Maximierung der Effizienz: Ein praktischer Leitfaden für Niederspannungs-Frequenzumrichter (VFDs)

Kernprinzip: Wie Niederspannungs-Frequenzumrichter die Motorgeschwindigkeit und -leistung regulieren

A Niederspannungs-Frequenzumrichter (VFD), oft auch als „Adjustable Speed Drive“ (ASD) bezeichnet, ist eine wesentliche Komponente zur Steuerung der Drehzahl eines Wechselstrommotors (AC) durch Steuerung der ihm zugeführten elektrischen Leistung. Die Bezeichnung „Niederspannung“ gilt typischerweise für VFDs, die mit Standard-Industriespannungen bis zu 690 V betrieben werden. Der grundlegende Betrieb basiert auf der gleichzeitigen Variation von Frequenz und Spannung und der Aufrechterhaltung eines konstanten Spannungs-Frequenz-Verhältnisses (V/f), um sicherzustellen, dass der magnetische Fluss des Motors konstant bleibt und er das erforderliche Drehmoment liefern kann.

Der VFD wandelt den eingehenden Wechselstrom intern mithilfe eines Gleichrichterabschnitts, typischerweise einer Diodenbrücke, in Gleichstrom (DC) um. Diese Gleichstromleistung wird dann von einer DC-Zwischenkreis-Kondensatorbank gefiltert, wodurch die Leistung geglättet wird. Schließlich wandelt ein Wechselrichterabschnitt, der normalerweise aus Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) besteht, den Gleichstrom mithilfe einer Technik namens Pulsweitenmodulation (PWM) wieder in eine präzise Wechselstromwellenform mit variabler Frequenz und variabler Spannung um.

Praktische Vorteile und sofortige Kosteneinsparungen der VFD-Implementierung

Die praktischen Vorteile der Integration von Frequenzumrichtern in industrielle und kommerzielle Systeme gehen über die einfache Drehzahlregelung hinaus und wirken sich direkt auf die Betriebskosten, die Lebensdauer der Geräte und die Prozessqualität aus. Diese Vorteile sorgen für einen schnellen Return on Investment, insbesondere bei Anwendungen zur Flüssigkeitshandhabung.

Erhebliche Energiereduzierung durch Affinitätsgesetze

Bei Zentrifugallasten wie Pumpen und Lüftern folgt die Leistungsaufnahme des Motors der dritten Potenz der Drehzahl (Affinitätsgesetz). Das bedeutet, dass eine kleine Reduzierung der Geschwindigkeit zu einer massiven Reduzierung der Leistungsaufnahme führt. Wenn Sie beispielsweise die Geschwindigkeit um nur 20 % reduzieren (Betrieb mit 80 % Geschwindigkeit), verringert sich der Stromverbrauch um fast 50 % (0,8^3 $ = 0,512 $). Dieses proportionale Verhältnis ist der Hauptgrund für massive Energieeinsparungen in HVAC- und Wasseraufbereitungsanlagen.

Verbesserte Prozesskontrolle und Geräteschutz

VFDs bieten eine „Sanftanlauf“-Fähigkeit, indem sie den Motor langsam von der Drehzahl Null auf die Betriebsdrehzahl hochfahren. Dadurch entfallen der massive Einschaltstrom und die mechanischen Stöße, die beim „Across-the-Line“-Start auftreten, bei dem der Motor sofort die volle Spannung erhält. Durch die Verringerung der elektrischen Belastung und des mechanischen Verschleißes an Komponenten wie Zahnrädern, Riemen und Kupplungen verlängert der VFD die Wartungsintervalle und die Gesamtlebensdauer der angetriebenen Ausrüstung. Darüber hinaus ermöglicht eine präzise Geschwindigkeitsregelung eine genaue Regulierung von Durchfluss, Druck oder Temperatur und verbessert so die Produktqualität in Fertigungsprozessen.

Gängige Niederspannungs-VFD-Anwendungsprofile

Niederspannungs-Frequenzumrichter sind vielseitig und werden in nahezu allen Industriebereichen eingesetzt. Ihre Anwendung wird typischerweise nach der Lastart kategorisiert: variables Drehmoment, konstantes Drehmoment oder konstante Leistung.

Die folgende Tabelle fasst gängige Anwendungen und ihre Eigenschaften zusammen:

Praktische Überlegungen zur VFD-Auswahl und -Installation

Um alle Vorteile eines Frequenzumrichters nutzen zu können, sind die richtige Auswahl und Installation von entscheidender Bedeutung. Zu den wichtigsten Überlegungen gehören Umgebungsbedingungen, Motorkompatibilität und die Minderung potenzieller Probleme mit der Stromqualität.

Dimensionierung, Gehäuse und Umweltfaktoren

Der VFD muss für den Volllaststrom (FLA) des Motors richtig dimensioniert sein und für Anwendungen mit anspruchsvollen Arbeitszyklen oder hohen Anforderungen an das Anlaufdrehmoment oft leicht überdimensioniert sein. Der Gehäusetyp muss für die Umgebung geeignet sein und von NEMA 1 (Allzweck, Innenbereich) bis NEMA 4X (korrosionsbeständig, Außenbereich/abwaschbar) reichen. Der VFD erzeugt Wärme, daher sind für einen zuverlässigen Betrieb ein ausreichender Kühlfreiraum und eine Kontrolle der Umgebungstemperatur zwingend erforderlich.

Minderung von Stromqualitäts- und Oberschwingungsproblemen

Der Gleichrichterabschnitt des VFD zieht Strom in kurzen Impulsen mit hoher Amplitude, was zu harmonischen Verzerrungen zurück in die elektrische Versorgungsleitung führen kann. Dies kann sich negativ auf andere empfindliche Geräte auswirken. Zu den praktischen Minderungsstrategien gehören:

• Hinzufügen von AC-Netzdrosseln auf der Eingangsseite, um den eingehenden Strom zu glätten und den Oberwellengehalt zu reduzieren.
• Installieren Sie Zwischenkreisdrosseln zwischen dem Gleichrichter und der Kondensatorbank, um Oberschwingungen zu reduzieren und die Stabilität des Gleichstrombusses zu verbessern.
• Der Einsatz von Active Front End (AFE) VFDs oder 18-Puls-Gleichrichtern für Anwendungen, bei denen eine sehr niedrige Gesamtharmonische Verzerrung (THD) von entscheidender Bedeutung ist, obwohl diese Optionen die anfänglichen Kapitalkosten erhöhen.

Darüber hinaus kann das Hochgeschwindigkeitsschalten der IGBTs Spannungsspitzen erzeugen, die mit der Zeit die Motorwicklungen beschädigen können. Bei längeren Motorleitungslängen (normalerweise über 50 Fuß) wird die Installation von Lastdrosseln oder Ausgangsfiltern dringend empfohlen, um die Motorisolierung zu schützen.