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Danfoss VLT Series Handbuch
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Handbuch | VLT®-Frequenzumrichter
Wissenswertes
über Frequenzumrichter

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Verwandte Anleitungen für Danfoss VLT Series

Inhaltszusammenfassung für Danfoss VLT Series

  • Seite 1 Handbuch | VLT®-Frequenzumrichter Wissenswertes über Frequenzumrichter...
  • Seite 2 Vorwort Im Jahr 1968 begann Danfoss als erstes Unternehmen weltweit mit der Serienfertigung von Frequenzumrichtern für die variable Drehzahlregelung von Drehstrom-Asynchronmotoren. Heute gewinnen Frequenzumrichter zunehmend an Bedeutung, um Motorbetrieb sowie das mit dem Motor verbundene System zu optimieren. Frequenzumrichter kommen in einer stetig steigenden Zahl an Anwendungen mit folgenden Zielen zum Einsatz:...

  • Seite 3: Inhaltsverzeichnis

    Inhalt Inhalt Seite 0 Einführung ................................7 0.1 Drehzahlregelung von Elektromotoren ....................7 0.2 Warum Drehzahlregelung? ........................8 0.3 Möglichkeiten zur Anpassung der Motordrehzahl ................8 0.4 Frequenzumrichter ............................9 1 Elektromotoren ..............................10 1.1 Übersicht ............................... 10 1.2 Grundlagen ..............................11 1.2.1 Stator und Rotor ..........................11 1.2.2 Leistung und Drehmoment .......................
  • Seite 4 Flux-Vektor (mit Rückführung)................70 2.7.5 Servoantriebssteuerung ......................70 2.7.6 Schlussfolgerungen zur Steuerung ..................71 2.8 Danfoss-Steuerverfahren ........................71 2.8.1 Danfoss VVCplus-Steuerung ...................... 72 2.8.2 Danfoss Flux-Vektor-Steuerung ....................76 2.9 Normen und Gesetzgebung ........................77 3 Frequenzumrichter und Motoren ......................78 3.1 Grundlegende Prinzipien ........................
  • Seite 5 Inhalt Seite 3.3 Autom. Motoranpassung (AMA) ......................86 3.4 Betrieb ................................87 3.4.1 Regelung der Motordrehzahl ....................87 3.4.2 Reversierung ............................ 88 3.4.3 Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen (Rampe auf und ab) ......89 3.4.4 Drehmomentregelung ......................... 91 3.4.5 Watchdog ............................92 3.5 Dynamischer Bremsbetrieb ........................
  • Seite 6 Inhalt Seite 6 Schutz gegen elektrischen Schlag und andere Gefahren durch elektrische Energie ..133 6.1 Allgemeines ...............................133 6.2 Netzversorgungssystem ........................134 6.3 Zusätzlicher Schutz ..........................137 6.4 Sicherungen und Trennschalter ......................139 7 Netzstörungen ..............................142 7.1 Was sind Oberschwingungen? ......................142 7.1.1 Lineare Lasten ..........................142 7.1.2 Nicht lineare Lasten ........................143 7.1.3 Einfluss von Oberschwingungen in einer Energieverteilungsanlage .......145 7.2 Normen und Anforderungen zur Oberschwingungsbegrenzung .........147...

  • Seite 7: Einführung

    Einführung 0 Einführung Ein Frequenzumrichter (auch: Frequenzumsetzer) ist definitionsgemäß ein elektronisches Gerät, das bei  Wechselstrom (AC) einer bestimmten Frequenz die Frequenz verändert. Ursprünglich handelte es sich hierbei um elektromechanische Geräte (Motorgeneratoren). Sie werden manchmal „dynamische“ Frequenzumrichter genannt. Die Entwicklung der Festkörperelektronik machte es möglich, vollständig elektronische Frequenzumrichter zu bauen, oft als „statische“ Frequenzumrichter bezeichnet (keine beweglichen Teile).

  • Seite 8: Warum Drehzahlregelung

    Einführung 0.2 Warum Drehzahlregelung? Es gibt zahlreiche Gründe für die Anpassung der Drehzahl einer Anwendung: • Einsparung von Energie und Verbesserung der Effizienz von Systemen • Anpassung der Drehzahl an die Prozessanforderungen • Anpassung des Drehmoments oder der Leistung eines Antriebs an die Prozessanforderungen •...

  • Seite 9: Frequenzumrichter

    Einführung 0.4 Frequenzumrichter Moderne Frequenzumrichter erlauben, die Drehzahl oder das Drehmoment einer angetriebenen Maschine mit einer Genauigkeit von ±0,5 % anzupassen und aufrecht zu erhalten. Das ist unabhängig von der Last, im Gegensatz zum Asynchronmotor im Betrieb mit konstanter Drehzahl, bei dem die Drehzahl zwischen Leerlauf und Betrieb bei Volllast um bis zu 3-5 % schwanken kann ...

  • Seite 10: Elektromotoren

    Elektromotoren 1 Elektromotoren 1.1 Übersicht Ein Elektromotor ist ein elektromechanisches Gerät, das elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Der umgekehrte Vorgang der Erzeugung von elektrischer Energie aus mechanischer Energie erfolgt durch einen Generator. Die Betriebsanforderungen an den Elektromotor sind insbesondere in der Industrie enorm. Robustheit, Zuverlässigkeit, Größe, Energieeffizienz und der Preis sind nur einige der Kriterien.

  • Seite 11: Grundlagen

    Elektromotoren 1.2 Grundlagen 1.2.1 Stator und Rotor Alle rotierenden Elektromotoren bestehen im Prinzip aus zwei Hauptbestandteilen. Abb. 1.2 Aufbau des Asynchronmotors Stator Der Stator (1) ist der nicht bewegliche Teil des Motors, der aus Blechpaketen besteht, in denen sich elektrische Wicklungen befinden. Rotor Der Rotor (2) ist der sich drehende Teil des Motors, der an der Motorwelle angebracht ist.

  • Seite 12: Leistung Und Drehmoment

    Elektromotoren 1.2.2 Leistung und Drehmoment Der Ausgangsnennstrom von Elektromotoren ist innerhalb eines Standardbereichs festgelegt. Durch diese Standardisierung können Anwender bei bestimmten Anwendungen zwischen verschiedenen Motorherstellern wählen. Der „standardmäßige“ Ausgangsbereich und seine Inkremente sind von Land zu Land und von Region zu Region unterschiedlich. Es ist empfehlenswert herauszufinden, wie die Hersteller in ihren Katalogen den Standard definieren.

  • Seite 13: Ac- Und Dc-Motoren

    Elektromotoren 1.2.3 AC- und DC-Motoren Der erste Elektromotor, ein Gleichstrommotor, wurde um das Jahr 1833 herum gebaut. Die Drehzahlregelung ist bei diesem Motortyp einfach und hat die Anforderungen von vielen unterschiedlichen Anwendungen zu dieser Zeit erfüllt. Die Steuerung des Gleichstrommotors erfolgt durch eine Stromversorgung mit Gleichspannung, deren Höhe die Drehzahl des Rotors beeinflusst.

  • Seite 14: Pole, Synchrone Und Asynchrone Drehzahl

    Elektromotoren b) Motorprinzip Motoren nutzen das Induktionsprinzip in umgekehrter Reihenfolge: Ein stromdurchflossener Leiter, der sich in einem Magnetfeld befindet, wird durch eine Kraft (F) beeinflusst, was zu einer Bewegung führt. a) Generatorprinzip b) Motorprinzip Abb. 1.3 Prinzip der elektromagnetischen Induktion In beiden Fällen ist ein Magnetfeld erforderlich. In Abb. 1.3 „Prinzip der elektromagnetischen Induktion“...

  • Seite 15: Wirkungsgrad Und Verluste

    Elektromotoren Abb. 1.4 Zwei Spulen in einer Phase geschaltet in Reihen zu a) zwei Polen b) vier Polen Tabelle 1.2 „Polpaare (p) oder Polzahl und synchrone Motordrehzahl“ führt die Zahl der Pole entsprechend der Synchrondrehzahl (n ) bei einer Stromversorgung von 50 und 60 Hz auf. Höhere Polzahlen sind möglich, werden heutzutage jedoch kaum verwendet.
  • Seite 16 Elektromotoren Kupferverlust Eisenverlust Wellenleistung Lüfterverlust Reibungsverlust Abb. 1.5 Typische Verluste im Motor Die in Abb. 1.5 „Typische Verluste im Motor“ dargestellten Verluste umfassen: • Kupferverluste aufgrund der Widerstände der Stator- und Rotorwicklungen • Eisenverluste, bestehend aus Ummagnetisierungsverlusten und Wirbelstromverlusten Ummagnetisierungsverluste kommen vor, wenn Eisen durch Wechselstrom (AC) magnetisiert wird.

  • Seite 17: Asynchronmotoren

    Elektromotoren • Lüfterverluste treten aufgrund des Luftwiderstands des Motorlüfters auf • Reibungsverluste treten in den Kugellagern auf, in denen der Rotor läuft Bei der Bestimmung des Wirkungsgrads und der Motorausgangsleistung werden die Verluste im Motor gewöhnlich von der zugeführten Leistung abgezogen. Denn die zugeführte Leistung wird gemessen, wohingegen die Verluste oft berechnet oder experimentell ermittelt werden.
  • Seite 18 Elektromotoren Das Magnetfeld hat eine feste Position im Statorkern, jedoch ändert sich seine Richtung, wie Abb. 1.7 „Eine Phase erzeugt ein Wechselfeld“ zeigt. Die Drehzahl wird durch die Netzfrequenz bestimmt. Bei einer Frequenz von 50 Hz ändert das Feld die Drehrichtung 50 Mal pro Sekunde. Wenn zwei der Phasenwicklungen an die jeweiligen Stromversorgungsphasen angeschlossen sind, werden im Statorkern zwei Magnetfelder erzeugt.

  • Seite 19: Käfigläufermotor

    Elektromotoren Abb. 1.10 Magnetische Feldkomponenten Die Darstellung des rotierenden Felds als Vektor mit einer entsprechenden Winkelgeschwindigkeit beschreibt einen Kreis, wie Abb. 1.10 „Magnetische Feldkomponenten“ zeigt. Die Stärke des Magnetfelds φ aufgrund der Komponenten (φ1, φ2, φ3) ist auch bei unterschiedlichen Momenten konstant (a und b). Als Zeitfunktion in einem Koordinatensystem beschreibt das rotierende Feld eine sinusförmige Kurve.
  • Seite 20 Elektromotoren Eine Variante des Käfigläufers ist der Schleifringläufer, der über gewickelte Spulen für jede Phase verfügt. Die Spulen sind mit Schleifringen verbunden. Bürsten, die über den Schleifring gleiten, ermöglichen den Anschluss von externen Widerständen, die das Motorverhalten ändern (siehe auch Abschnitt 1.3.5 „Drehzahländerung“). Wenn die Schleifringe kurzgeschlossen sind, funktioniert der Rotor als Käfigläufer.

  • Seite 21: Schlupf, Drehmoment Und Drehzahl

    Elektromotoren Wenn der gesamte Rotor sich im rotierenden Feld befindet (siehe Abb. 1.12c „Induktion in den Rotorstäben“), sind die Rotorstäbe Kräften ausgesetzt, die den Rotor zum Drehen bringen. Die Rotordrehzahl (2) ist nicht so hoch wie die Drehzahl des rotierenden Felds (1), da in den Käfigstäben keine Ströme erzeugt werden, wenn der Rotor mit derselben Drehzahl rotiert wie das Feld.
  • Seite 22 Elektromotoren (Kippmoment) (Nenndrehmoment) Abb. 1.14 Wichtige Kennlinien von Motorstrom und Drehmoment Der Betriebsbereich des Motors (0 < n/n₀ < 1) lässt sich in zwei Bereiche unterteilen: • Anlaufbereich (0 < n/n₀ < n /n₀) • Betriebsbereich (n /n₀ < n/n₀ < 1) Diese Bereiche zeichnen sich durch die folgenden Kennlinien aus: Anlaufmoment M a .

  • Seite 23: Typische Betriebsbedingungen

    Elektromotoren Abgesehen vom normalen Betriebsbereich des Motors gibt es zwei Bremsbereiche. • n/n₀ > 1: Der Motor wird von der Last über seiner Synchrondrehzahl (n₀) angetrieben und funktioniert als Generator. In diesem Bereich erzeugt der Motor ein Gegenmoment und speist die Leistung in das Stromversorgungsnetz zurück.

  • Seite 24: Drehzahländerung

    Elektromotoren Die Spulen beeinflussen sich über magnetische Induktion gegenseitig. Die Rotorspule erzeugt einen Strom in der Statorspule und umgekehrt. Diese gegenseitige Beeinflussung bedeutet, dass sich die beiden Stromkreise über ein gemeinsames Element miteinander verbinden lassen, bestehend aus R und X , als Eisenverlustwiderstand und Hauptfeldreaktanz bezeichnet.

  • Seite 25: Startspannung

    Elektromotoren Die Motordrehzahl lässt sich also anpassen, indem man Folgendes ändert: • die Polpaarzahl p des Motors (zum Beispiel bei polumschaltbaren Motoren), • den Motorschlupf s (zum Beispiel bei Schleifringläufermotoren), • die Motornetzfrequenz (für den Motor). (1 - s) x f Anzahl Polpaare Schlupf Frequenz...

  • Seite 26: Schlupfregelung

    Elektromotoren Die Drehzahländerung erfolgt durch das Auswechseln der Statorwicklungen zur Änderung der Polpaarzahl im Stator. Durch das Wechseln von einer kleinen Polpaarzahl (hohe Drehzahl) zu einer hohen Polpaarzahl (niedrige Drehzahl) lässt sich die tatsächliche Motordrehzahl drastisch senken, beispielsweise von 1500 auf 750 U/min. Durch einen schnellen Wechsel von einer höheren zu einer niedrigeren Drehzahl läuft der Motor im generatorischen Bereich.

  • Seite 27: Motor-Typenschild Und Stern- Oder Dreieckschaltung

    Elektromotoren Bei einer geringen Drehzahl ist das Verhältnis anzupassen, um die ohmschen Verluste auszugleichen. In diesem Drehzahlbereich kann eine zusätzliche Fremdkühlung erforderlich sein. 1.3.6 Motor-Typenschild und Stern- oder Dreieckschaltung In der Regel verfügt der Motor über ein Typenschild mit allen wesentlichen Motordaten. Zusätzliche Daten sind im Motorkatalog enthalten oder können vom Hersteller bezogen werden.
  • Seite 28 Elektromotoren Achten Sie insbesondere auf die Motornennspannung in Stern- und Dreieckschaltung. Wenn die Versorgungsspannung höher ist als die Nennspannung der angelegten Konfiguration, kann dies zu einer Beschädigung des Motors führen. Die Verbindung selbst lässt sich häufig durch die Neuanordnung der Brücken an der Motorklemme ändern. Abb. 1.20 Stern- (a) und Dreieckschaltung (b) von Motoren über Brücken am Klemmenblock In der Dreieckschaltung wird an jede Motorphase die volle Versorgungsspannung angelegt, jedoch wird der Strom um den Faktor √3 reduziert.

  • Seite 29: Synchronmotoren

    Elektromotoren 1.4 Synchronmotoren Der Synchronmotor zeichnet sich dadurch aus, dass sich sein Rotor mit derselben Drehzahl dreht wie das Magnetfeld, das die Statorwicklungen erzeugen. Die Konstruktion des Stators ähnelt in vielen Fällen der Konstruktion bei Asynchronmotoren mit verteilten Wicklungen. Einige Hersteller verwenden konzentrische Wicklungen (in Nuten), die einen kompakteren Motoraufbau ermöglichen und die weniger Kupfer erfordern.
  • Seite 30 Elektromotoren Um den Motor so gut wie möglich zu magnetisieren, müssen Informationen zum Rotorwinkel kontinuierlich an den Regler weitergegeben werden. In vielen Anwendungen reichen Strategien ohne Geber zur Bestimmung des Rotorwinkels aus. In Fällen, in denen der Regler sich nicht für eine Regelung ohne Geber eignet, oder auch in hochdynamischen Anwendungen, kommen externe Positionsrückmeldungsgeräte zum Einsatz.

  • Seite 31: Gegen-Emk

    Elektromotoren Da die Magnete sich in Bezug auf das erzeugte Magnetfeld wie Luft verhalten, werden Schenkelpol- und Vollpolfelder erzeugt. Da bei SPM-Motoren L und L denselben Wert haben, wird ein Vollpolfeld erzeugt, während die unterschiedlichen L und L eines IPM-Motors zu einem Schenkelpolfeld führen, das ein zusätzliches Drehmoment im Feldschwächungsbereich erzeugt.

  • Seite 32: Drehmoment- Und Drehzahlbereich

    Elektromotoren Beispiel: 400 V Netzspannung, U = 100 V, U = 1000 V Gegen-EMK bei 1000 U/min DC kritisch 1000 V DC kritisch ×1000 U/min = ×1000 U/min = 5656 U/min kritisch √2 100 V × √2 Gegen-EMK bei 1000 UPM × Der Einsatz eines Bremswiderstands kann solch kritische Situationen vermeiden. Die Motorhersteller verwenden jedoch keine bestimmte Norm, nach der sie Informationen über die Gegen-EMK bereitstellen.

  • Seite 33: Bldc-Motoren (Brushless Dc) Oder Ecm-Motoren

    Elektromotoren M [Nm] Nennleistung Nenn- dreh- moment Nenndrehzahlbereich Über Feldsch- Nenndrehzahl wächung n [min Nenndrehzahl In Bezug Kritische Drehzahl auf Gegen-EMK Abb. 1.25 Betrieb im Feldschwächungsbereich Die größte Gefahr beim Betrieb im Feldschwächungsbereich ist ein Abschalten der Motorsteuerung bei zu hoher Drehzahl, da die hohe Gegen-EMK den Frequenzumrichter beschädigen könnte (siehe Abschnitt 1.4.1.1 „Gegen-EMK“).

  • Seite 34: Lspm-Motor (Line Start Pm Motor)

    Elektromotoren Bei modernen EC/ECM kommen dieselben Steuerverfahren zum Einsatz wie bei PM-Motoren. In der Gebäudeautomation werden EC-Motoren oft als zentrales Element in Ventilatoren eingesetzt. Dadurch sind die Ventilatoren sehr kompakt und verfügen über einen sehr effizienten Motor. Bedauerlicherweise führt die Positionierung des Motors in der Mitte eines Radialventilators zu Luftturbulenzen, die die gesamte Ventilatoreffizienz reduzieren.

  • Seite 35: Reluktanzmotoren

    Elektromotoren läuft. Wenn das Last-Drehmoment wieder unter das Synchronisierungsdrehmoment fällt, findet eine erneute Synchronisierung statt. Der Rotor hält jedoch an, wenn der Motor mit einem Drehmoment belastet wird, das höher ist als sein Induktionskippmoment. Der Nachteil dieses Konzepts ist der Einfluss der Magnete während des Motorstarts. Während der Inbetriebnahme kommt es zu Drehmomentschwankungen und -spitzen sowie zu Geräuschentwicklungen.

  • Seite 36: Synchron-Reluktanzmotor Mit Käfigläufer

    Elektromotoren schlechteren cos φ führt. Wie Abb. 1.28 „Maximaler Leistungsfaktor verglichen mit dem Saliency-Verhältnis“ verdeutlicht, hängt der maximale Leistungsfaktor vom L -Verhältnis ab. Je höher das Verhältnis, desto besser wird der cos φ. Moderne Rotorkonstruktionen verfügen über ein Verhältnis von 4 bis 10. cos φ...

  • Seite 37: Synchron-Reluktanzmotor (Synrm)

    Elektromotoren Ähnlich wie bei der Konstruktion des LSPM-Motors (siehe Abschnitt 1.4.3 „LSPM-Motor (Line Start PM Motor)“) beschleunigt der Motor zu einer fast synchronen Drehzahl, sobald mit einem dreiphasigen Netz verbunden und wenn das erzeugte Drehmoment für die Last ausreichend ist. Wenn er sich der synchronen Drehzahl annähert, wird der Rotor synchronisiert und läuft trotz einer fehlenden Rotorerregung mit synchroner Drehzahl.
  • Seite 38 Elektromotoren Abb. 1.31 Spezielle Gestaltung des Rotorblechs führt zu hohem Wirkungsgrad bei niedrigen Drehmoment-Rippeln Die Konstruktion des Stators und die Wicklungen ähneln denen eines Asynchronmotors. Das Anlegen einer geeigneten Spannung an die verteilten Wicklungen erzeugt ein harmonisches Feld, das zu geringen Oberschwingungsverlusten führt. Auch die Gestaltung des Rotors ist so optimiert, dass sie die Oberschwingungsverluste reduziert und ein Betrieb mit geringen Drehmoment-Rippeln möglich ist.

  • Seite 39: Schaltbarer Reluktanzmotor (Srm)

    Elektromotoren Die Induktivitätskomponenten des SynRM-Rotors ändern sich aufgrund von Sättigungseffekten abhängig von der Last. Daher hängen die einzelnen Induktivitäten L und L vom Strom I und I ) und L )) ab. Ist dies berücksichtigt, ist ein Motorbetrieb mit sehr hoher Energieeffizienz möglich.
  • Seite 40 Elektromotoren Ein direkter Start des Motors am Netz ist nicht möglich. Die Konstruktion ermöglicht ein Drehmoment von 100 % bei unbegrenzter Überziehgeschwindigkeit und einen hohen Wirkungsgrad sogar im Teillastbetrieb. Der doppelte Schenkelpol-Aufbau in Rotor und Stator ist sehr robust, führt jedoch auch oft zu hohen Drehmoment-Rippeln und einer niedrigen Dynamik bei vermehrten Geräuschen.

  • Seite 41: Frequenzumrichter

    Frequenzumrichter 2 Frequenzumrichter Seit den späten 1960er Jahren hat der Frequenzumrichter eine rasante Entwicklung erfahren. So trugen insbesondere die Entwicklungen in der Mikroprozessor- und Halbleitertechnologie sowie die daraus resultierenden Preissenkungen zu größeren Fortschritten bei. Das Grundprinzip des Frequenzumrichters ist jedoch weiterhin unverändert. Wie in der Einleitung beschrieben, besteht die Hauptfunktion eines Frequenzumrichters darin, eine variable Spannung (beispielsweise 0 bis 400 V/0 bis 50 Hz) aus „festen“...

  • Seite 42: Umrichter Mit Zwischenkreis

    Frequenzumrichter Direkt-Umrichter zeichnen sich durch Folgendes aus: • Reduzierter Frequenzreglungsbereich (ca. 25 bis 30 Hz) bei einer Netzfrequenz von 50 Hz • Häufig im Einsatz zusammen mit Synchronmotoren. • Geeignet für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die dynamische Leistung. 2.2 Umrichter mit Zwischenkreis In den meisten Fällen verfügt der Frequenzumrichter über einen Zwischenkreis.
  • Seite 43 Frequenzumrichter Zwischenkreis Beim Zwischenkreis gibt es zwei verschiedene Funktionsweisen; siehe Abb. 2.3 „Topologien der Hauptbestandteile – Zwischenkreis“: • Umwandlung der Gleichrichterspannung in Gleichspannung • Stabilisierung oder Glättung der pulsierenden Gleichspannung, um sie dem Wechselrichter zur Verfügung zu stellen Wechselrichter Der Wechselrichter übernimmt die Umwandlung der konstanten Gleichspannung des Gleichrichters in eine variable Wechselspannung.

  • Seite 44: Abkürzung

    Frequenzumrichter Bei der Konfiguration des Frequenzumrichters lassen sich die verschiedenen Hauptbestandteile kombinieren. Siehe Tabelle 2.1 „Beispiele für Konfigurationen von Frequenzumrichtern“. Konfiguration: Bezug auf Konfigurationsbeispiel Abkürzung Komponenten in Abb. 2.3 1 oder 2 oder 3 und Pulsamplitudenmodulierter Umrichter 6 und 9 oder 10 1 oder 2 oder 3 oder Pulsweitenmodulierter Umrichter 4 und 7 oder 8 und...

  • Seite 45: Ungesteuerte Gleichrichter

    Frequenzumrichter 2.3.1 Ungesteuerte Gleichrichter Ungesteuerte Gleichrichter bestehen aus Dioden; siehe Abb. 2.4 „Funktionsweise der Dioden“. Abb. 2.4 Funktionsweise der Dioden Eine Diode erlaubt einen Stromfluss in nur eine Richtung: von der Anode (A) zur Kathode (K). Der umgekehrte Fluss von Kathode zu Anode wird blockiert. Im Gegensatz zu einigen anderen Halbleitergeräten ist es nicht möglich, die Stromstärke zu steuern.

  • Seite 46: Halbgesteuerte Gleichrichter

    Frequenzumrichter An den anderen beiden Dioden bestehen Gegenspannungen mit den Größen U und U L1-2 L1-3 Dasselbe Prinzip gilt für Diodengruppe D . Hier wird die negative Phasenspannung an 4, 6, 2 Anschluss (B) eingestellt. Wenn L zu einer bestimmten Zeit den negativen Schwellenwert erreicht, leitet Diode D An den anderen beiden Dioden bestehen Gegenspannungen mit den Größen U und U...

  • Seite 47: Gesteuerte Gleichrichter

    Frequenzumrichter In Bezug auf Abb. 2.6 „Funktionsweise der Thyristoren“: Wenn α zwischen 0° und 90° liegt, wird der Thyristorkreis als Gleichrichter genutzt. Wenn α zwischen 90° und 300° liegt, wird der Thyristorkreis als Wechselrichter genutzt. 2.3.3 Gesteuerte Gleichrichter Für (vollständig) gesteuerte Gleichrichter sind Thyristoren erforderlich. Wie bei einer Diode erlaubt der Thyristor nur einen Stromfluss von Anode (A) zu Kathode (K).

  • Seite 48: Active Front-End/Active Infeed

    Frequenzumrichter Verglichen mit dem ungesteuerten Gleichrichter verursacht der vollständig gesteuerte Gleichrichter größere Verluste und Störungen im Versorgungsnetz, weil diese Gleichrichter einen großen Blindstrom aufnehmen, wenn die Thyristoren für kurze Zeiten leiten. Das ist einer der Gründe, warum Thyristoren hauptsächlich im Wechselrichterbereich der Frequenzumrichter eingesetzt werden.

  • Seite 49: Variabler Zwischenkreis

    Frequenzumrichter 2.4.1 Variabler Zwischenkreis Abb. 2.8 Variabler Gleichstromzwischenkreis Bei dieser Art des Zwischenkreises gibt es eine sehr große Spule, auch bekannt als „Drossel“, die mit einem vollständig gesteuerten Gleichrichter kombiniert wird (siehe Abb. 2.3 „Topologien der Hauptbestandteile“, Teil 5, und Abb. 2.8 „Variabler Gleichstromzwischenkreis“). Die Spule wandelt die variable Spannung des gesteuerten Gleichrichters in einen variablen Gleichstrom um.
  • Seite 50 Frequenzumrichter Wenn diese Werte sich unterscheiden, wird das Verhältnis zwischen der Zeit t (wenn der Transistor leitet) und der Zeit t (wenn der Transistor sperrt) angepasst, und variiert auf diese Weise den Effektivwert der Gleichspannung abhängig von der Zeit, während der der Transistor leitet.

  • Seite 51: Konstanter Zwischenkreis

    Frequenzumrichter 2.4.2 Konstanter Zwischenkreis gesteuert Variable Amplitude Konstante Amplitude ungesteuert Abb. 2.11 Konstanter Gleichspannungszwischenkreis Der Zwischenkreis kann aus einem Filter bestehen, der einen Kondensator und/oder eine Spule (Drossel) enthält. Normalerweise werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte Elektrolytkondensatoren verwendet. Auch wenn Kondensatoren eine begrenzte Lebensdauer haben, bieten sie folgende Vorteile: •...

  • Seite 52: Wechselrichter

    Frequenzumrichter Eine Designalternative sind Geräte mit deutlich reduzierten Kondensatorkapazitäten im Zwischenkreis. Diese Schaltungen sind unter der Bezeichnung „schlanker“ Zwischenkreis bekannt und setzen häufig auf günstige Folienkondensatoren. Die schlanken Zwischenkreise führen zu folgenden Effekten: • Senkung der Konstruktionskosten • Kompaktere Bauweise, geringeres Gewicht •...
  • Seite 53 Frequenzumrichter Das Grundprinzip der Wechselrichter ist immer dasselbe, auch wenn sich ihre Funktionsweise unterscheidet. Die Hauptbestandteile sind gesteuerte Halbleiter in Paaren in drei Verzweigungen, siehe Abb. 2.3 „Topologien der Hauptbestandteile“. Transistoren ersetzen zunehmend Thyristoren in den Wechselrichterbaugruppen des Frequenzumrichters, und das hat gute Gründe. Erstens gibt es Transistoren jetzt für hohe Ströme, hohe Spannungen und hohe Schaltfrequenzen.
  • Seite 54 Frequenzumrichter Die Wahl der Wechselrichter-Taktfrequenz ist ein Kompromiss aus Verlusten im Motor (Sinusform des Motorstroms) und Verlusten im Wechselrichter. Mit steigender Taktfrequenz steigen die Verluste im Wechselrichter in Abhängigkeit der Anzahl der Halbleiterkreise. Hochfrequenztransistoren können in drei Haupttypen unterteilt werden: •...

  • Seite 55: Modulationsverfahren

    Frequenzumrichter Eine Freilaufdiode ist zu jedem Transistor parallel geschaltet, weil über die induktive Ausgangslast hohe Induktionsspannungen auftreten können. Die Dioden zwingen die Motorströme, weiter in ihre Richtung zu fließen, und schützen die Schaltkomponenten gegen eingeprägte Spannungen. Auch die vom Motor geforderte Reaktanzleistung können die Freilaufdioden verkraften. 2.6 Modulationsverfahren Die Halbleiter im Wechselrichter leiten oder blockieren –...

  • Seite 56: Pulsweitenmodulation (Pwm)

    Frequenzumrichter Die Pulsamplitudenmodulation kann in bestimmten Anwendungen wie Hochgeschwindigkeits- motoren (10.000 bis 100.000 U/min) zu verringerten Motorgeräuschen und geringfügigen Effizienzvorteilen führen. Allerdings eliminiert dies nicht die Nachteile, wie höhere Kosten für höherwertige Hardware und Steuerprobleme (z. B. höhere Drehmoment-Rippel bei niedrigen Geschwindigkeiten).
  • Seite 57 Frequenzumrichter 1,00 0,866 0,50 -0,50 -0,866 -1,00 Schaltmodus der Phase U Phasenspannung (0-Punkt ≠ halbe Zwischenkreisspannung) Kombinierte Spannung zu Motor Abb. 2.14 Ausgangsspannung PWM Niedrige Statorfrequenzen haben längere Perioden zur Folge. Dabei können diese so lang werden, dass es nicht länger möglich ist, die Dreieck-Frequenz beizubehalten. Werden allerdings die spannungsfreien Zeiträume zu lang, läuft der Motor unregelmäßig.
  • Seite 58 Tabelle im Speicher hinterlegt und werden dann entsprechend dem Sollwert ausgelesen und verarbeitet. Es gibt weitere Möglichkeiten, die Aktivierungs- und Deaktivierungszeiten der Halbleiter zu bestimmen und zu optimieren. Die Steuerverfahren Danfoss VVC und VVCplus basieren auf Mikroprozessorberechnungen, die die optimalen Schaltzeiten für die Halbleiter der Wechselrichter bestimmen.

  • Seite 59: Asynchrone Pwm

    Frequenzumrichter 2.6.3 Asynchrone PWM Die folgenden zwei Abschnitte beschreiben zwei asynchrone PWM-Methoden: • SFAVM (Statorfluss-orientierte asynchrone Vektormodulation) • 60° AVM (asynchrone Vektormodulation) Beide Verfahren können Amplitude und Winkel der Wechselrichterspannung stufenweise ändern. 2.6.3.1 SFAVM SFAVM (Statorfluss-orientierte asynchrone Vektormodulation) ist ein Raumvektor- Modulationsverfahren, das die Wechselrichterspannung nach Belieben stufenweise innerhalb der Schaltzeit (d.
  • Seite 60 Die Motorspannung wird durch kurzes Pulsieren benachbarter Vektoren generiert, um einen Mittelwert zu erzeugen. Einige Merkmale der SFAVM-Methode von Danfoss sind im Folgenden erläutert: • Amplitude und Winkel des Spannungsvektors können in Abhängigkeit des Festsollwerts gesteuert werden, ohne dass es zu Abweichungen kommt.
  • Seite 61 Frequenzumrichter SFAVM bietet eine Verbindung zwischen Steuerungssystem und Stromkreis des Wechselrichters. Die Modulation ist synchron zur Steuerfrequenz des Reglers und asynchron zur Grundfrequenz der Motorspannung. Die Synchronisierung zwischen Steuerung und Modulation ist ein Vorteil für Hochleistungsregelungen (beispielsweise Spannungsvektor oder Flux-Vektor), da das Steuerungssystem den Spannungsvektor direkt und ohne Einschränkungen steuern kann.

  • Seite 62: Avm

    Frequenzumrichter 2.6.3.2 60° AVM 60° AVM (asynchrone Vektormodulation) bestimmt die Spannungsvektoren - im Gegensatz zur SFAVM - wie folgt: • In einer Schaltperiode wird nur ein Nullvektor (000 oder 111) verwendet • Ein Nullvektor (000 oder 111) wird nicht immer als Startpunkt für eine Schaltsequenz genutzt •...

  • Seite 63: Steuerkreis Und Methoden

    Frequenzumrichter 2.7 Steuerkreis und Methoden Der Steuerkreis (oder die Steuerkarte) ist das vierte Hauptelement des Frequenzumrichters. Die drei bisher besprochenen Hardwarekomponenten (Gleichrichter, Zwischenkreis und Wechselrichter) basieren unabhängig vom Hersteller fast immer auf den gleichen Grundlagen und Komponenten. In den meisten Fällen handelt es sich dabei um Standardkomponenten, die fast immer dieselben externen Hersteller zuliefern.

  • Seite 64: Drehzahlregelung

    Frequenzumrichter Abb. 2.20 „Drehzahlregelung“ und Abb. 2.21 „Drehmomentregelung“ zeigen diese Einteilung. Hier bezieht sich die Antwortzeit darauf, wie lange der Frequenzumrichter benötigt, um einen entsprechenden Signalwechsel an seinem Ausgang zu berechnen, wenn es einen Signalwechsel am Eingang gibt. Die Motorkennlinie bestimmt, wie lange es dauert, bis eine Antwort an der Motorwelle registriert wird, wenn ein Signal am Eingang des Frequenzumrichters anliegt.

  • Seite 65: Einfache Steuermethode

    Frequenzumrichter Die zu den einzelnen Frequenzumrichtertypen gehörenden Drehzahleinstellbereiche sind etwa wie folgt: • Einfach (skalar) ohne Kompensation 1:15 • Skalar mit Kompensation 1:25 • Raumvektor 1:100(0) • Flux (feldbezogen) ohne Rückführung 1:1000 • Flux (feldbezogen) mit Rückführung 1:10.000 • Servoregler 1:10.000 Somit ist folgende Einteilung der Drehmomentregelung möglich: •...

  • Seite 66: Skalare Steuerung Mit Kompensation

    Frequenzumrichter 2.7.2 Skalare Steuerung mit Kompensation Wechselrichter Netz Motor Gleichrichter Stator Stator Spannungs- Wechselrichter- Rampe ∆f ∆U generator steuerung Last- kompen- sator wirk Stromaus- Schlupf- gleichs- ausgleich berechnung Abb. 2.22 Skalarer Frequenzumrichter mit Kompensation Im Vergleich zu einer einfachen Steuerung verfügen Frequenzumrichter mit Kompensation über drei neue Steuerfunktionsblöcke;...

  • Seite 67: Raumvektor Mit Und Ohne Rückführung

    • Probleme während schneller Reversierung verglichen mit Flux-Vektor • Keine „schnelle“ Stromregelung 2.7.3.1 Raumvektor (ohne Rückführung) Bei Einsatz eines Raumvektors ohne externe Rückführung berechnet die Steuersoftware Drehzahl und Position basierend auf den Informationen über gemessenen Motorstrom und -frequenz (siehe Beispiel in Abb. 2.26 „Grundprinzipien der Danfoss VVCplus-Steuerung“).

  • Seite 68: Raumvektor (Mit Rückführung)

    Frequenzumrichter Basisfunktionen: • Spannungsvektorsteuerung in Bezug auf Kennwerte im stationären Zustand (statisch) Typische Wellenleistung: • Drehzahleinstellbereich 1:100 • Drehzahlgenauigkeit (stationärer Zustand) ± 0,5 % der Nennfrequenz • Beschleunigungsmoment 80-130 % des Nenndrehmoments • Antwortzeit Drehzahländerung 50-300 ms • Antwortzeit Drehmomentänderung 20-50 ms 2.7.3.2 Raumvektor (mit Rückführung) Bei der Raumvektormethode mit Rückführung ist ein Drehgeber oder anderer Sensor zum...

  • Seite 69: Flux-Vektor-Regelung Mit Und Ohne Rückführung

    Frequenzumrichter 2.7.4 Flux-Vektor-Regelung mit und ohne Rückführung Die Flux-Vektor-Regelung wird oft auch als feldbezogene Regelung bezeichnet. Die oben erwähnten Regelmethoden steuern den Magnetfluss des Motors über den Stator. Bei der feldbezogenen Regelung wird der Rotorfluss direkt gesteuert. In diesem Kontext erfolgt die Steuerung der folgenden Motorvariablen: •...

  • Seite 70: Flux-Vektor (Mit Rückführung)

    Frequenzumrichter 2.7.4.2 Flux-Vektor (mit Rückführung) Die Flux-Vektor-Methode mit Rückführung erfordert einen Drehgeber oder anderen Sensor an der Motorwelle. Die Steuerungssoftware und die Auflösung der Rückführung bestimmen die Genauigkeit der Motorsteuerung. Die Steuerung funktioniert genauso wie bei der Regelung ohne Rückführung. In diesem Fall wird die Drehzahl jedoch aus den Drehgebersignalen berechnet und nicht geschätzt.

  • Seite 71: Servoantriebssteuerung

    Bediener die für die jeweilige Steuermethode erforderlichen Parameter einstellen, um so die Anforderungen der Anwendung zu erfüllen. 2.8 Danfoss-Steuerverfahren Abb. 2.24 „Grundprinzipien der aktuellen Standard-Frequenzumrichter von Danfoss“ zeigt eine allgemeine Übersicht der Standardstromsteuerverfahren für die Frequenzumrichter von Danfoss. Software...

  • Seite 72: Steuerverfahren Danfoss Vvcplus

    • Drehmomentregelung • Betrieb an der Motorstromgrenze 2.8.1 Steuerverfahren Danfoss VVCplus Das Steuerverfahren Danfoss VVCplus nutzt eine Vektormodulationsmethode für konstante Spannungszwischenkreis-PWM-Wechselrichter. Abhängig vom Steuerungsbedarf der Anwendung nutzt es dafür ein vereinfachtes Motorersatzschaltbild (d. h. ohne Berücksichtigung der Eisen-, Kupfer- und Luftströmungsverluste) oder das vollständige und komplexe Ersatzschaltbild.
  • Seite 73 Frequenzumrichter Der Steueralgorithmus berücksichtigt zwei Betriebsbedingungen: • Keine Last (Leerlauf ); siehe Abb. 2.25a „Motor-Ersatzschaltbild ’keine Last’“. Im Leerlauf wirkt keine Last auf die Motorwelle. Bei Fördereinrichtungen bedeutet „keine Last“, dass sie keine Produkte transportieren. Es wird einfach angenommen, dass der vom Motor aufgenommene Strom nur für Magnetisierung und Ausgleich der Verluste benötigt wird.
  • Seite 74 Frequenzumrichter Die zusätzliche Spannung U wird mithilfe der Ströme, die unter den zwei oben genannten Comp Bedingungen (mit und ohne Last) auftreten, sowie des Drehzahlbereichs bestimmt: niedrige oder hohe Drehzahl. Die Bestimmung von Spannungswert und Drehzahlbereich erfolgt dann anhand der Nennmotordaten. Das untenstehende Blockschaltbild zeigt das Steuerverfahren: Wechselrichter Netz...
  • Seite 75 Statorstreuinduktivität Rotorstreuinduktivität Tabelle 2.3 Erklärung der in den folgenden Abbildungen verwendeten Symbole: Abb. 2.23 Flux-Vektor-Regelung mit Rückführung Abb. 2.24 Grundprinzipien der aktuellen Standard-Frequenzumrichter von Danfoss Abb. 2.25a Motor-Ersatzschaltbild „keine Last“ Abb. 2.25b Motor-Ersatzschaltbild „unter Last“ Abb. 2.26 Grundprinzipien der VVCplus-Steuerung...

  • Seite 76: Danfoss Flux-Vektor-Steuerung

    Parameter, da diese in den Betriebshandbüchern zu finden sind. Eine kurze Beschreibung der Steuerungsstrategie wird in Abb 2.27 „Grundlegende Prinzipien der Danfoss Flux-Vektor-Regelung“ gezeigt. Eine Flux-Datenbank ist im Frequenzumrichter gespeichert. Die in allen 3 Phasen gemessenen Ströme werden in Polarkoordinaten (xy) umgerechnet.

  • Seite 77: Normen Und Gesetzgebung

    Frequenzumrichter 2.9 Normen und Gesetzgebung Wie bei anderen Produkten auch gibt es überall auf der Welt gesetzliche Vorschriften und technische Normen, um einen sicheren Betrieb des Frequenzumrichters zu gewährleisten. Die Gesetze erlässt die gesetzgebende Gewalt der nationalen oder lokalen Regierung und sie können sich natürlich in den verschiedenen Ländern unterscheiden.

  • Seite 78: Frequenzumrichter Und Motoren

    Frequenzumrichter und Motoren 3 Frequenzumrichter und Motoren Die vorangegangenen Kapitel haben Motor und Frequenzumrichter separat betrachtet. Dieses Kapitel beschreibt nun die Interaktion zwischen den zwei Komponenten. 3.1 Grundprinzipien 3.1.1 U/f-Betrieb und Feldschwächung Die technischen Hauptmerkmale eines Motors stehen auf seinem Typenschild. Diese Informationen sind sehr wichtig für den Elektroinstallateur, da die Werte für Spannung, Frequenz und Volllaststrom angegeben sind.
  • Seite 79 Frequenzumrichter und Motoren U [V] M [Nm] U x l (Konstante Last) Last 10 % Reduzierter Bereich f [Hz] f [Hz] a) U/f-Kennliniensteuerung (ideal) b) M/n-Kennlinie (ideal) Abb. 3.1 U/f-Kennlinie und Drehmoment Abb. 3.1 „U/f-Kennlinie und Drehmoment “ zeigt die ideale Kurve der U/f-Kennlinie für einen 50-Hz-Motor mit Sternschaltung.

  • Seite 80: 87-Hz-Betrieb

    Frequenzumrichter und Motoren 3.1.2 87-Hz-Kennlinien Typischerweise werden Asynchronmotoren, die mit Frequenzumrichtern arbeiten, auf die Nennspannung des Netzes hin konfiguriert. Das bedeutet, dass ein 400 V/230 V-Motor in Sternschaltung angeschlossen ist, wenn er von einem 400 V-Frequenzumrichter betrieben wird. Wie im vorherigen Abschnitt beschrieben, entsteht bei einem 50 Hz-Motor eine Feldschwächung, wenn eine weitere Spannungserhöhung nicht mehr möglich ist.
  • Seite 81 Frequenzumrichter und Motoren U [V] M [Nm] U x l (Konstante Last) Last Sternschaltung 10 % Dreieckschaltung Reduzierter Reduzierter Bereich Bereich F [Hz] F [Hz] a) 87-Hz-U/f-Kennliniensteuerung (ideal) /n-Kennlinie (ideal) Abb. 3.2 87-Hz-Kennlinie Hier liegt also die Nennflussdichte (Φ) bis 400 Volt vor, sogar wenn der Motor für 230 Volt ausgelegt ist.

  • Seite 82: Betrieb An Der Stromgrenze

    Frequenzumrichter und Motoren 3.1.3 Betrieb an der Stromgrenze Wie bereits erläutert, zeigt die Beziehung zwischen Drehmoment an der Motorwelle und Motorstrom, dass das Drehmoment unter Kontrolle ist, wenn der Motorstrom geregelt werden kann. Wenn eine Anwendung zeitweise ein maximales Drehmoment benötigt, ist es wesentlich, dass der Frequenzumrichter für einen kontinuierlichen Betriebsstrom bis zur Stromgrenze ausgelegt ist, und dass diese nicht überschritten wird bzw.

  • Seite 83: Lastabhängiger Startausgleich

    Strommessung (Wirkstrom) bestimmt. Dieser Ausgleich heißt normalerweise I × R-Ausgleich, Boost, Drehmomentanhebung oder – bei Danfoss – Startausgleich. Diese Regelung erreicht ihre Grenzen, wenn Störungen schlecht zu messen sind und die Last sehr variabel ist (beispielsweise bei Motoren mit Veränderungen im Betrieb beim Wicklungswiderstand von bis zu 25 % zwischen heiß...

  • Seite 84: Lastausgleich

    Frequenzumrichter und Motoren Motor Ohne Last Lastaus- gleich Ausgleichs- spannung f [Hz] M [Nm] 100 % 50 % n [1/min] Abb. 3.3 Echte U/f - und M/n-Kennlinien Abb. 3.3 zeigt, wie der Motor bei niedrigen Drehzahlen als Ausgleich zusätzliche Spannung erhält.

  • Seite 85: Kompensation Bei Pm-Motor Und Synrm

    Frequenzumrichter und Motoren Der Schlupf liegt jedoch bei ca. 50 % der erforderlichen Drehzahl, wenn der Frequenzumrichter einen Motor bei 300 U/min steuert (10 % der Nennsynchrondrehzahl von 3000 U/min). Muss der Frequenzumrichter den Motor auf 5 % der Nenndrehzahl herunter regeln, wird der Motor unter Last letztlich absterben.

  • Seite 86: Automatische Motoranpassung (Ama)

    Installation kompliziert und zeitaufwendig sein. Um Installation und Inbetriebnahme zu erleichtern, setzen sich automatische Konfigurations- funktionen wie die AMA (Automatische Motor Anpassung) von Danfoss zunehmend durch. Diese Funktionen messen beispielsweise Statorwiderstand und Induktivität. Zudem berücksichtigen sie Auswirkungen der Kabellänge zwischen Frequenzumrichter und Motor.

  • Seite 87: Betrieb

    Frequenzumrichter und Motoren 3.4 Betrieb 3.4.1 Motordrehzahlsteuerung Die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters – und damit die Motordrehzahl – steuern ein oder mehrere Signale (0-10 V; 4-20 mA oder Spannungspulse) als Drehzahlsollwert. Wenn der Drehzahlsollwert steigt, steigt die Motordrehzahl, und der vertikale Teil der Drehmomentkennlinie verschiebt sich nach rechts (Abb.

  • Seite 88: Reversierung

    Frequenzumrichter und Motoren 3.4.2 Reversierung Die Phasenfolge der Versorgungsspannung bestimmt die Drehrichtung der Asynchron- und Synchronmotoren. Sind zwei der Phasen vertauscht, ändert sich die Drehrichtung des Motors (der Motor läuft rückwärts). Abb. 3.6 Bei vertauschter Phasenfolge ändert sich die Drehrichtung des Motors Ein Frequenzumrichter kann den Motor durch elektronische Änderung der Phasenfolge rever- sieren.

  • Seite 89: Rampen Für Beschleunigung Und Verzögerung (Auf- Und Ab-Rampe)

    Frequenzumrichter und Motoren 3.4.3. Rampen für Beschleunigung und Verzögerung (Auf- und Ab-Rampe) Bei vielen Anwendungen darf die Änderung der Drehzahl aus verschiedenen Gründen nicht zu schnell erfolgen, sondern eher langsam oder mit sanften Übergängen. Dafür verfügen moderne Frequenzumrichter über Rampenfunktionen. Diese Rampen lassen sich je nach Anforderung anpassen und stellen sicher, dass der Drehzahlsollwert nur in festgelegten Grenzen steigen oder sinken kann.
  • Seite 90 Frequenzumrichter und Motoren –n = J × – M ) × 9,55 Reib –n = J × Verz ) × 9,55 Reib ist das Trägheitsmoment von Motorwelle und Last [kgm²]. ist das Reibungsmoment des Systems [Nm]. Reib ist das Überschussmoment für die Beschleunigung [s]. ist das Bremsmoment, das beim Verringern des Drehzahlsollwerts auftritt [s].

  • Seite 91: Drehmomentregelung

    Frequenzumrichter und Motoren Beschleuni- Betrieb Verzögerung Beschleuni- Betrieb Verzögerung gung gung a) Ohne Glätten b) Mit Glätten Abb. 3.9 Lineare Rampe (a) und S-Rampe (b) 3.4.4 Motordrehmomentregelung Das Motordrehmoment ist ein weiterer Parameter, der wichtig für die Anwendung ist. Abb. 3.5 zeigt, dass sich die Stromgrenze des Motors kurzzeitig überschreiten lässt.

  • Seite 92: Watchdog

    Frequenzumrichter und Motoren Eine weitere Funktion in einigen Frequenzumrichtern dient der Drehmomentverteilung. Drehmomentverteilung bedeutet, dass ein Motor die Drehzahl vorgibt und weitere Frequenzumrichter mit derselben Drehzahl arbeiten und automatisch das Drehmoment gleichmäßig auf die Motoren verteilen. Beispiel Bei einem 100 Meter langen Förderband verteilen sich zahlreiche Antriebe über die gesamte Länge.

  • Seite 93: Dynamischer Bremsbetrieb

    Frequenzumrichter und Motoren 3.5 Dynamischer Bremsbetrieb Maschinen können potentielle oder kinetische Energie erzeugen, die aus Prozessgründen aus dem System abzuführen ist. Potentielle Energie entsteht durch Einwirkung der Schwerkraft, wenn beispielsweise eine Last gehoben oder in einer Position gehalten wird. Kinetische Energie entsteht durch Bewegung, wenn z. B. eine Zentrifuge mit einer bestimmten Drehzahl läuft und diese verringert oder ein Wagen gestoppt werden soll.

  • Seite 94: Verlängerung Der Verzögerungsrampe

    Frequenzumrichter und Motoren Normalerweise sind dies folgende Maßnahmen: • Verlängerung der Rampenzeit der Verzögerung • Energieabbau im Motor. Das heißt, der Motor dient als Bremswiderstand • Der Frequenzumrichter erhält einen elektronischen Bremschopper-Kreis und passende Bremswiderstände • Einsatz einer generatorischen Bremseinheit zum Zurückspeisen der Energie ins Netz •...

  • Seite 95: Einsatz Einer Generatorischen Bremseinheit

    Frequenzumrichter und Motoren 3.5.3 Bremschopper-Kreis (Bremsmodul) und Bremswiderstand Der Bremschopper-Kreis besteht im Wesentlichen aus einem Transistor (z. B. IGBT), der die zu hohe Spannung „zerhackt“ und zum angeschlossenen Widerstand weiterleitet. Während der Inbetriebnahme erhält der Steuerkreis die Information, dass ein Bremswiderstand angeschlossen ist.

  • Seite 96: Statischer Bremsbetrieb

    Frequenzumrichter und Motoren Abb. 3.12 „Rückspeisefähige Bremseinheit“ zeigt vereinfachte Versionen des Funktionsprinzips. Netzversorgung Netzversorgung Antrieb Erzeugend Antrieb Erzeugend Zwischenkreis Zwischenkreis Abb. 3.12 Rückspeisefähige Bremseinheit: Motorphasensteuerung an (a), Motorphasensteuerung aus (b) Eine Einschätzung der Wirtschaftlichkeit des Einsatzes dieser Lösungen finden Sie in Kapitel 4 „Energieeinsparung mit Frequenzumrichtern“.

  • Seite 97: Stopp Mit Motorfreilauf

    Frequenzumrichter und Motoren 3.6.2 DC-Bremsung Eine Gleichspannung über zwei beliebige der drei Motorphasen erzeugt ein stationäres Magnetfeld im Stator. Dieses Feld kann kein hohes Bremsmoment bei Nennfrequenz erzeugen. Die Bremsleistung bleibt im Motor und kann zu Überhitzung führen. Drei Parameter sind für die DC-Bremsung erforderlich: •...

  • Seite 98: Motorkühlung Und Thermische Überwachung

    Frequenzumrichter und Motoren 3.7 Motorkühlung und thermische Überwachung Energie, die während des Betriebs in Motoren verloren geht, heizt den Motor auf. Bei starker Belastung des Motors ist daher eine Kühlung erforderlich. Abhängig vom System lassen sich Motoren auf verschiedene Weisen kühlen: •...
  • Seite 99 Frequenzumrichter und Motoren Diagramm 1: Motor mit Nenngröße, z. B. 15 kW Diagramm 2: Motor mit Übergröße, z. B. 22 kW Abb. 3.13 M/n-Kennlinien mit und ohne externe Kühlung Anstelle einer Zusatzkühlung kann auch die Motorbelastung reduziert werden. Dies kann durch die Verwendung eines größeren Motors erfolgen.

  • Seite 100: Funktionale Sicherheit

    Frequenzumrichter und Motoren Alternativ kann auch eine Flüssigkühlung beim Motor zum Einsatz kommen. Flüssigkeitskühlung ist normalerweise bei Sondermotoren eingebaut. Zum Schutz des Motors verfügt der Frequenzumrichter über zwei Temperaturüberwachungsmethoden: Berechnung: Die Motortemperatur wird anhand eines mathematischen Motormodells berechnet Messung: Thermistoren oder PTC im Motor können zur Überwachung der Temperatur mit dem Frequenzumrichter verbunden sein Die entsprechende Reaktion auf eine Überhitzung des Motors lässt sich passend für die Anwendung programmieren.

  • Seite 101: Funktion

    Frequenzumrichter und Motoren Normalerweise werden in den verschiedenen Gesetzestexten und Normen Abkürzungen zur Beschreibung der Sicherheitsfunktion und Sicherheitsstufe verwendet. Funktion Beschreibung Abbildung Aktivierung von STO Der Motor erhält keine Energie, um Safe Torque Off Drehmoment/Rotation zu erzeugen. Diese Funktion entspricht Stopp- kategorie 0 gemäß...
  • Seite 102 Frequenzumrichter und Motoren Der Frequenzumrichter verfügt über einige zusätzliche Funktionen für funktionale Sicherheit: • SOS Sicherer Betriebsstopp • SS2 Sicherer Stopp 2 • SDI Sichere Richtung • SBC Sichere Bremsansteuerung • SAM Überwachung der sicheren Beschleunigung • SLP Sichere Grenzposition •...
  • Seite 103 Frequenzumrichter und Motoren Die SISTEMA-Software unterstützt Entwickler und Prüfer von sicherheitsrelevanten Maschinensteuerungen bei der Evaluierung der Sicherheit gemäß ISO 13849-1. Mit diesem Tool lässt sich die Struktur der sicherheitsrelevanten Steuerkomponenten basierend auf den vorgesehenen Architekturen modellieren. Diese Modellierung ermöglicht eine automatische Berechnung der Zuverlässigkeitswerte mit verschiedenen Detailgraden, einschließlich des erreichten PL (Performance Level).

  • Seite 104: Energie Sparen Mit Frequenzumrichtern

    Energieeinsparung mit Frequenzumrichtern 4 Energieeinsparung mit Frequenzumrichtern 4.1 Potential Elektromotoren sind für ca. 48 % des weltweiten Verbrauchs an elektrischer Energie verantwortlich (1). Bei Industrieanwendungen liegt diese Zahl sogar noch höher. Je nach Region oder Industriebereich verbrauchen Elektromotoren 65 bis 75 % der elektrischen Energie. Aus diesem Grund steckt in der elektrischen Antriebstechnik ein hohes Potenzial für die Reduzierung des weltweiten Energieverbrauchs.

  • Seite 105: Effizienz Von Motor Und Frequenzumrichter

    Energieeinsparung mit Frequenzumrichtern 4.2 Effizienz von Motor und Frequenzumrichter Die Effizienz eines aus einem mit einem Frequenzumrichter betriebenen Motor bestehenden Systems lässt sich durch einfaches Multiplizieren der einzelnen Effizienzwerte berechnen. η = η η Motor * System Frequenzumrichter Abb. 4.2 „Effizienzbeispiel von Frequenzumrichtern (A = 100 % Last/B = 25 % Last)“ zeigt typische Effizienzkurven von Frequenzumrichtern bei zwei verschiedenen Lasten.

  • Seite 106: Klassifizierung Energieeffizienter Komponenten

    Energieeinsparung mit Frequenzumrichtern Infolgedessen hat der Motor einen großen Einfluss auf die Effizienz des Systems (Abb. 4.4 „Effizienzbeispiel einer Motor-Frequenzumrichter-Kombination (A = 100 % Last/B = 25 % Last“). Abb. 4.4 Effizienzbeispiel einer Motor-Frequenzumrichter-Kombination Auch wenn es die gängige Praxis ist, die Effizienz der einzelnen Komponenten zu bestimmen und zu bewerten, hängt die Genauigkeit dieses Werts stark von der Anzahl der verwendeten Dezimalstellen ab.

  • Seite 107: Übersetzung

    Energieeinsparung mit Frequenzumrichtern Antriebssystem (PDS) Komplettes Antriebsmodul (CDM) Angetriebene Geräte Basis- Netz & Speise- Hilfs- Über- antriebs- Lastma- Motor Verka- abschnitt geräte setzung modul schine belung (BDM) Häu g als VSD (drehzahlveränderlicher Antrieb) bezeichnet Abb. 4.5 Definition von CDM und PDS (Power Drive System) Die Definition der IE-Klassen erfolgt in Bezug auf ein Referenz-CDM (RCDM).

  • Seite 108: Motor-Frequenzumrichter-Kombination

    Energieeinsparung mit Frequenzumrichtern Motoren Für den Leistungsbereich 0,12-1000 kW definiert die Norm IEC/EN 60034-30-1 die Effizienzklas- sen IE1 bis IE4 für Elektromotoren. Auch wenn die Norm für alle Motortypen gilt, sind einige Mo- torarten (z. B. Bremsmotoren) ausgeschlossen. Verschiedene Länder und Regionen nutzen die Grenzwerte der IE-Klasse, um Mindesteffizienzwerte (MEPS) zu definieren, um so den Einsatz von Motoren mit geringer Effizienz zu beschränken.

  • Seite 109: Energieeffizienter Motorstart

    Energieeinsparung mit Frequenzumrichtern Allgemein sind alle Optimierungen möglich, solange die Dokumentation diese angibt. Infolgedessen ist es schwierig, zwei PDS-Werte zu vergleichen, da sie sehr wahrscheinlich auf unterschiedlichen Rahmenbedingungen basieren. Die IES-Klasse für Kombinationen aus Motor und Frequenzumrichter zeigt die Komplexität einer Systemoptimierung und verdeutlicht, dass die Auswahl aller Komponenten sehr sorgfältig erfolgen muss, um die Anwendung zu optimieren.
  • Seite 110 Energieeinsparung mit Frequenzumrichtern Es besteht die Möglichkeit, Softstarter einzusetzen. Diese passen die Motorspannung wie Stern/Dreieck-Starter an, jedoch linear. Das Gerät erhöht die Spannung bis zum Erreichen der programmierten Stromgrenze. Der Grenzwert hängt von der Anwendung ab, normalerweise liegt der Wert zwischen 300 und 500 % des Volllaststroms. Beim Beschleunigen des Motors sinkt der Strom und das Gerät erhöht die Spannung noch weiter.

  • Seite 111: Energieeffiziente Motorsteuerung

    Energieeinsparung mit Frequenzumrichtern Abb. 4.9 „Vergleich des Motorstarts direkt am Netz mit Start durch Softstarter“ und Abb. 4.10 „Vergleich des Motorstarts direkt am Netz mit Start durch Frequenzumrichter bei 160 % Überlast“ zeigen die Drehmoment- und Stromkurven zum Starten eines Motors mit konstanter Last direkt am Netz, durch einen Softstarter und durch einen Frequenzumrichter.

  • Seite 112: Automatische Energieoptimierung

    Energieeinsparung mit Frequenzumrichtern Max. Drehmoment je Ampere Diese Strategie minimiert den Statorstrom für ein erforderliches Drehmoment unter Berücksichti- gung der Reluktanz-Drehmomente. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, sind Schwankungen der Induktivitäten während des Betriebs zu berücksichtigen. Konstante Leistungsfaktor-Steuerung Diese Strategie erlaubt es, den Winkel zwischen Strom- und Spannungsvektor konstant zu halten, sodass eine Reduzierung der Scheinleistung des Wechselrichters möglich ist.

  • Seite 113: Lastprofile Über Die Zeit

    Energieeinsparung mit Frequenzumrichtern 4.6 Last im Zeitverlauf Bei jedem Teil des Systems gibt es Verluste. Deshalb sollte das Ziel sein, so wenig Komponenten wie möglich zum System hinzuzufügen. Gleiches gilt auch für Frequenzumrichter. Das Hinzu- fügen eines Umrichters zu einem Motor, der den ganzen Tag bei Volllast und voller Drehzahl laufen muss, führt nur zu zusätzlichen Verlusten.
  • Seite 114 Energieeinsparung mit Frequenzumrichtern Durch uss ist proportional zur Drehzahl Druck oder Förderhöhe ist proportional zur Drehzahl im Quadrat Leistung ist in dritter Potenz proportional zur Drehzahl Der Durchfluss Q steigt mit steigender Drehzahl (UPM) linear, während der Druck (Förderhöhe) H quadratisch und die Leistungsaufnahme P mit der dritten Potenz steigen.

  • Seite 115: Anwendungen Mit Konstantem Drehmoment

    Energieeinsparung mit Frequenzumrichtern Bei Drehzahlregelung eines Lüfters oder einer Pumpe bewegt sich der Betriebspunkt entlang der Systemkennlinie. Dies bewegt das System weg von seiner höchsten Effizienz, die damit norma- lerweise leicht abnimmt. Doch Energieeinsparungen durch die reduzierte Drehzahl sind immer noch viel höher, als beim Drosseln oder mit anderen mechanischen Regelungen.

  • Seite 116: Lebenszykluskosten

    Energieeinsparung mit Frequenzumrichtern Die von solch einem System benötigte Energie ist proportional zum erforderlichen Drehmoment und der Drehzahl des Motors. P ~ M x n Wenn sich die Drehzahl bei einer konstanten Last verringern lässt, wie beispielsweise bei Kühlzy- klen, führt dies direkt zu Energieeinsparungen. In anderen Anwendungen mit konstanter Last hat eine reduzierte Drehzahl keine großen Auswirkungen.

  • Seite 117: Systemeinsparungen

    Energieeinsparung mit Frequenzumrichtern 4.8 Systemeinsparungen Beim Versuch, die Energieeffizienz eines neuen oder bestehenden Prozesses bzw einer Maschine zu verbessern, muss immer das Gesamtsystem im Mittelpunkt der Betrachtung stehen. Vorhandene Anlagen haben den Vorteil, dass Messungen zur Bestimmung der Verluste möglich sind.
  • Seite 118 Energieeinsparung mit Frequenzumrichtern LCC = K Betr Wart = anfängliche Kapitalkosten (Anschaffungskosten) = Installations- und Inbetriebnahmekosten = Energiekosten = Kosten für Ausfallzeiten und Produktionsverluste = Betriebskosten = Umweltkosten Betr = Wartungskosten = Kosten für Außerbetriebnahme und Entsorgung Wart Einer der größten Faktoren bei den Lebenszykluskosten sind die Energiekosten. Höhere Investitionen dagegen, die den Energieverbrauch senken, haben bei vielen Anwendungen nur äußerst geringe Auswirkungen.

  • Seite 119: Nutzung Zurückgespeister Leistung

    Energieeinsparung mit Frequenzumrichtern 4.9 Nutzung zurückgespeister Leistung Der generatorische Betrieb von Elektromotoren ist möglich, wenn z. B. ein Asynchronmotor schneller läuft als seine Synchrondrehzahl. Dies tritt beispielsweise dann auf, wenn der Motor abbremst. In den meisten Fällen leitet der Anwender die erzeugte Energie in Bremswiderstände um, die diese in Wärme umwandeln.
  • Seite 120 Energieeinsparung mit Frequenzumrichtern 13,16 kW 10,23 kW 11 kW 550 W 451 W 1155 W 770 W Abb. 4.20 Systemverluste während des Motorbetriebs 7,73 kW 10,23 kW 9,51 kW 476 W 312 W 999 W 716 W Abb. 4.21 Systemverluste während des generatorischen Betriebs Die durch AFE oder AIC erzeugten Verluste sind dabei viel höher als bei einem Standard- Frequenzumrichter.

  • Seite 121: Standardfrequenzumrichter

    Energieeinsparung mit Frequenzumrichtern Anwendung: Aufzug in Wohngebäude Belastung: 1100 kg Betrieb: 1 h pro Tag η =90 % η =80 % η =88 % (IE2) η =95 % η =97 % Getriebe Hubweg Motor Standby-Verluste: AIC = 40 W, VSD = 40 W Ergebnis: AFE/AIC Standardfrequenzumrichter...

  • Seite 122: Elektromagnetische Verträglichkeit

    Elektromagnetische Verträglichkeit 5 Elektromagnetische Verträglichkeit 5.1 EMI und EMV Der Begriff der elektromagnetischen Interferenzen (EMI) bezeichnet die Verschlechterung der Leistung eines Geräts durch elektromagnetische Störungen. EMI ist beispielsweise die Ursache für zufällige Punkte und Linien auf einem Fernsehbildschirm (häufig „Schnee“ genannt), die auftauchen, während im gleichen Raum ein Staubsauger läuft. In diesem Beispiel ist der Staubsauger die Störungsquelle, während der Fernseher die Störungen empfängt und somit die Störungssenke ist.
  • Seite 123 Elektromagnetische Verträglichkeit • elektrische Geräte, die dafür vorgesehen sind, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen: z. B. ein tragbarer Radiosender oder ein Mobiltelefon. Die Kunst bei der EMI-Fehlersuche besteht darin, die Störungsquelle und den Kopplungsmechanismus zu ermitteln und dann mit geeigneten Maßnahmen die Störungskopplung auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren.

  • Seite 124: Emv Und Frequenzumrichter

    Elektromagnetische Verträglichkeit Gleichtakt und Gegentakt In Bezug auf leitungsgebundene Störungen fallen häufig die Begriffe Gleichtakt (CM - Common Mode) und Gegentakt (DM - Differential Mode). Quelle Last Bezugserde Abb. 5.3 Gleichtakt und Gegentakt Im Gegentaktbetrieb (DM) laufen die Störungen zusammen mit dem gewünschten Signal über beide Leitungen der Stromschleife in entgegengesetzter Richtung.

  • Seite 125: Störfestigkeit

    Elektromagnetische Verträglichkeit Die Störquelle ist der Wechselrichter mit Gleichspannungszwischenkreis, der eine impulsförmige Ausgangsspannung mit sehr kurzen Anstiegs- und Abfallzeiten erzeugt (auch ausgedrückt als hohe du/dt-Werte). Diese Spannung wird über Streukapazitäten im Motorkabel und im Motor an Erde angelegt und führt zu einem Gleichtaktstrom: ×...

  • Seite 126: Abschirmung

    Elektromagnetische Verträglichkeit • Elektrische Sicherheit: Schutzerdung stellt sicher, dass im Falle einer Verschlechterung der elektrischen Isolierung an leitfähigen Teilen, die Personen berühren könnten, keine Spannung anliegt. Sie beugt so der Gefahr eines Stromschlags vor. • Reduzierung von Störungen: Ein Potenzialausgleich reduziert Spannungsunterschiede, die zu Störaussendungen oder -anfälligkeit führen könnten.
  • Seite 127 Elektromagnetische Verträglichkeit Die Abschirmleistung eines Kabels wird in Form seiner Übertragungsimpedanz Z angegeben. Die Übertragungsimpedanz setzt einen Strom an der Oberfläche der Abschirmung mit den durch diesen Strom auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Abschirmung erzeugten Spannungsabfall in Verbindung: Abb. 5.6 Darstellung der Übertragungsimpedanz , wobei L die Kabellänge ist •...
  • Seite 128 Ende des abgeschirmten Kabels über einen 100-nF-Kondensator abgeschlossen werden. Dies unterbricht die Brummschleife bei niedriger Frequenz (50 Hz), während gleichzeitig die Abschirmung im hohen Frequenzbereich aufrechterhalten wird. In einigen Geräten ist dieser Kondensator bereits eingebaut. So ist etwa bei Danfoss VLT®-Frequenzumrichtern die Abschirmverbindung für Signalkabel an Anschluss 61 vorhanden.
  • Seite 129 Elektromagnetische Verträglichkeit SPS usw. Steuerleitungen und Kabel für serielle VLT® Kommunikation sind normalerweise an beiden Enden zu erden. VLT® SPS usw. Schließen Sie niemals eine Abschirmung über verdrillte Kabelenden (Pigtails) an. SPS usw. VLT® Potenzialausgleich zwischen SPS und Frequenzumrichter: Trennen Sie die Kabelverbindung auf und prüfen Sie die Spannung mit einem Voltmeter.

  • Seite 130: Anlagen Mit Frequenzumrichtern

    Elektromagnetische Verträglichkeit 5.4 Anlagen mit Frequenzumrichtern Beim Anschluss von Frequenzumrichtern ist es wichtig, die anerkannten Regeln der Technik zu beachten, um die elektromagnetische Verträglichkeit sicherzustellen. Beim Entwurf einer Installation kann unter Beachtung der folgenden Schritte ein EMV-Plan erstellt werden: • Auflisten der Komponenten, Geräte und Bereiche •...

  • Seite 131: Gesetzgebung Und Normen

    Elektromagnetische Verträglichkeit 5.5 Gesetzgebung und Normen Unterschied zwischen Gesetzgebung und Normen Gesetze erlässt die Legislative einer nationalen oder lokalen Regierung. Sie sind verpflichtend und müssen eingehalten werden. Es handelt sich dabei um politische Dokumente ohne spezifische technische Details – diese Details sind in Normen zu finden. Normen erstellen die Experten in den maßgeblichen Normungsgremien (wie etwa der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) oder dem Europäischen Komitee für elektrotechnische Normung (CENELEC)).
  • Seite 132 Elektromagnetische Verträglichkeit • Fachgrundnormen beziehen sich auf spezielle Umgebungen und wurden hauptsächlich entwickelt, um das Fehlen von spezifischen Produktnormen auszugleichen. Für Wohnbereiche, Geschäfts- und Gewerbebereiche sowie Kleinbetriebe kommen die Fachgrundnorm Störfestigkeit EN 61000-6-1 sowie die Fachgrundnorm Störaussendung EN 61000-6-3 zur Anwendung.

  • Seite 133: Schutz Gegen Elektrischen Schlag Und Andere Gefahren Durch Elektrische Energie

    Schutz gegen elektrischen Schlag und andere elektrische Gefahren 6 Schutz gegen elektrischen Schlag und andere elektrische Gefährdung 6.1 Allgemeines Elektrische Produkte arbeiten oft mit Spannungen und Strömen, die für Menschen, Tiere und Systeme potenziell gefährlich sind. Diese Gefahren können aufgrund von Körperkontakt, Überlast, Kurzschluss, der Beschädigung von Komponenten oder des Einflusses von Wärme oder Feuchtigkeit bestehen.

  • Seite 134: Netzversorgungssystem

    Schutz gegen elektrischen Schlag und andere elektrische Gefahren Die Schutzart der Frequenzumrichter bietet Schutz gegen kontaktbedingte Verletzungen oder Beschädigungen. Eine Schutzart über IP21 verhindert eine kontaktbedingte Körperverletzung. Außerdem ist die Einhaltung nationaler Unfallverhütungsvorschriften erforderlich (wie etwa die BGV-A3, die für elektrische Geräte in Deutschland verbindlich ist), um einen Schutz gegen kontaktbedingte Gefahren sicherzustellen.
  • Seite 135 Schutz gegen elektrischen Schlag und andere elektrische Gefahren Generator oder Transformator Verbraucher Erde Abb. 6.1 TN-S-System: Separater Neutral- und PE-Leiter. TN-C-System Im TN-C-System sind der PE- und der N-Leiter in einem PEN-Leiter vereint. Der Nachteil bei diesem System ist, dass ein Strom durch den N-Leiter gleichzeitig auch ein Strom durch den PE-Leiter ist, weshalb ein Spannungspotenzial zwischen Erde und Gehäuse des angeschlossenen Geräts entsteht.
  • Seite 136 Schutz gegen elektrischen Schlag und andere elektrische Gefahren Generator oder Transformator Verbraucher Erde Abb. 6.3 TN-C-System: Im gesamten System sind der N-Leiter und der PE-Leiter im PEN-Leiter vereint TT-System Im TT-System ist der PE-Leiter beim Verbraucher in Form einer lokalen Erdung vorhanden. Der Hauptvorteil des TT-Systems liegt darin, dass die hochfrequenten Ströme im PE-Stromkreis des Verbrauchers von den niederfrequenten Strömen im N-Leiter getrennt sind.

  • Seite 137: Zusätzlicher Schutz

    Schutz gegen elektrischen Schlag und andere elektrische Gefahren Der Nachteil dieses Systems sind seine schlechte EMV-Eigenschaften. Tatsächlich stört jeder Erdstörungsstrom das gesamte System und verursacht möglicherweise Fehlfunktionen von elektronischen Geräten. Kommen Frequenzumrichter an IT-Netzen zum Einsatz, müssen spezielle Vorkehrungen getroffen werden, etwa die Trennung aller Kondensatoren zur Erde (wie etwa die Gleichtaktkondensatoren im EMV-Filter).
  • Seite 138 Schutz gegen elektrischen Schlag und andere elektrische Gefahren Ein Erdableitstromschutz mit einem Differenzstrom-Schutzschalter (Residual Current-operated Circuit Breaker, RCCB) ist unter bestimmten Bedingungen zulässig. Differenzstrom-Schutzschalter umfassen einen Summenstromwandler. Sämtliche Netzversorgungsleiter für den Frequenzum- richter führen durch diesen Transformator. Der Summenstromwandler nimmt die Summe der Ströme auf, die durch diese Leiter fließen.

  • Seite 139: Sicherungen Und Trennschalter

    Schutz gegen elektrischen Schlag und andere elektrische Gefahren Die im Zusammenhang mit Frequenzumrichtern verwendeten Komponenten zur Funkentstörung erzeugen Ableitströme. Aus diesem Grund ist die Erdverbindung folgendermaßen durchzuführen: • Wenn der Ableitstrom höher ist als 3,5 mA, muss der Querschnitt des PE-Leiters mindestens 10 mm²...
  • Seite 140 Schutz gegen elektrischen Schlag und andere elektrische Gefahren Eine Sicherung unterbricht die Energiezufuhr bei zu hohem Strom, um das geschützte Gerät vor weiterem Schaden zu bewahren. Sie zeichnet sich durch einen bestimmten Nennstrom (den Strom, den eine Sicherung kontinuierlich leiten kann) und eine Geschwindigkeit aus (wie lange es dauert, damit die Sicherung bei einem bestimmten Überstrom abschaltet).
  • Seite 141 Schutz gegen elektrischen Schlag und andere elektrische Gefahren Trennschalter Anders als Sicherungen, die nach dem Durchbrennen ausgetauscht werden müssen, sind Trennschalter elektromechanische Geräte, die sich nach ihrer Aktivierung einfach zurücksetzen lassen. Da die Auslösegeschwindigkeit von Trennschaltern langsamer sein kann, als die von Sicherungen, muss ihr Einsatz sorgfältig abgewogen werden. Die langsame Auslösegeschwindigkeit kann zu umfangreichen Schäden im zu schützenden Gerät, zu anschließender Überhitzung und sogar zu Brandgefahr führen.

  • Seite 142: Netzstörungen

    Netzrückwirkungen 7 Netzrückwirkungen 7.1 Was sind Oberschwingungen? 7.1.1 Lineare Lasten An einer sinusförmigen Wechselstromversorgung wird eine rein ohmsche Last (etwa eine weißglü- hende Glühbirne) einen sinusförmigen Strom in Phase mit der Versorgungsspannung aufnehmen. Die von der Last abgeführte Leistung ist: P = U × I Bei Blindlasten (wie beim Asynchronmotor) wird der Strom nicht mehr in Phase mit der Spannung sein, sondern eilt der Spannung nach und erzeugt dadurch einen induktiven Wirkleistungsfaktor mit einem Wert von unter 1.

  • Seite 143: Nicht Lineare Lasten

    Netzrückwirkungen ϕ Abb. 7.2 Komponenten des Wechselstroms: Wirkleistung (P), Blindleistung (Q) und Scheinleistung (S) Der Verschiebungswinkel zwischen Strom und Spannung ist φ. Der Verschiebungsleistungsfaktor (DPF - Displacement Power Factor) ist das Verhältnis zwischen der Wirkleistung (P) und der Scheinleistung (S): DPF= P = cos(ϕ) 7.1.2 Nicht-lineare Lasten Nicht-lineare Lasten (wie etwa Diodengleichrichter) nehmen einen nicht sinusförmigen Strom auf.
  • Seite 144 Netzrückwirkungen Die ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz ω bezeichnet man als Oberschwingungen. Der Effektivwert einer nicht sinusförmigen Signalkurve (Strom oder Spannung) berechnet sich zu: Σ Σ Die Anzahl der Oberschwingungen in einer Signalkurve ergibt den Verzerrungsfaktor oder Ge- Σ samtoberschwingungsgehalt (THD - Total Harmonic Distortion), dargestellt durch das Verhältnis des Effektivwerts des Oberschwingungsanteils zum Effektivwert der Grundmenge, ausgedrückt Σ...

  • Seite 145: Einfluss Von Oberschwingungen In Einer Energieverteilungsanlage

    Netzrückwirkungen PF = DPF = cos(ϕ) PF = DPF = cos(ϕ) Im Zusammenhang mit der Netzqualität trifft man häufig auf den Begriff Gesamtoberschwin- PF = PF = √ √ 1 + THD 1 + THD gungsanteil (TDD - Total Demand Distortion). Der TDD charakterisiert nicht die Last, sondern stellt einen Systemparameter dar.
  • Seite 146 Netzrückwirkungen Von nicht-linearen Lasten aufgenommene Oberschwingungsströme führen durch den Span- nungsabfall an den Impedanzen des Stromverteilungssystems zu einer Spannungsverzerrung. Höhere Impedanzen ergeben höhere Grade an Spannungsverzerrung. Die Stromverzerrung steht mit der Geräteleistung und der individuellen Last in Verbindung, während die Spannungsverzerrung mit der Systemleistung zusammenhängt. Ist nur die Oberschwingungsleistung der Last bekannt, lässt sich die Spannungsverzerrung im PCC nicht ermitteln.

  • Seite 147: Normen Und Anforderungen Zur Oberschwingungsbegrenzung

    Netzrückwirkungen 7.2 Normen und Anforderungen zur Oberschwingungsbegrenzung Die Vorgaben zur Begrenzung der Oberschwingungsbelastung können u. a. aus folgenden Anforderungen resultieren: • Anwendungsspezifischen Anforderungen • Anforderungen zur Erfüllung von Normen Die anwendungsspezifischen Anforderungen beziehen sich auf eine konkrete Anlage, in der technische Gründe für die Begrenzung der Oberschwingungen vorliegen. Beispiel: 250-kVA-Transformator mit zwei angeschlossenen 110-kW-Motoren.
  • Seite 148 Netzrückwirkungen Tabelle 7.1 „Methoden zur Reduzierung von Oberschwingungen“ enthält eine Übersicht über die verschiedenen Methoden zur Reduzierung von Oberschwingungen. Oberschwingungen lassen sich entweder mithilfe von passiven oder aktiven Schaltungen reduzieren. Reduzierungsmethode Schaltdiagramm Typischer Stromverlauf Keine Reduzierung THD > 80 % Zwischenkreisdrosseln THD < 40 % Netzdrosseln THD <...

  • Seite 149: Passive Lösungen Zur Reduzierung Von Oberschwingungen

    Konfiguration sichergestellt werden. Danfoss Advanced Harmonic Filter (AHF) sind speziell für Danfoss VLT®-Frequenzumrichter konstruiert und können den THD auf 10 % (AHF-10-Reihe) oder sogar auf 5 % (AHF-5-Reihe) senken. Diese Filter nutzen eine Danfoss- eigene Topologie mit einer zweistufigen verdrosselten LC-Schaltung, die Oberschwingungen...

  • Seite 150: Aktive Lösungen Zur Reduzierung Von Oberschwingungen

    Netzrückwirkungen Passive Filter haben den Nachteil, dass sie relativ sperrig sind (sie haben etwa die Größe eines Frequenzumrichters). Zudem haben sie einen kapazitiven Leistungsfaktor, der bei der Auslegung des Systems zu berücksichtigen ist, um Resonanzen zu vermeiden. Mehrpuls-Gleichrichter Mehrpuls-Gleichrichter werden durch Phasenverschiebungstransformatoren gespeist. Die gängigsten Lösungen sind 12-pulsige (2 x 3 Phasen) oder 18-pulsige Gleichrichter (3 x 3 Phasen).
  • Seite 151 Dadurch sind mehrere Methoden zur Oberschwingungsreduzierung möglich: • Einzelne Kompensation von nicht-linearen Lasten: Ein aktiver Filter kompensiert Oberschwingungen aus einer einzelnen Last. Danfoss bietet ein optimiertes Filter- Frequenzumrichter-Paket namens „Low Harmonic Drive (LHD)“. • Gruppenkompensation: Ein einzelnes Filter kompensiert Oberschwingungen aus einer Gruppe von mehreren Lasten (zum Beispiel von Frequenzumrichtern) .

  • Seite 152: Instrumente Zur Analyse Von Oberschwingungen

    EBENE 2 EBENE 3 EBENE 4 EBENE 5 AHF1 AHF2 AHF3 Abb. 7.8 Berechnungsmodell mit Punkten zur Strom- und Spannungsmessung Danfoss bietet zwei Softwaretools: • das Offline-Tool VLT® Motion Control Tool MCT 31 sowie • das Online-Tool HCS (Harmonic Calculation Software)

  • Seite 153: Vlt® Motion Control Tool Mct 31

    Daher ist dieses Tool genauer, als die auf Interpolation basierende MCT 31. Die HCS kann auf eine umfangreiche Datenbank mit Frequenzumrichtern, passiven Filtern AHF und aktiven Filtern AAF von Danfoss zurückgreifen. Es umfasst außerdem die zeit- und frequenzbezogene grafische Darstellung der Spannungen und Ströme in einem System und den Vergleich der Oberschwingungen mit den unterschiedlichen Grenzwerten verschiedener Normen.

  • Seite 154: Schnittstellen

    Schnittstellen 8 Schnittstellen 8.1 HMI (Mensch-Maschine-Schnittstelle) Das HMI (Human Machine Interface – Mensch-Maschine-Schnittstelle) ist ein wichtiger und entscheidender Teil eines Frequenzumrichters. Es kann von einer grundlegenden LED- Statusanzeige bis hin zu ausgeklügelten Feldbus-Systemen mit detaillierten Frequenzumrichter- Informationen reichen. Das HMI ist eine Schnittstelle zwischen Mensch und Anwendung, über die der Anwender die Anwendung steuern, überwachen und diagnostizieren kann.

  • Seite 155: Softwaretools

    Schnittstellen Diese Bedieneinheiten stellen eine einfache Möglichkeit dar, um den Frequenzumrichter zu steuern, seinen Status zu überwachen und die Anwendung schnell und einfach in Betrieb zu nehmen sowie zu konfigurieren. Ein- und Ausgangssteuerklemmen Abb. 8.3 Ein- und Ausgangssteuerklemmen Mit dafür vorgesehenen Ein- und Ausgangssteuerklemmen lässt sich eine Schnittstelle zwischen SPS und Frequenzumrichter herstellen.

  • Seite 156: Funktionsweise Serieller Schnittstellen

    Schnittstellen Durch die Integration eines Frequenzumrichters in eine PC-basierte Software kann der Anwender das System noch leichter vollständig konfigurieren und uneingeschränkt steuern. Die PC-Soft- ware erlaubt es, das gesamte System noch effektiver zu überwachen und somit Systemdiagno- sen zu beschleunigen und die vorbeugende Wartung zu verbessern. Ein modernes PC-Softwaretool lässt sich wie folgt einsetzen: •...
  • Seite 157 Schnittstellen Über Haupt- Max. Standard leitung an- Anzahl der Funktionsweise Abstand Signalpegel (Anwendung) geschlossene Leitungen in m Geräte RS232 Duplex min. 3+ 1 Sender ± 5 V min. (Punkt-zu- verschiedene 1 Empfänger ± 15 V max. Punkt) Statussignale RS422 1 Sender (Punkt-zu- 1200 Duplex: 4...

  • Seite 158: Ethernet-Schnittstelle

    Schnittstellen USB-Schnittstelle 1995 entwickelte Intel in Zusammenarbeit mit Unternehmen der IT-Branche den USB-Standard (Universal Serial Bus). Die im Jahr 2000 eingeführte Weiterentwicklung USB 2.0 erhöhte die Über- tragungsgeschwindigkeit von 12 MBit/s auf 480 MBit/s. 2008 kam dann USB 3.0 für Geschwindig- keiten bis 5 GBit/s auf den Markt.

  • Seite 159: Feldbusschnittstellen In Frequenzumrichtern

    Schnittstellen Da Frequenzumrichter normalerweise nur über eine serielle RS485-Schnittstelle verfügen, sind für die Implementierung einer Kommunikation Schnittstellenkonverter erforderlich. Herstellerspezifische Lösungen, die einen bestimmten Frequenzumrichter erfordern, sind weit verbreitet. Wenn die Schnittstellenspezifikation veröffentlicht ist, sind einfache Standardkonverter (wie beispielsweise USB-auf-RS485) verwendbar. RS-485 USB-/ RS-485-...
  • Seite 160 Schnittstellen Diese Vorteile haben jedoch ihren Preis, da diese Systeme bei der Installation und Erweiterung relativ teuer sind. Dies liegt daran, dass für jeden zusätzlichen Parameter eine neue Verkabelung, SPS-Programmierung und I/O-Hardware erforderlich sind. Für den Betreiber hat dies höhere Investitionskosten und eine begrenzte Flexibilität zur Folge.

  • Seite 161: Feldbusstandardisierung

    Schnittstellen Feldbus über Ethernet Die Ethernet-Schnittstelle ermöglicht den Zugriff auf die Parameter des Frequenzumrichters so- wie auf Informationen außerhalb der Produktionsanlage. Diese Methode umgeht die traditionel- le Steuerungshierarchie, da die Kommunikation mit den mit Feldbus ausgestatteten Frequenz- umrichtern und anderen Geräten nicht unbedingt über die SPS erfolgen muss. Jeder externe Zugriff erfolgt durch eine Firewall, wodurch die Kommunikation mit dem in die Feldbus-Option integrierten Webserver möglich ist.
  • Seite 162 Schnittstellen Auf dem Markt erhältliche Schnittstellen und Bussysteme unterscheiden sich hauptsächlich in ihrem physischen Design und den verwendeten Protokollen. Welches System zum Einsatz kommt, hängt von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. Schnelle Prozesse wie bei Verpackungsmaschinen benötigen Buszykluszeiten von wenigen Milli- sekunden, während für Klimaanlagen Antwortzeiten im Sekundenbereich ausreichen mögen.
  • Seite 163 Schnittstellen Abb. 8.11 Typische Feldbusse Die Bedeutung der verschiedenen Bussysteme variiert je nach Region und Anwendung. In der Antriebstechnik haben in Europa Profibus und sein Ethernet-basierter Nachfolger PROFINET den größten Marktanteil. Im Gegensatz dazu sind DeviceNet und EtherNet/IP in Nord- und Südamerika sowie in Asien weit verbreitet.

  • Seite 164: Dimensionierung Und Auswahl Von Frequenzumrichtern

    Dimensionierung und Auswahl von Frequenzumrichtern 9 Dimensionierung und Auswahl von Frequenzumrichtern 9.1 Korrekte Bestimmung der benötigten Nennleistung Die Auswahl des richtigen Frequenzumrichters ist ein entscheidender Aspekt bei der Planung eines Antriebssystems mit variabler Drehzahl. Ist das gewählte Gerät zu klein, wird es den angeschlossenen Motor nicht bei allen erforderlichen Betriebspunkten optimal regeln können.

  • Seite 165: Nennwert Der Frequenzumrichter Aufgrund Der Motorspezifikationen

    Dimensionierung und Auswahl von Frequenzumrichtern 9.2 Nennleistung des Frequenzumrichters auf Basis der Motorspezifikationen Eine häufig verwendete Methode zur Auswahl von Frequenzumrichtern basiert einfach auf der Nennleistung des zu verwendenden Motors. Hersteller geben die Nennleistungen ihrer Frequenzumrichter an, in der Regel aber bezogen auf vierpolige Standardmotoren. Da der Nennstrom von Motoren abhängig von ihrer Konstruktion (z.

  • Seite 166: Überlastfähigkeit

    Dimensionierung und Auswahl von Frequenzumrichtern Abb. 9.2 Typenschild eines Danfoss-Frequenzumrichters Das Typenschild in Abb. 9.2 „Typenschild eines Danfoss Frequenzumrichters“ stammt von einem 0,75-kW-Frequenzumrichter. Die angegebenen Stromwerte beziehen sich auf zwei unterschied- liche Spannungsbereiche. Der Frequenzumrichter kann bei einer Netzspannung von 380-440 V 2,4 A liefern, einer Netzspannungsversorgung von 441-500 V sind es 2,1 A.

  • Seite 167: Anwendung

    Dimensionierung und Auswahl von Frequenzumrichtern Anwendung Auslegung für Überlast Hebezeuge 160 % Förderband 160 % Rührwerk/Mischer/Zentrifuge 160 % Drehkolbenkompressor/Kolbenkompressor 150 % Schneckenpumpe (Dickschlamm) 150 % Schlammtrocknungspresse 150 % Kolbenpumpe 150 % Drehschieberventil 150 % Drehkolbengebläse 110 % Oberflächenbelüfter 110 % Dosierpumpe 110 % Druckerhöhungspumpe (2-stufig) 110 % Umwälzpumpe 110 % Seitenkanalgebläse für die Poolbelüftung 110 % Tabelle 9.1 Typische Überlasten in Anwendungen mit konstantem Drehmoment Bei einer konstanten Last ist eine Überlastreserve von ungefähr 50-60 % für 60 Sekunden der...

  • Seite 168: Überlegungen Zur Energieeffizienz

    Dimensionierung und Auswahl von Frequenzumrichtern Anwendung Auslegung für Überlast Lüfter 110 % Brunnenpumpe 110 % Boosterpumpe/Kreiselpumpe 110 % Filtereinspeisepumpe 110 % Grundwasserpumpe 110 % Warmwasserpumpe 110 % Verstopfungssichere Pumpe (Feststoffe) 110 % Kreiselpumpe/Lüfter 110 % Primäre und sekundäre Heizungspumpe 110 % Primäre und sekundäre Kühlwasserpumpe 110 % Regenrückhaltebeckenentlüftungspumpe 110 % Klärschlammverwertungspumpe 110 % Schneckenpumpe (Dünnschlamm) 110 %...

  • Seite 169: Regelbereich

    Dimensionierung und Auswahl von Frequenzumrichtern 9.4 Regelbereich Der Vorteil eines Frequenzumrichters besteht in seiner Fähigkeit zur gleichmäßigen Regulierung der Drehzahl des Motors. Für den verfügbaren Regelbereich bestehen jedoch verschiedene Beschränkungen. Einerseits hängt der mögliche Regelbereich (Drehzahlbereich) von den für den Umrichter verfügbaren Steueralgorithmen ab.

  • Seite 170: Leistungsreduzierung Von Frequenzumrichtern

    Dimensionierung und Auswahl von Frequenzumrichtern Manchmal geben Motorhersteller höhere verfügbare Drehmomente bei einem niedrigeren Arbeitszyklus an. Eine für intermittierenden Betrieb optimierte Konstruktion kann sparsam sein, erfordert jedoch ein komplexeres Design, wie aus Abb. 9.4 „Sicherstellung einer guten Drehzahlauswahl“ hervorgeht. Drehmoment Quadratische Last Zwangsbelüftung Konstante Last 20-60 Hz Konstante Last 5-70 Hz...

  • Seite 171: Generatorische Energie

    Dimensionierung und Auswahl von Frequenzumrichtern Das Diagramm 9.5 „Leistungsreduktion in Abhängigkeit von Taktfrequenz und Temperatur“ zeigt die Taktfrequenz des Wechselrichters an der X-Achse. Die Y-Achse zeigt den Ausgangsstrom des Geräts (in %). Höhere Taktfrequenzen verringern störende Motorgeräusche. Der Leistungsverlust im Wech- selrichter erhöht sich jedoch mit der Taktfrequenz und führt zu einer zusätzlichen Erwärmung des Geräts.

  • Seite 172: Motorkabel

    Dimensionierung und Auswahl von Frequenzumrichtern Eine einfache Methode zur Vermeidung derartiger Überspannungssituationen ist eine Überdimensionierung des Frequenzumrichters, der dann in der Lage wäre, mehr generatorische Energie aufzunehmen und so die Gefahr einer Überspannung senkt. Das ist jedoch häufig im Vergleich zu Methoden des dynamischen Bremsens, einschließlich der Möglichkeit der Rückführung der Energie in das Versorgungsnetz, eine kostenintensivere Lösung.

  • Seite 173: Umwelt

    Dimensionierung und Auswahl von Frequenzumrichtern Abb. 9.7 Gesamte Motorkabellänge ist die Summe der Kabellänge aller angeschlossenen Motoren 9.8 Umgebung Verschiedene Überlegungen zur Umgebung bilden die Voraussetzung für die Installation eines Frequenzumrichters. Dazu gehören folgende Faktoren: • Umgebungstemperatur • Höhe • Umgebungsbedingungen (Feuchte, Luftqualität etc.) •...
  • Seite 174 Dimensionierung und Auswahl von Frequenzumrichtern Schmutz, der relativen Luftfeuchtigkeit und der Temperatur. Die meisten Hersteller von Fre- quenzumrichtern bieten die folgenden Lösungen, um die Auswirkungen der Umgebungsbedin- gungen zu minimieren: • Montage des Frequenzumrichters in einem zentralen Schaltschrank mit langen Motorkabeln.

  • Seite 175: Zentrale Und Dezentrale Installation Im Vergleich

    Dimensionierung und Auswahl von Frequenzumrichtern 9.9 Zentrale und dezentrale Installation im Vergleich Die gängigste Form der Installation ist eindeutig die zentrale Installation von Frequenzumrich- tern in Schaltschränken. Die Vorteile liegen vor allem in der geschützten Installation der Geräte und dem zentralen Zugriff auf diese Geräte aus Gründen der Leistung, Steuerung, Wartung und Fehleranalyse.
  • Seite 176 Dimensionierung und Auswahl von Frequenzumrichtern dazugehörigen Motoren einfach zu überblicken ist. Bei dezentralen Konzepten kommt in der Regel ein Feldbus zur Ansteuerung der Umrichter zum Einsatz. Abb. 9.10 Zwei Konzepte – unterschiedliche Vorteile Zu berücksichtigende Faktoren bei der Planung einer dezentralen Installation sind z. B. Umge- bungstemperaturen, Abfall der Netzspannung, begrenzte Motorkabellängen usw.

  • Seite 177: Beispiele

    Dimensionierung und Auswahl von Frequenzumrichtern erzielen. Das Einsparpotenzial bei der Installation liegt in den reduzierten Kabellängen und der Verwendung von Modulen, die bereits der Maschinenhersteller oder -lieferant noch im Werk getestet hat. 9.10 Beispiele Die nachstehenden Beispiele sollen das grundlegende Verfahren zur Auswahl eines Frequenz- umrichters im Rahmen des Entwurfsprozesses veranschaulichen.
  • Seite 178 Dimensionierung und Auswahl von Frequenzumrichtern Beispiel 1 Installation eines Motors mit 15,0 kW, 3 x 400 V (4-polig) zusammen mit einem Transportsystem (Schneckenförderer mit einem Losbrechmoment von ca. 160 %). Der Stromverbrauch des Motors beträgt bei Dauerbetrieb 30,0 A. Empfohlene Lösung 1 Ein VLT® AutomationDrive P15K (typischerweise für einen 15-kW-Motor mit einem hohen konstanten Last-Drehmoment) kann im Dauerbetrieb 32 A erzeugen und verfügt über eine ausreichende Reserve für übermäßige Lasten (160 %/60 s), um in dieser Anwendung zum Einsatz kommen zu können.
  • Seite 179 Dimensionierung und Auswahl von Frequenzumrichtern...
  • Seite 180 Mitarbeit: John Bargmeyer, Michael Burghardt, Norbert Hanigovszki, Marie Louise Hansen, Anna Hildebrand Jensen, Johnny Wahl Jensen, Hans Seekjar, Ana-Mari Tataru-Kjar, Firuz Zare, Thomas Jansen und Martin Černý. DKDD.PM.403.A3.03 © Copyright Danfoss | Produced by PE-MSMBM/ColorSigns | 11 2015...

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