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Frequenzumrichter-Antrieb - welcher soll's denn sein?

| Autor / Redakteur: Peter F. Brosch, Hannover / Reinhard Kluger
Umrichter und Motor: Kompaktantrieb
Umrichter und Motor: Kompaktantrieb
(KSB)

Der Fokus bei elektrischen Antrieben liegt eindeutig auf der Energieeinsparung. Die EU-Vorgaben für die Zukunft stehen fest. Es wird somit also dringend notwendig, über den Einsatz von Frequenzumrichtern und Motoren der erforderlichen Effizienzklasse nachzudenken. Dabei ist es sinnvoll, den kompletten Antrieb zu betrachten, um eine optimierte Lösung zu finden, die auch in Zukunft Bestand hat.

EU-Vorgaben nach Verordnung 640/2009 mit wichtigen Terminen (gelb).
EU-Vorgaben nach Verordnung 640/2009 mit wichtigen Terminen (gelb).
(Brosch)

Etwa 25 Prozent der in der Industrie neu installierten Antriebe sind Umrichterantriebe. Sie treiben Pumpen und Lüfter an oder werden zum Bearbeiten und Transportieren eingesetzt. In der Praxis heißt das: Es gibt kostengünstige einfache Bewegungsantriebe und auch teure hochgenaue Bewegungsantriebe. Einfache Antriebe steuern die Bewegungen von Förderbändern sowie Wickelantrieben mehr oder weniger exakt. In Werkzeugmaschinen und Handhabungsgeräten hingegen müssen hochdynamische Antriebe sehr genau positionieren. Weitere typische Einsatzfälle sind Antriebe mit hohen Anforderungen an die Drehzahlregelung und die Gleichlaufgüte, wie z. B. bei Druckmaschinen, sowie Antriebe in verschiedenen Fertigungseinrichtungen und bei Robotern, die in der Industrie Schweißaufgaben, Lackierarbeiten oder Montageaufgaben übernehmen. In diesem beschriebenen breiten Antriebssegment mit großen Stückzahlen im Leistungsbereich von einigen 100 W bis zu etwa 75 kW werden Umrichter-Antriebe für drehende und lineare Bewegung erfolgreich – zentral oder dezentral – eingesetzt.

Der Frequenzumrichter und seine Hardware

Die Entwicklungen in der Elektronik bei Mikroprozessoren und Leistungshalbleitern lösten den Siegeszug der Umrichter-Antriebe für drehzahlvariablen Betrieb von Drehfeldmotoren aus. Die Schaltung der Antriebe kann man in eine Hardwareschiene für den Energiefluss und die Elektronik für Steuerung/Regelung sowie Kommunikation aufteilen.

Frequenzumrichter-Antrieb Blockschaltbild und Gerätea: oben: Energieschiene: Netz - Prozess, unten: Steuerung und Kommunikation, b: Geräte (ABB)
Frequenzumrichter-Antrieb Blockschaltbild und Gerätea: oben: Energieschiene: Netz - Prozess, unten: Steuerung und Kommunikation, b: Geräte (ABB)
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Um die Netzrückwirkungen zu verringern, kann man einen EMV-Filter vorschalten. Die Standardschaltung im Eingang (NSR) ist eine Diodenbrücke (B2 oder B6). Soll (Brems-)Energie zurückgespeist werden, muss der Netzstromrichter eine steuerbare Brücke sein (Aktiv Front End, AFE). Die IGBT-Schalter im Motorstromrichter (MSR) formen im Wechselrichterbetrieb die Gleichspannung UZ des Zwischenkreises (ZK) durch entsprechende Pulsung in die gewünschte Spannung U und Frequenz f für den Motor um. Die Pulsfrequenzen liegen zwischen 2 bis 16 kHz; für guten Rundlauf bei kleinen Drehzahlen wählt man hohe Pulsfrequenzen. Dann muss die Leistung unter Umständen wegen der Schaltverluste im Motorstromrichter reduziert werden (Derating). Aus EMV-Gründen ist die Motorzuleitung wegen der Pulsung gut geschirmt und sorgfältig geerdet auszuführen, um Störungen zu vermeiden. Soll die Ausgangsspannung sinusförmig sein, setzt man ein allpolig wirksames Sinusfilter ein, das sowohl die Isolationsbeanspruchung der Motorwicklungen, die Geräusche als auch Lagerströme reduziert.

Leistungsfähige Prozessoren für die Software

Anfallende Bremsenergie setzt ein Brems-Chopper in Wärme um oder man gewinnt sie durch DC-Kopplung des Zwischenkreises bei Mehrmotorenlösungen zurück.

Sehr leistungsfähige Prozessoren werden für die Signalverarbeitung, Ansteuerung und Regelung der Drehfeldmotoren genutzt. Standard sind sowohl die einfache Spannungs-Frequenz-Kennliniensteuerung (U/f-Steuerung, linear der quadratisch für Pumpen und Lüfter) als auch eine Drehmomentregelung nach dem Feldorientierten- (FOR) oder dem Selbstregelungsverfahren (DTC). Die Rechenleistung der Prozessoren lässt auch intelligente Inbetriebnahmehilfen (Automatische Motoranpassung, AMA) zur Ermittlung der Parameter des angeschlossenen Motors zu; so ein Identifikationslauf dauert etwa 3 Sekunden! Die Umschaltung der Steuerung auf „Energieeinsparungen“ erfolgt im Teillastbereich durch automatischen Aufruf des entsprechenden Energieeinsparprogramms (Automatische optimierte Energie, AOE). Softwaremäßig sind auch die Funktionen „Sicherer Stopp“ (SS1) usw. in die Steuerung integriert. Auch (kleine) SPS-Aufgaben sind dezentral im Umrichter realisierbar.

Kennlinien und Diagrammea: U/f-Kennlinie und Drehmoment Grenzkurvenb: Diagramm einer Automatischen Motoranpassung (HsH, Danfoss)c: „Sicherer Stopp (SS1) integriert
Kennlinien und Diagrammea: U/f-Kennlinie und Drehmoment Grenzkurvenb: Diagramm einer Automatischen Motoranpassung (HsH, Danfoss)c: „Sicherer Stopp (SS1) integriert
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Schaltungen der Umrichterbausteine und ihre Aufgabe.
Schaltungen der Umrichterbausteine und ihre Aufgabe.
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Ein Bus übernimmt die Kommunikation

Die Kommunikation mit dem Umrichter kann direkt über Bedieneinheiten mit Display und Tastenfeld erfolgen oder über eines der vielen Bussysteme. Auf einem neuen Weg ermöglicht eine spezielle App die Parametrierung eines Smart Motors mit einem NFC-fähigen Smartphone (Lenze).

Die Motoren und ihre Eigenschaften

Die Wandlung der elektrischen Energie in mechanische Energie an der Welle erfolgt im Motor. Zu beachten ist: der Elektromotor erzeugt prinzipiell ein Drehmoment, das durch die magnetische Sättigung und die Joulschen Verluste begrenzt ist. Es bestimmt die Baugröße des Motors. Über ein Getriebe kann das Drehmoment vergrößert werden. Durch die Umrichter kann der Antrieb mit „jeder beliebigen“ Drehzahl laufen. Umrichter können bei angepasster eingespielter Software – zum Beispiel auch für sensorlosen Betrieb - jeden der heute angebotenen Motoren betreiben:

  • Asynchronmotoren (AM)
  • Permanentmagnet Sychronmotoren (PM) oder
  • Synchron-Reluktanzmotoren (SynRM).

Die Motoren haben unterschiedliche Energieeffizienz. Wegen der fehlenden Läuferverluste bei den Synchronmotoren haben diese prinzipbedingt einen besseren Wirkungsgrad als Asynchronmotoren mit ihren Schlupfverlusten. Beim Synchron-Reluktanzmotor entfallen die teuren Magnete im Läufer.

Sonderfälle mit speziellen Umrichtern sind Linearmotoren und drehende Direktantriebe.(klu)

Frequenzumrichter
Frequenzumrichter
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* Prof. Prof. h. c. mult. Dr.-Ing. Peter F. Brosch, Hochschule Hannover

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