Ein Frequenzumrichter, der die verschiedenen Motortechnologien für alle Lastfälle, in allen Leistungsbereichen und Arbeitspunkten antreibt. (Bild: Danfoss)
Gesetzliche Vorgaben und wirtschaftliche Notwendigkeit von Energieeffizienz haben die Motorenentwicklung beflügelt. Viele Motorvarianten drängen auf den Markt und werben mit der höchsten Energieeffizienz. Allerdings darf man die Rechnung nicht ohne die Motoransteuerung machen.
In der EU legt die Verordnung (EG) Nr. 640/2009 Mindestwirkungsgrade, deren aktuelle Grenzwerte für IE1 (niedrigste Klasse) bis IE3 aus der IEC/EN 60034-30 übernommen wurden, für Elektromotoren fest. Die Verordnung (EU) Nr. 4/2014 erweiterte den Geltungsbereich dieser Mindestwirkungsgrade erneut, sodass immer mehr Motoren diese Vorgaben einhalten müssen. Anfang 2014 verabschiedeten die verantwortlichen Stellen mit der IEC/EN 60034-30-1 eine überarbeitete Version des Standards IEC/EN 60034-30. Diese Revision definiert unter anderem Grenzwerte für IE4 und erwähnt mögliche Grenzwerte für IE5, die aber beide nicht im Gesetz verankert und somit nicht verpflichtend sind.
Um die Mindestwirkungsgrade zu erreichen, sind teilweise Veränderungen an den bestehenden Motortechnologien notwendig. In der Regel führt das zum Einsatz von mehr Blechen und Kupfer. Aber auch neue Technologien und überarbeitete und optimierte ältere Konzepte finden in Verbindung mit Frequenzumrichtern mehr Beachtung. So ist der Anwender heute mit vielen Trends und Entwicklungen rund um die energieeffiziente Antriebstechnik konfrontiert, darunter der Drehstrom-Asynchronmotor (DASM), Permanentmagnetmotor (PM) und Synchron-Reluktanzmotor (SynRM) als die drei wichtigsten Motortypen.
So funktioniert ein Frequenzumrichter
Allgemein gesprochen regeln Frequenzumrichter (FU) Elektromotoren und elektrischen Antriebe. Dabei besteht die Hauptaufgabe eines Frequenzumrichters darin, dass er die gleichförmige Wechselspannung aus dem Stromnetz in eine Wechselspannung umwandelt, deren Amplitude und Frequenz veränderbar ist. Durch die Steuerung von Frequenz und Spannung ist eine stufenlose Regelung der Drehzahl bzw. des Moments beim Drehstrommotor möglich. Darüber hinaus lässt sich mit einem Frequenzrichter die Drehrichtung direkt wechseln.
Würde man einen Drehstrommotor direkt an einem Drehstromnetz anschließen, so würde dieser nur mit der für die Netzfrequenz typischen Konstantdrehzahl laufen. Eine Drehzahlregelung wäre nicht möglich. Es gibt stromgeführte Frequenzumrichter, die für Anwendungen im oberen Megawattbereich geeignet sind, und spannungsgeführte Frequenzumrichter, die im unteren Megawatt- oder im Kilowattbereich eingesetzt werden. Aus der Industrie sind Frequenzumrichter nicht mehr wegzudenken, sie werden unter anderem bei Pumpen- und Lüfterantrieben, Kränen, Transport- und Montagebändern eingesetzt. Eine typische Anwendung für Frequenzumrichter sind drehzahlregelbare Frässpindeln für CNC Maschinen.
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Was ist ein Frequenzumrichter und wie ist er aufgebaut?
Ein Frequenzumrichter ist ein elektronisches Gerät, das zur Steuerung und Regelung der Frequenz und Spannung einer Wechselstromquelle verwendet wird. Ein Frequenzumrichter wird häufig zur Steuerung und Regelung der Drehzahl von Elektromotoren in industriellen Anwendungen eingesetzt.
Ein Frequenzumrichter besteht normalerweise aus drei Hauptkomponenten:
- Gleichrichter: Der Gleichrichter wandelt den Wechselstrom in Gleichstrom um. Mit diesem Gleichstrom werden der Umrichter und der Motor versorgt.
- Zwischenkreis: Der Zwischenkreis ist ein Schaltelement zwischen Gleichrichter und Wechselrichter. Er speichert die vom Gleichrichter gelieferte Energie und gibt sie an den Wechselrichter weiter. Der Zwischenkreis besteht aus Kondensatoren, die die Gleichspannung speichern und glätten können.
- Wechselrichter: Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom in eine variable Wechselspannung und -frequenz um, die dem Elektromotor zugeführt wird. Der Wechselrichter besteht aus einer Reihe von Transistoren, die in der Lage sind, die Gleichspannung des Zwischenkreises in eine variable Wechselspannung und -frequenz umzuwandeln.
Zusätzlich zu diesen Hauptkomponenten enthält ein Frequenzumrichter häufig eine Steuereinheit, die den Betrieb des Frequenzumrichters überwacht und regelt. Die Steuereinheit kann auch eine Schnittstelle für die Programmierung und Überwachung des Frequenzumrichters durch den Bediener bereitstellen.
Welche 3 Motortechnologien dominieren
Alle derzeit verfügbaren Motortechnologien haben bei identischer Effizienzklasse einen vergleichbaren Wirkungsgrad – im Nennpunkt. Deutliche Unterschiede gibt es dagegen beispielsweise beim Anlaufverhalten oder im Teillastbetrieb. Hinzu kommen Aspekte, wie Anschaffungskosten, Baugrößen oder die notwendige Steuerelektronik, die bei der Nachrüstung in bestehenden Maschinen und Anlagen eine Rolle spielen. Doch wo liegen die Stärken und Schwächen der Motorkonzepte?
Die Drehstromasynchronmaschine nutzt die Lorentzkraft: Durch die Abstoßung eines stromdurchflossenen Leiters, der sich in einem Magnetfeld befindet, entsteht die Drehbewegung. Die Statorwicklung ist mit Kupfer ausgeführt, während der Rotor als Kurzschlussläufer mit einem Käfig aus Aluminium oder Kupfer(-stäben) ausgeführt ist. Mit diesem Antriebsprinzip lassen sich Wirkungsgradklassen bis IE4 bei einem Betrieb direkt am Netz erreichen.
Um den Wirkungsgrad zu steigern, setzen Hersteller oft bessere Belchqualitäten oder mehr Bleche beim Aufbau von Ständer und Rotor ein. Dabei bemühen sich alle Hersteller, die IEC-Anschlussmaße einzuhalten, um für die Kompatibilität mit Motoren in älteren Anlagen zu sorgen. Daher sind die Anschlussmaße (Fußabstand, Wellenhöhe, Wellendurchmesser) in der Regel gleich, nur der Statordurchmesser fällt teilweise größer aus. Eine reibungslose Funktion und eine optimale Drehzahlregelung mit Frequenzumrichtern sind gewährleistet. In der Praxis treten Probleme nur dann auf, wenn das Isolationssystem des Motors für die gepulste Ausgangsspannung des Umrichters ungeeignet ist.
Der Permanentmagnet-erregte Motor (PM-Motor) besitzt im Rotor eingebaute Magnete anstatt des Käfigläufers. Im einfachsten Fall ist der Stator identisch mit einer Asynchronmaschine. PM-Motoren sind Synchronmotoren, das heißt es gibt keinen Schlupf zwischen Rotor- und Statordrehfeld. Für die notwendige Magnetisierung des Rotors sorgen die Magnete, was verlustlos geschieht. Das reduziert die Rotorverluste und erhöht den Wirkungsgrad des Motors, speziell bei niedriger Drehzahl.
Aktuelle PM-Motoren erreichen IE3 und IE4, bauen aber im Vergleich zu Asynchronmotoren mit ähnlichen Wirkungsgraden ein bis zwei Standardbaugrößen kleiner. Die Motoren funktionieren ohne Probleme am Frequenzumrichter, sofern dieser über eine geeignete Regelung verfügt. So muss für einen optimalen Betrieb immer die aktuelle Rotorposition exakt bestimmt werden. Während ein DASM eine falsche Magnetisierung oft verzeiht, führt das beim PM-Motor schnell zu Situationen in der der Motor stehen bleibt. Generell können Regelungen unterschieden werden in solche, die für die Bestimmung der Rotorposition Sensoren verwenden, und solche, die sensorlos arbeiten. Varianten des PM-Motors, die am Netz anlaufen können, benötigen zusätzlich eine Kurzschlusswicklung im Rotor. Diese Dämpferwicklung wirkt sich jedoch negativ auf das Anlaufverhalten und den Wirkungsgrad des Motors bei Umrichterbetrieb aus.
Beim Synchron-Reluktanzmotor (SynRM) handelt es sich um eine seit langem bekannte Technologie. In der Vergangenheit auf Drehmoment oder Baugröße optimiert, liegt heute der Fokus auf einem energieeffizienten Design. Die Motoren nutzen die Reluktanzkraft, die aus einer Änderung des magnetischen Widerstands resultiert. Spezielle Schnittmuster der Rotorbleche führen die Magnetlinien im Innern des Rotors und erzeugen so ein Reluktanzmoment. Der Wirkungsgrad der Motoren ist sehr gut. Die realisierbaren IE-Klassen liegen bei Motoren mit neuem Design bis etwa 11 bis 15 kW herstellerabhängig im Bereich von IE2 bis IE4. Größere Leistungen erreichen üblicherweise die Wirkungsgradklasse IE4. Ab dieser Leistung weisen sie auch einen sehr guten Wirkungsgrad bei reduzierten Drehzahlen auf.
Die Bauformen entsprechen der IEC-Norm, allerdings sind auch kleinere Bauformen möglich und verfügbar. Für den Betrieb benötigen auch Synchron-Reluktanzmotoren einen Frequenzumrichter. Varianten, die direkt am Netz anlaufen können, weisen im Umrichterbetrieb wiederum einen reduzierten Wirkungsgrad auf.
Warum die Motor-Regelung den Wirkungsgrad beeinflusst
Prinzipiell lassen sich fast alle Motoren mit einer fest programmierten Kurve antreiben. Diese sogenannte U/f-Kennlinie gibt die notwendige Spannung für eine bestimmte Drehzahl oder Frequenz vor. Allerdings garantieren nur speziell auf die jeweilige Motortechnologie angepasste Regelalgorithmen die Effizienzvorteile der einzelnen Technologien. Nur mit solchen Algorithmen lässt sich in jedem Arbeitspunkt auch bei wechselnden Lasten der Motorbetrieb optimieren.
Kleine Drehzahlen sind dabei am schwierigsten zu beherrschen. Dieser Bereich zeigt aber auch deutlich, warum motorabhängig Anpassungen an der Regelung notwendig sind. Um einen Drehstromasynchronmotor zu betreiben, würde theoretisch eine einfache, lineare U/f-Kennlinie ausreichen, die im Nullpunkt (0 V/0 Hz) beginnt und bis zur Nennfrequenz und Nennspannung steigt. Allerdings fließt bei 0 V Spannung auch kein Strom. Der ist aber notwendig, um ein Drehmoment zu erzeugen. Daher ist eine Anpassung der Spannung an den Motor und die Lastsituation unerlässlich.
Die Konsequenz: Jeder Motortyp benötigt eigentlich einen speziellen Umrichter zur Ansteuerung. In der Anwendung ist dies aber aus vielen Gründen nicht realisierbar. Allein die Lagerhaltung und der Schulungsaufwand bei den Anwendern wären enorm, ganz zu schweigen von den Entwicklungskosten die Anbieter auf wesentlich geringere Stückzahlen umlegen müssten.
Wie Danfoss einen Umrichter für alle Motortypen entwickelt
Genau dies ist die Herausforderung für Anbieter wie Danfoss: Einen Frequenzumrichter-Typ zu entwickeln, der die verschiedenen Motortechnologien für alle Lastfälle, in allen Leistungsbereichen und Arbeitspunkten optimal antreibt. Von zentraler Bedeutung sind dabei die Regelstrategien.
Stand der Technik zur Kontrolle von Motoren sind Vektorregelungen. Die Verfahren berechnen zu jedem Zeitpunkt auf Basis von Strom- und Spannungsvektoren, wie der Motor zu bestromen ist. Je nach Konzept und benötigter Regeldynamik orientieren sich die Regelverfahren, vereinfacht ausgedrückt, am Spannungsverlauf im Stator oder dem Stromverlauf im Rotor. Zusätzlich benötigen die Controller eine Regelstrategie, die das Motorverhalten beeinflusst. Gebräuchlich sind die drei Verfahren:
Constant torque angle (CTA): Ziel ist, das maximale Moment aus dem Motor zu bekommen. Hierfür wird der Momentenwinkel (Winkel zwischen Strom im Stator und im Rotor) konstant bei 90° gehalten.
Maximales Moment per Ampere (MTPA): Diese recht komplexe Regelstrategie zielt auf einen möglichst energieeffizienten Betrieb des Motors ab und beruht auf dem Ansatz, das maximale Moment aus dem verfügbaren Strom zu erzielen. Im Umkehrschluss wird für ein bestimmtes Moment der minimalste Strom aufgewendet.
Unity power factor (UPF): Zur Minimierung der aufgenommenen Scheinleistung wird das beste Spannungs/Strom-Verhältnis bestimmt.
Beim Betrieb unterschiedlicher Motortechnologien müssen die Entwickler diese Prinzipien an die Charakteristik der einzelnen Motoren anpassen. So ist zum Beispiel die Gegen-EMK (Spannung, die beim Betrieb vom Rotor in den Stator induziert wird) bei PM-Motoren aufgrund der verwendeten Magnete höher als beim DAS-Motor. Bei Reluktanzmotoren gilt es zu beachten, dass sich die Motorinduktivitäten unter Last ändern.
Danfoss setzt auf einen modularen, nahezu parameterunabhängigen Algorithmus für seinen Frequenzumrichter, der einzelne Elemente aus allen drei Regelstrategien abhängig vom eingestellten Motortyp verwendet. Das Ergebnis ist eine modulare Steuer-Software, die die Bestromung des Motors für ein optimales Laufverhalten und bestmögliche Magnetisierung des Motors berechnet, erstmals implementiert in der Frequenzumrichter-Baureihe VLT Automation Drive FC 302. Der energieeffiziente Betrieb von Drehstromasynchron-, PM- und Synchronreluktanz-Motoren ist damit mit einem Frequenzumrichter bereits in der Grundversion möglich.
Der Hardware-Aufbau des Geräts inklusive EMV-Filter und Zwischenkreisdrosseln sowie die verwendete MTPA-Regelstrategie sorgen für einen Wirkungsgrad des Motors und des Motor/Umrichtersystems – vergleichbar und teilweise besser als die Wirkungsgrade von Antriebspaketen (Motor und Umrichter), die Hersteller teilweise nur als Komplettpaket anbieten.
Der VLT AutomationDrive unterstützt die Protokolle Profinet, Profibus DP-V1, DeviceNet, EtherNet/IP, Ethercat, Powerlink, CANopen und Modbus TCP. Alle Ethernet-Optionen verfügen über Dual-Ports mit eingebautem Switch oder HUB (Powerlink).
Was die automatische Motoranpassung leistet
Die große Unbekannte beim Betrieb unterschiedlicher Motortypen sind die Motordaten. Für einen sicheren Betrieb bereits ausreichend sind, neben der Eingabe des Motortyps, dessen Typenschilddaten. Sie haben die Funktion, über die zur Frequenz gehörige Drehzahl zu informieren und geben die im Betrieb zu beachtenden Grenzen vor.
Typenschilder für DAS-Motoren sind den Anwendern geläufig und sind üblicherweise keine Herausforderung bei der Parametrierung. Schwieriger ist dagegen die Handhabung der Typenschilddaten von PM-Motoren. Zum einen ist deren Zweck oft nicht geläufig, zum anderen geben die Motorhersteller die Daten teilweise unterschiedlich an. Ein Hersteller bezieht die Angaben zur Gegen-EMK auf die Nenndrehzahl, ein anderer normiert den Wert auf 1 000 min-1, ein dritter gibt den KE-Wert in Vs/rad an. Diese Angabe müssen aber in dem vom Frequenzumrichter benötigten Format eingegeben werden.
Jeder Anbieter nutzt unterschiedliche Materialien und die Motoren unterliegen Fertigungstoleranzen, erfordern also eine unterschiedliche Magnetisierung. Hinzu kommt, dass jeder Anbieter seine Motoren für unterschiedliche Arbeitspunkte auslegt und bestimmte Motordaten teilweise unterschiedlich interpretiert.
All diese Aspekte beeinflussen die sogenannten erweiterten Motordaten und damit die Qualität der Motorsteuerung, haben diese Parameter doch Einfluss auf die Strom-/Spannungswerte, die der Motor für einen optimalen Betrieb braucht. Die Konsequenz: Die Angaben des Typenschilds allein sind für eine optimale Steuerung des Motors nicht ausreichend.
Für einen unabhängigen Hersteller von Antriebstechnik heißt das, genau diese Varianz zu kompensieren – mithilfe einer automatischen Motoranpassung (AMA). Dieses bei Danfoss seit Jahren für Asynchronmotoren verfügbare Verfahren wurde jetzt um Strategien für PM- und SynRM-Motoren erweitert. Nach Eingabe der grundlegenden Typenschilddaten misst der Frequenzumrichter im Stillstand den angeschlossenen Motor innerhalb von 3s aus.
Wo die Vorteile jenseits der Energieeinsparung liegen
Für einen optimalen Betrieb benötigen alle Motortechnologien eine Steuerelektronik. Alle Motortypen mit nur einem Steuersystem anzutreiben reduziert den Schulungsaufwand für Konstrukteure, Bediener und das Wartungspersonal. Auch die Lagerhaltung ist einfacher. Danfoss liefert als unabhängiger Hersteller von Frequenzumrichtern eine Lösung, die alle in der Industrie und Gebäudeautomation gängigen Standardmotoren im Leistungsbereich von 0,37 bis 1 600 kW ansteuert. Zudem besteht die Möglichkeit, mit nur einem Gerät die unterschiedlichen Motortechnologien zu testen. Falls notwendig, kann dann immer auf den bekannten DAS-Motor zurückgegriffen werden, ohne den Frequenzumrichter tauschen zu müssen.
In Kürze: Frequenzumrichter
Was ist ein Frequenzumrichter?
Ein Frequenzumrichter ist ein elektronisches Gerät, das die Frequenz eines elektrischen Signals steuert, um die Drehzahl eines Elektromotors vor allem in industriellen Anwendungen präzise zu regeln.
Wer hat den Frequenzumrichter erfunden?
Der Frequenzumrichter wurde nicht von einer einzelnen Person erfunden, sondern entwickelte sich im Laufe der Zeit aus der Notwendigkeit, Drehzahlen von Elektromotoren präzise zu regeln. Grundlegende Konzepte dafür wurden bereits im 19. Jahrhundert erarbeitet.
Wie funktionieren Frequenzumrichter?
Frequenzumrichter wandeln die feste Netzfrequenz in eine variable Frequenz um, um die Drehzahl eines Motors stufenlos zu regeln. Dazu wandeln sie zunächst die Wechselspannung in Gleichspannung um und erzeugen dann daraus wieder eine Wechselspannung mit variabler Frequenz. Indem der Frequenzumrichter die Frequenz des an den Motor angelegten Stroms verändert, kann er dessen Drehzahl präzise steuern. Je höher die Frequenz, desto schneller dreht sich der Motor.
Wie wird ein Frequenzumrichter angeschlossen?
Frequenzumrichter werden zwischen das Stromnetz und den anzutreibenden Motor geschaltet. Sie erhalten die Netzspannung als Eingang und liefern eine angepasste Spannung und Frequenz an den Motor als Ausgang.
Wo werden Frequenzumrichter eingesetzt?
Frequenzumrichter finden breite Anwendung in der Industrie, etwa in Lüftungsanlagen, Aufzügen, Pumpen, Kompressoren und Förderbändern. Sie ermöglichen eine effiziente Drehzahlregelung von Elektromotoren.
Was kostet ein Frequenzumrichter?
Die Kosten für einen Frequenzumrichter hängen von Leistung, Ausstattung und Hersteller ab. Sie reichen von einigen Hundert Euro bis hin zu mehreren Tausend Euro für hochleistungsfähige Modelle.
Was regelt ein Frequenzumrichter?
Hauptsächlich regelt ein Frequenzumrichter die Drehzahl eines Elektromotors, indem er die Frequenz und Spannung des Motorstroms anpasst. Zusätzlich kann er auch die Drehrichtung steuern.
Was ist bei Frequenzumrichtern zu beachten?
Wichtig ist, dass der Frequenzumrichter genau auf den anzusteuernden Motor abgestimmt ist. Außerdem müssen Störungen aus dem Netz minimiert und eine optimale Sinusspannung erzeugt werden.
Was bewirkt ein Frequenzumrichter?
Hauptsächlich ermöglicht ein Frequenzumrichter eine präzise und energieeffiziente Drehzahlregelung von Elektromotoren. Dadurch können Energie und Kosten gespart werden. Durch die Anpassung von Frequenz und Spannung kann der Frequenzumrichter den Energieverbrauch des Motors deutlich reduzieren, typischerweise um 40%
Warum pfeift ein Frequenzumrichter?
Ein Pfeifton kann auf Störungen im Frequenzumrichter hinweisen, etwa durch Resonanzen oder Überschwingungen. In solchen Fällen muss der Frequenzumrichter überprüft und ggf. angepasst werden.
Warum gehen Frequenzumrichter kaputt?
Häufige Gründe für Defekte von Frequenzumrichtern sind Überlastung, Überspannungen, Überhitzung oder Alterung der Bauteile. Regelmäßige Wartung und Überprüfung sind daher wichtig, um Ausfälle zu vermeiden.
Michael Burghardt
arbeitet im Strategic Product/Technology Management bei der Danfoss GmbH VLT Antriebstechnik in Offenbach.
(sk)