Der Frequenzumrichter (VFD / AC-Antrieb) ist ein leistungselektronisches Gerät, das die Drehzahl eines Asynchron- oder Synchronmotors durch Ändern der Speisefrequenz einstellt. Die Auswahl ist nicht so einfach wie „wie viele kW der Motor hat, so groß soll auch der Antrieb sein“. Maßgeblich ist nicht die Leistung, sondern der Strom; und diesen prägen wiederum der Charakter der Last und der Arbeitszyklus.
1. Bestimmen Sie den Lasttyp
Der erste Schritt der Auswahl besteht darin, das Momentverhalten der Last zu kennen.
Lasten mit variablem Moment (VT): Ventilator und Kreiselpumpe. Das erforderliche Moment steigt mit dem Quadrat, die Leistung mit der dritten Potenz der Drehzahl. Bei niedriger Drehzahl ist der Momentbedarf gering. Bei diesen Lasten bringt der Einsatz eines Umrichters einen deutlichen Gewinn beim Energieverbrauch.
Lasten mit konstantem Moment (CT): Förderband, Extruder, Rührwerk, Verdrängerpumpe, Kran. Der Momentbedarf ist weitgehend unabhängig von der Drehzahl. Auch bei niedriger Drehzahl ist das volle Moment erforderlich.
Lasten mit konstanter Leistung: Wickel-/Abwickelanwendungen (Spulen), einige Werkzeugmaschinen. Mit sich änderndem Durchmesser ändern sich Drehzahl und Moment in entgegengesetzter Richtung.
Bei gleicher Motorleistung ist für CT-Lasten ein Antrieb mit höherer Stromkapazität erforderlich. Die Spalten „Schwerlast / Leichtlast“ (HD/ND) der Kataloge drücken genau diese Unterscheidung aus.
3. Bewerten Sie Drehzahlbereich und Kühlung
Standardmotoren mit Eigenlüfter kühlen bei niedriger Drehzahl schlechter. Soll bei konstantem Moment lange Zeit mit niedriger Drehzahl gefahren werden, kann ein externer (Fremd-)Lüfter oder eine Motorstufe höher erforderlich sein, damit der Motor thermisch nicht überlastet wird.
Betrieb oberhalb der Nennfrequenz (Feldschwächebereich) erhöht die Drehzahl, das nutzbare Moment sinkt jedoch. In diesem Bereich müssen auch die mechanische Drehzahlgrenze und die Lagerlebensdauer des Motors geprüft werden.
4. Wählen Sie das Regelverfahren
V/f-Steuerung (skalar): Das einfachste Verfahren. Für Anwendungen ohne präzise Momentregelung wie Ventilator und Pumpe ausreichend. Es wird auch verwendet, wenn mehrere Motoren mit einem Antrieb betrieben werden müssen.
Sensorlose Vektorregelung: Der Antrieb verwaltet Fluss und Moment mithilfe des Motormodells getrennt. Bei niedriger Drehzahl liefert er ein besseres Moment und eine schnellere Reaktion. Für die meisten Anwendungen mit konstantem Moment geeignet.
Vektorregelung mit Encoder (geschlossener Regelkreis): Es wird eine echte Drehzahlrückführung genutzt. Erforderlich für das Halten des vollen Moments bei Drehzahl null, präzise Drehzahlregelung und Hubanwendungen.
Soll eine Vektorregelung verwendet werden, muss bei der Inbetriebnahme eine Motoridentifikation (Auto-Tuning) durchgeführt werden; andernfalls arbeitet die Regelung nicht wie erwartet.
5. Berechnen Sie den Bremsbedarf
Beim Verzögern verhält sich der Motor wie ein Generator und speist die Energie zurück in den DC-Zwischenkreis. Die Zwischenkreisspannung steigt; der Antrieb gibt einen Überspannungsfehler aus. Die Lösung hängt vom Charakter des Zyklus ab:
- Lange Verzögerungszeit: Ohne hohe Trägheit ist möglicherweise keine zusätzliche Hardware erforderlich.
- Bremswiderstand + Bremseinheit: Die zurückkommende Energie wird in Wärme umgewandelt. Bei
- Rückspeiseeinheit: Die Energie wird ins Netz zurückgegeben. Wird bei Anwendungen mit dauerndem
Anwendungen mit häufigem Stopp-Start und hoher Trägheit die Standardlösung.
Bremsen in Betracht gezogen.
Bei Hubanwendungen (Kran) bedeutet das Absenken der Last einen dauerhaften Rückspeisebetrieb; die Bremsdimensionierung ist hier ein kritisches Sicherheitsthema.
6. Netz- und EMV-Seite
Oberschwingungen: Der Umrichter zieht einen pulsförmigen Strom aus dem Netz. Eine AC-Netzdrossel oder DC-Drossel verringert die harmonische Verzerrung und verlängert die Lebensdauer der DC-Zwischenkreiskondensatoren. In schwachen Netzen und in Anlagen mit vielen Antrieben empfohlen.
EMV/EMI-Filter: Begrenzt die vom Antrieb ausgesandten hochfrequenten Störungen. Viele Antriebe verfügen über ein internes Filter; je nach Umgebung und Kabellänge kann ein externes Filter erforderlich sein.
Motorkabel: Es muss ein geschirmtes Kabel verwendet werden, der Schirm muss an beiden Enden großflächig geerdet werden. Mit zunehmender Kabellänge steigen der kapazitive Ableitstrom und die Spannungsreflexionen an der Motorklemme; bei langen Kabeln kann motorseitig ein du/dt-Filter oder Sinusfilter erforderlich sein.
7. Umgebungsbedingungen
Das Innere des Schaltschranks ist für den Antrieb eine thermische Umgebung. Die Verlustleistung des Antriebs bleibt als Wärme im Schaltschrank; die Temperaturberechnung im Schaltschrank muss durchgeführt und bei Bedarf ein Lüfter oder eine Klimaanlage vorgesehen werden. Bei hoher Umgebungstemperatur und Installationen in großer Höhe über dem Meeresspiegel sinkt die Stromkapazität des Antriebs (Derating). In staubigen und feuchten Umgebungen werden Schutzart und Anordnung im Schaltschrank zusätzlich bewertet.
8. Kommunikation und Steuerungsschnittstelle
Wie der Antrieb mit der PLC kommuniziert, wird von Anfang an festgelegt: analoge Referenz und digitaler Kontakt oder ein Feldbus wie Modbus RTU/TCP, Profinet, EtherCAT? Ein Feldbus reduziert nicht nur die Verkabelung, sondern ermöglicht auch das Auslesen von Diagnosedaten wie Strom, Moment und Fehlercode aus dem Antrieb. Diese Daten sind auf der Wartungsseite wertvoll, weil sie die Fehlerbehebung beschleunigen.
9. Sicherheitsfunktionen
Bei Anwendungen, die Maschinensicherheit erfordern, müssen die Sicherheitsfunktionen am Antrieb (z. B. sicher abgeschaltetes Moment) bewertet werden. Welche Funktion erforderlich ist, ergibt sich aus der Risikobeurteilung der Maschine.
Checkliste
- [ ] Lasttyp (VT / CT / konstante Leistung) bestimmt
- [ ] Typenschildstrom und -spannung des Motors zugrunde gelegt
- [ ] Überlastbedarf mit dem Antriebskatalog abgeglichen
- [ ] Kühlbedarf bei niedriger Drehzahl geprüft
- [ ] Regelverfahren (V/f, Vektor, mit Encoder) gewählt
- [ ] Bremsenergie und Bremswiderstand berechnet
- [ ] Oberschwingungs- und EMV-Maßnahmen geplant
- [ ] Temperaturberechnung im Schaltschrank durchgeführt
- [ ] Kommunikationsprotokoll festgelegt
- [ ] Erforderliche Sicherheitsfunktionen bestimmt
Verwandte Produktfamilien: AC-Antrieb, VFD, Bremswiderstand, EMV/EMI-Filter, AC/DC-Drossel, Antriebszubehör
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