Erklärte Wechselstromantriebe: Funktionsweise, Vorteile, Auswahl und Anwendungen von Frequenzumrichtern

Wenn Sie ein Motorsteuerpult aufrüsten, bestimmt der Frequenzumrichter, wie viel Energie Ihr Motor verbraucht und wie präzise Sie ihn steuern können. Bei vielen Nachrüstungen von Lüfter- und Pumpenlasten senkt der Einbau einer solchen Lösung den Stromverbrauch um 20–40 %. Diese Einsparungen erzielt ein Antrieb jedoch nur dann, wenn er zum Motor, zur Last und zur Installationsumgebung passt. In diesem Handbuch wird erläutert, was AC-Antriebe sind, wie man einen solchen auswählt und welche Installationsdetails leicht zu übersehen sind.

Was ein AC-Antrieb ist

Ein Wechselstromantrieb ist ein elektronisches Gerät, das die Drehzahl und das Drehmoment eines Wechselstrommotors durch Variation der ihm zugeführten Frequenz und Spannung steuert. Er wird auch als Frequenzumrichter oder VFD bezeichnet und in manchen Branchen auch einfach als Wechselrichter bezeichnet.

Der Antrieb erhält eine feste Wechselstromversorgung vom Netz oder Anlagenverteilungssystem und wandelt diese in eine geregelte Leistung um. Die Hauptkomponenten im Inneren sind der Gleichrichter, ein DC-Bus, eine Wechselrichterstufe und eine Steuerplatine. Über die Bedienerschnittstelle können Sie Geschwindigkeits-, Beschleunigungs- und Schutzparameter einstellen.

Wie AC-Antriebe funktionieren

Die Drehzahl des Induktionsmotors ist proportional zur Frequenz der Versorgungsspannung. Die Synchrongeschwindigkeit errechnet sich aus dem 120-fachen der Frequenz dividiert durch die Polzahl. Wenn der Antrieb die Ausgangsfrequenz reduziert, wird der Motor langsamer.

Spannung und Frequenz müssen sich gemeinsam ändern. Wenn das Verhältnis von Spannung zu Frequenz konstant gehalten wird, bleibt der magnetische Fluss im Motor erhalten. Bei niedrigen Drehzahlen fügt der Antrieb eine Spannungsanhebung hinzu, um genügend Anlaufdrehmoment zu erzeugen.

Zwei Hauptkontrollplattformen

Die U/f-Steuerung ist die Open-Loop-Methode. Es stellt die Spannung und Frequenz gemäß einer vorgegebenen Kurve ein und ist einfach, robust und für die meisten Lüfter-, Pumpen- und Kompressoranwendungen geeignet. Die Vektorsteuerung verwendet einen Algorithmus mit geschlossenem Regelkreis, oft mit einem Encoder, um Drehmoment und Geschwindigkeit mit viel höherer Genauigkeit zu regeln. Es wird an Kränen, Aufzügen, Extrudern und Werkzeugmaschinen eingesetzt, wo sich die Last schnell ändert.

Warum AC-Antriebe verwenden?

Der stärkste Grund, ein zu verwenden Wechselstromantrieb ist Energieeinsparung bei Lasten mit variabler Drehzahl. Radialventilatoren und -pumpen folgen den Affinitätsgesetzen: Die Leistung ändert sich mit der Potenz der Geschwindigkeit. Eine Reduzierung der Geschwindigkeit von 100 Prozent auf 80 Prozent verändert die Leistungsaufnahme auf etwa 51 Prozent des ursprünglichen Wertes. Ein 90-kW-Lüfter, der mit 70 Prozent Drehzahl läuft, verbraucht etwa ein Drittel der Leistung, die er bei voller Drehzahl benötigen würde, und im Vergleich zur Klappensteuerung liegen die Einsparungen typischerweise im Bereich von 40 bis 60 Prozent.

Neben den Einsparungen verbessert ein Antrieb auch die Prozesskonsistenz. Mischer, Extruder und Textilmaschinen sind auf eine stabile Geschwindigkeit angewiesen, um die Produktqualität wiederholbar zu halten. Bei der Extrusion erzeugt eine kleine Geschwindigkeitsschwankung einen Unterschied in der Liniendicke, der als Abfallmaterial endet. Die kontrollierte Beschleunigungsfunktion reduziert die mechanische Belastung von Riemen, Getrieben und Kupplungen, was die Wartungskosten senkt und die Lebensdauer der Ausrüstung erhöht.

Der Direktanlauf verbraucht das Sechs- bis Achtfache des Motornennstroms. Ein Antrieb begrenzt den Einschaltstrom auf das 1,5- bis 2-fache des Nennstroms und reduziert so den Spannungsabfall in der Anlagenleitung und mechanische Stöße auf Zahnräder, Riemen und Wellen.

Typen und Anwendungen

Wechselstromantriebe werden normalerweise nach Ausgangsspannung gruppiert. Niederspannungsantriebe decken 200–690 V ab und werden für Motoren von einigen hundert Watt bis etwa 500 kW eingesetzt. Mittelspannungsantriebe decken 2,3-11 kV ab und bedienen Hochleistungsmotoren im Megawattbereich.

Zu den gängigen industriellen Anwendungen gehören:

• Kreiselpumpen und Ventilatoren in Wasseraufbereitungs-, HVAC- und Kesselsystemen
• Luftkompressoren in Anlagen mit großen Druckschwankungen
• Mischer, Zentrifugen und Rührwerke in der Chemie- und Lebensmittelverarbeitung
• Aufzüge, Portalkrane und Hebezeuge, die sanfte Geschwindigkeitsänderungen erfordern
• CNC-Werkzeugmaschinen, Vertikaldrehmaschinen und Rotationsschneidemaschinen
• Extruder und Refiner in der Gummi- und Kunststoffindustrie

Raynen Technology veröffentlicht auch Anwendungslösungen für bestimmte Maschinen, wie zum Beispiel energiesparende Nachrüstungen von Luftkompressoren, Kesselventilatorsysteme, Belüftungsgebläse für die Abwasserbehandlung, Wasserversorgung mit konstantem Druck und Schneckenextruder. Die gleiche Antriebsplattform kann so konfiguriert werden, dass sie zu diesen mechanischen Designs passt.

So wählen Sie einen Frequenzumrichter aus

Beginnen Sie mit dem Typenschild des Motors, nicht mit einem Katalog. Die Antriebsleistung sollte auf dem Motorstrom und nicht auf der Motorleistung basieren. Bei Lasten mit variablem Drehmoment wie Lüftern und Pumpen kann der Antrieb oft die gleiche Größe wie der Motor haben. Lassen Sie für konstante Drehmomentbelastungen einen Spielraum von ein oder zwei Antriebsgrößen über der Motornennleistung.

Als erstes muss die Lastmomentcharakteristik identifiziert werden. Lasten mit variablem Drehmoment haben ein Drehmoment, das mit dem Quadrat der Drehzahl ansteigt. Konstante Drehmomentlasten liefern über den gesamten Drehzahlbereich das gleiche Drehmoment, und konstante Leistungslasten reduzieren das Drehmoment mit steigender Drehzahl.

Weitere Faktoren sind die Umgebungstemperatur, die Höhe und die Art des Gehäuses. Die meisten Antriebe werden oberhalb von 40 Grad Celsius und über 1000 m Höhe gedrosselt. Wenn das Motorkabel länger als 50 m ist, fragen Sie nach einer Ausgangsdrossel, um die Motorwicklung vor reflektierten Spannungsspitzen zu schützen.

Wenn der Antrieb über eine SPS oder SCADA überwacht werden muss, prüfen Sie, welche Kommunikationsschnittstelle verfügbar ist. Staubige, feuchte oder chemisch aggressive Umgebungen erfordern eine höhere Schutzart oder eine geeignete Kapselung.

Überlegungen zur Installation und Beschaffung

Harmonische Verzerrungen sind ein häufiges Problem, wenn mehrere Antriebe von demselben Transformator gespeist werden. Das Hinzufügen einer Netzdrossel oder einer Gleichstromdrossel reduziert die Stromverzerrung und ist in der Regel eine kostengünstige Möglichkeit, die örtlichen Grenzwerte für die Stromqualität einzuhalten.

Bremsen: Wenn die Last den Motor überfordern kann, beispielsweise ein Kran, der eine Last absenkt, oder ein Förderband, das mit einer schweren Last stoppt, benötigen Sie entweder einen dynamischen Bremswiderstand oder eine regenerative Einheit.

Vergessen Sie niemals die Dokumentation und den Kundendienst. Fordern Sie das Benutzerhandbuch, die elektrischen Zeichnungen und die Setup-Software in der Sprache an, die Ihre Techniker verwenden. Raynen Technology veröffentlicht diese Materialien in seinem Download-Center . Wenn der Antriebslieferant diese Artikel nicht vorab bereitstellt, riskieren Sie längere Inbetriebnahmezeiten und später höhere Reparaturkosten. Für einen bestimmten Motor und eine bestimmte Last beträgt die Technischer Support Auf dieser Seite können Sie vor der Bestellung die Größe und Kompatibilität des Laufwerks überprüfen.

Raynen-Antriebe für industrielle AC-Anwendungen

Raynen Technology, die Marke für Industrieautomation hinter raynendrive.com, entwickelt und fertigt AC-Antriebe sowie Softstarter, Servosysteme, SPS und Mensch-Maschine-Schnittstellen. Das Unternehmen wurde 2007 gegründet und ist an der Shanghai Stock Exchange notiert. Das Produktportfolio soll die Steuerungs-, Antriebs- und Ausführungsebenen einer kompletten Maschine abdecken.

Für standardmäßige Niederspannungs-Lüfter-, Pumpen- und Textilanwendungen bietet der RVE21 Smart-Antrieb eine kompakte, benutzerfreundliche Lösung mit einfacher Parametereinstellung. Wenn der Prozess eine präzise Geschwindigkeits- und Drehmomentsteuerung erfordert, bietet der RVE32-Vektorantrieb eine geschlossene Regelleistung für Kräne, Aufzüge, Mischer und Werkzeugmaschinen. Für Hochleistungsmotoren in der Wasserversorgung und Petrochemie übernimmt die RVE1000-Serie die Mittelspannungsversorgung bis 11 kV.

Der Katalog des Unternehmens umfasst außerdem Niederspannungs- und Mittelspannungs-Softstarter, SPS, HMIs, Servomotoren und Servoantriebe. Diese Breite ist aus zwei Gründen wichtig. Erstens können Sie durchgängige technische Unterstützung von einem Lieferanten erhalten. Zweitens kann der Antrieb in ein komplettes Steuerungssystem integriert werden, das die SPS und das HMI umfasst, was die Inbetriebnahme beschleunigt.

RVE21 Intelligenter Niederspannungs-AC-Antrieb für 55-200-kW-Motoren Die RVE21-Serie bietet einen großen Spannungsbereich und eine Überlastfähigkeit von bis zu 200 % sowie eine abnehmbare Abschirmung für die Installation nebeneinander. Sein unabhängiges Luftwegdesign gewährleistet eine zuverlässige Kühlung und macht es zu einer kostengünstigen Wahl für die Integration in SPS- und HMI-Systeme. Produkt anzeigen →

RVE32 Vector AC-Antrieb für Hochleistungsanwendungen bis 800 kW Die RVE32-Serie verfügt über eine sensorlose Vektorsteuerung und eine automatische Anpassung der Regelkreisparameter, sodass kein Debuggen erforderlich ist. Er ist in Kunststoff- oder Eisengehäusen mit Modbus-Standard erhältlich und eignet sich für hohe Leistungsanforderungen von 250 bis 800 kW mit zweizeiligem Display. Produkt anzeigen →

RVE1000 Mittelspannungs-AC-Antrieb für die direkte Hochspannungsmotorsteuerung Die RVE1000-Serie nutzt eine mehrstufige H-Brücken-Kaskadierung zur Spannungsüberlagerung und ARM/DSP-Steuerung und ermöglicht so den direkten Antrieb von Hochspannungsmotoren ohne Filter. Entwickelt für die Master-Slave-Steuerung von Förderbändern, dient es der Chemie-, Hebe-, Luftkompressor- und Stahlindustrie. Produkt anzeigen →

Der richtige Frequenzumrichter spart Energie, verbessert die Prozessstabilität und schützt den Motor und nachgeschaltete Geräte. Wählen Sie es vom Typenschild des Motors aus, bestätigen Sie den Lasttyp und prüfen Sie die Umgebungs- und Kommunikationsanforderungen. Wenn Sie eine bestimmte Anwendung haben, wenden Sie sich an das technische Support-Team von Raynen, um die Dimensionierung und die vollständige Dokumentation zu bestätigen, bevor Sie eine Bestellung aufgeben.