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Frequenzumrichter

Die fünf häufigsten Fehler beim Auslegen von Antrieben

| Autor/ Redakteur: Michael Link* / Ute Drescher

Wer beim Auslegen drehzahlgeregelter Antriebe einige Hinweise beachtet, kann in vielen Fällen die Motoren bzw. Frequenzumrichter kleiner wählen, ohne dabei Einschränkungen für den Arbeitsprozess in Kauf nehmen zu müssen.

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Bei Auslegung und Einsatz von Frequenzumrichtern entstehen immer wieder Herausforderungen, die sich bei strukturierter Vorgehensweise vermeiden lassen.
Bei Auslegung und Einsatz von Frequenzumrichtern entstehen immer wieder Herausforderungen, die sich bei strukturierter Vorgehensweise vermeiden lassen.
(Bild: ABB)

1. Dimensionierung der Motoren

Bei der Auswahl des Motors wird häufig eine Leistung an einem Eckpunkt genommen, auf den 50-Hz-Punkt des Motors bezogen und dann aus dem Katalog über die Leistungstabelle ausgewählt. Dies führt zum Teil zu Motoren, die thermisch oder dynamisch zu klein sind, aber auch eine massive Überdimensionierung ist nachteilig.

Vor jeder Dimensionierung sollte der Lasttyp bei der Applikation bekannt sein. Bei falschem Lasttyp können Motor und Umrichter leicht zu klein oder zu groß ausgewählt werden. Zur richtigen Dimensionierung muss die niedrigste und höchste Drehzahl der Arbeitsmaschine bekannt sein, der Stellbereich.

Bei Antrieben mit konstantem Gegenmoment kann man die Antriebe bei geschickter Ausnutzung scheinbar „kleiner“ werden lassen. Ideal ist es, wenn der erforderliche Drehmomentbedarf und das notwendige Anlaufmoment über der Drehzahl sowie der zeitliche Lastzyklus zugrunde gelegt werden können. Für ein optimales Anlaufverhalten beim Start helfen Antriebe mit direkter Drehmomentregelung.

2. Auswahl des Frequenzumrichters

Häufig erfolgt die Auswahl des Frequenzumrichters über die Leistungsauswahl, indem ein Gerät mit der gleichen Nennleistung wie der des zu regelnden Motors aus dem Katalog ausgewählt wird. Diese Zuordnung mag in einfachen Fällen durchaus zielführend sein, jedoch ist das limitierende Element im Umrichter der Ausgangsstrom, sowohl der Effektiv- als auch der Maximalstrom. Deshalb ist es notwendig, den Frequenzumrichter nach dem benötigten Strom auszulegen und auch Faktoren wie z. B. Netzspannung oder Überlasten mit zu berücksichtigen.

3. Überlasten

Das Überlastverhalten des Motors wird häufig nicht berücksichtigt. Hierbei stellt sich die Frage, welche Überlast benötigt wird und wo sie notwendig ist – beim Starten, für den kontinuierlichen Betrieb der Anlage, im unteren oder im oberen Drehzahlbereich. Muss die Maschine sehr schnell abgebremst und große kinetische Energie aus dem Motor in den Zwischenkreis des Umrichters gespeist werden, wird ein Vierquadranten-Umrichter benötigt. Da der Standardumrichter im Allgemeinen nur über eine Diodenbrücke im Eingang verfügt, wird eine Bremsoption, wie Bremschopper mit -widerstand oder Rückspeisung, benötigt. Dies sollte in der Projektierungsphase berücksichtigt werden, da Überlasten Einfluss auf Motor- und Umrichtergröße haben.

Bei dynamischen Vorgängen wie Bremsen oder Beschleunigen kann die geeignete Auswahl des Getriebes Abhilfe leisten. Zwar bedeuten höhere Untersetzungen höhere Drehzahlen für den Motor, auf der anderen Seite beeinflussen sie das wirksame Massenträgheitsmoment der Last quadratisch. Als Ergebnis wird ein geringeres Beschleunigungs- und Bremsmoment benötigt, was sich positiv auf die Größe von Motor und Umrichter auswirkt und gleichzeitig die Regelungsqualität deutlich verbessert.

4. Schnittstellen und Optionen

Es kommt immer wieder vor, dass in der Planungsphase ein EMV-Filter oder eine Netzdrossel vergessen wird. Abhilfe schaffen hier Frequenzumrichter, die Komponenten wie z. B. EMV-Filter und Drosseln bereits im Gerät integriert haben.

Bei der Frage der Schnittstellen zum Prozess oder zur Steuerung stellt sich auch die Frage nach dem passenden Bussystem und den Ein-/Ausgängen. Immer häufiger werden Komponenten der funktionalen Sicherheit in den Antrieb verlagert. Wurden Sicherheitsfunktionen ausreichend berücksichtigt?

Wurde die Frage der Schnittstellen oder Option in der Projektierungsphase vernachlässigt, muss geprüft werden, ob sich die Funktionen nachrüsten lassen oder Frequenzumrichter bzw. Regelungseinheit komplett ausgetauscht werden müssen. Ideal sind nachträglich erweiterbare Systeme. Dies hilft auch bei z. B. Modernisierungsprojekten, die ursprünglich ohne Buskommunikation ausgestattet waren, und man sich jetzt die Anbindung an die Steuerungstechnik über ein Feldbussystem überlegt.

5. Installation und Inbetriebnahme

Bei der Installation werden geschirmte Kabel zwischen Frequenzumrichter und Motor eingesetzt. Dabei wird das Schutzerdungskonzept berücksichtigt, häufig aber nicht ausreichend die HF-Erdung. Der Kabelschirm muss großflächig mit Umrichter und Motor verbunden sein. Die Erdverbindungen müssen für die hochfrequenten Störungen sehr niederimpedant sein, hier ist Litze mit ausreichendem Querschnitt besser als massives Kabel.

Bei der Inbetriebnahme beschränkt man sich häufig auf die Parametrierung von Start/Stop, Sollwertquellen und Rampen. Strom- /Drehmomentgrenzen und Drehzahlregler bleiben in diesem Fall außen vor. Jedoch lässt sich durch diese ein Verhalten des Antriebs erzielen, das optimal auf den gesamten Prozess abgestimmt ist.

Fehlt noch ein Signal, sollte sich die Firmware des Frequenzumrichters so einfach gestalten lassen, dass eine einfache Logik-Funktion mit aufgenommen werden kann. Eine solche adaptive Programmierung kann sehr einfach Planungsfehler oder im Vorfeld unbekannte Anforderungen korrigieren. (ud)

BUCHTIPPDas Buch „Praxishandbuch Antriebsauslegung“ hilft bei der Auswahl der wesentlichen Bestandteile elektrischer Antriebssysteme: Motor, Getriebe, Stellgerät, Netzversorgung sowie deren Zusatzkomponenten. Auch auf die Berechnung wird intensiv eingegangen.

* Michael Link ist Dozent für elektrische Antriebstechnik, Training und Support bei der ABB Automation Products GmbH, Ladenburg

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