, Kühlung oder Lagern aufweisen. Beachten Sie stets die Hinweise des Motorherstellers.
In der industriellen Motorsteuerung werden diese Begriffe oft synonym verwendet. Technisch gesehen ist der Wechselrichter ein Bauteil innerhalb des Frequenzumrichters, der Gleichstrom wieder in Wechselstrom umwandelt. Der komplette Frequenzumrichter umfasst außerdem den Gleichrichter, den Gleichstrombus, das Steuerungssystem, die Schutzschaltungen und die Benutzerschnittstelle.
Die Gleichstrom-Sammelschienenspannung hängt von der Eingangsspannung und der Auslegung des Umrichters ab. Als allgemeines Beispiel lässt sich anführen, dass eine dreiphasige Eingangsspannung von 400 V unter normalen Bedingungen häufig eine Gleichstrom-Sammelschienenspannung von etwa 540 bis 565 V DC erzeugt.
Viele Motoren sind mit einem direkt auf der Welle montierten Lüfter ausgestattet. Bei niedriger Drehzahl dreht sich der Lüfter ebenfalls langsam, wodurch der Kühlluftstrom abnimmt. Für den Dauerbetrieb bei niedriger Drehzahl kann ein separat gespeister Lüfter oder ein für den Betrieb mit Frequenzumrichter ausgelegter Motor erforderlich sein.
Ein Frequenzumrichter ist die bessere Wahl, wenn eine stufenlose Drehzahlregelung, Energieeinsparung oder eine präzise Prozesssteuerung erforderlich ist. Ein Sanftanlasser ist in der Regel die bessere Wahl, wenn der Motor lediglich sanft an- und abgesetzt werden muss, aber mit konstanter Drehzahl läuft.
Schlussfolgerung
Ein Frequenzumrichter wandelt Wechselstrom mit fester Frequenz in Gleichstrom um und wandelt diesen Gleichstrom anschließend wieder in Wechselstrom mit variabler Frequenz um. Durch diesen Vorgang kann der Umrichter die Motordrehzahl, das Drehmoment, die Beschleunigung, die Verzögerung sowie Schutzfunktionen wesentlich flexibler steuern als beim Direktbetrieb des Motors.
Die wichtigsten Arbeitsschritte sind:
- Der Gleichrichter wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um.
- Die Gleichstromschiene glättet und speichert Energie.
- Der Wechselrichter nutzt PWM, um einen geregelten Wechselstromausgang zu erzeugen.
- Das Steuerungssystem passt Frequenz und Spannung an den Motor und die Last an.
Bei Pumpen, Ventilatoren, Förderbändern, Kompressoren, HLK-Anlagen, in der Wasseraufbereitung, in der Fertigung und bei vielen anderen Anwendungen kann ein richtig ausgewählter Frequenzumrichter den Wirkungsgrad verbessern, die mechanische Belastung verringern und eine bessere Prozesssteuerung ermöglichen.
Berücksichtigen Sie bei der Auswahl eines Frequenzumrichters stets den Motorstrom, die Eingangsspannung, die Art der Last, die Überlastfestigkeit, die Steuerungsart, die Kabellänge, die Umgebungsbedingungen und die Kommunikationsanforderungen. Ein Frequenzumrichter ist nicht nur ein Drehzahlregler, sondern ein komplettes System zur Motorsteuerung und zum Motorschutz.
Literaturverzeichnis und weiterführende Literatur
- IEC 61800-Reihe: Elektrische Antriebssysteme mit einstellbarer Drehzahl
- NEMA MG 1: Motoren und Generatoren
- ABB-Technischer Leitfaden Nr. 4: Leitfaden zu Frequenzumrichtern
- Anwendungsleitfäden für Frequenzumrichter von Schneider Electric
- Informationen des US-Energieministeriums zu Antriebssystemen und drehzahlgeregelten Antrieben
- Google Search Central: Erstellung hilfreicher, zuverlässiger und nutzerorientierter Inhalte
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