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Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
Produktionsprozesse mit Frequenzumrichtern

Ein ressourcenschonender Umgang mit Energie steht überall auf der Agenda. Die elektrische Antriebstechnik spielt dabei eine wesentliche Rolle. Wird der 
Antrieb optimal ausgelegt und ausgewählt, können die Lebenszykluskosten 
drastisch sinken.

Eine exakt angepasste Drehzahl an den aktuellen Bedarf ermöglicht enorme Energieeinsparungen (Quelle: Danfoss)

Wie für jeden wirtschaftlichen Prozess gilt auch für den Einsatz frequenzgeregelter Antriebe: Er muss betriebswirtschaftlich sinnvoll sein. Dabei muss der Anwender für eine realistische Einschätzung der Wirtschaftlichkeit aber nicht nur die reinen Anschaffungskosten in Betracht ziehen. Nach Untersuchungen machen diese bei den Lebens-
zykluskosten einer Maschine nur etwa 10 % aus. Viel mehr schlagen die Betriebskosten zu Buche, beispielsweise Aufwendungen für Energie, Wartung und Service. Und gerade bei Antrieben mit großer Leistung oder einer großen Zahl von Antrieben in einem zentralen Schaltraum sind die Anschaffungskosten für Klimatisierung, Netzdrosseln und -filter nicht unerheblich. Dazu kommen die Energiekosten für ausreichende Klimatisierung dieser Räume.

Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt sollte für den Betreiber auch das speisende Netz sein. Hier ist wichtig, ob das Netz bereits durch den Einsatz weiterer Frequenzumrichter vorbelastet ist oder aktuelle Berechnungsdaten oder Messergebnisse zu einer Netzvorbelastung vorliegen. Diese Punkte sind Gegenstand einer eigenen Betrachtung bzw. erfordern entsprechende Maßnahmen.

Von der Maschine 
zum Netz

Eine optimale Auslegung erfolgt grundsätzlich von der Maschine zum Netz hin. Dabei ist eine genaue Kenntnis der Prozesse und der betrieblich notwendigen Reserven sowie eine realistische Abschätzung der Unwägbarkeiten wichtig. Nur so kann der Anwender eine teils deutliche Überdimensionierung des gesamten Antriebs aufgrund sich addierender großzügig bemessener Reserven in den verschiedenen Auslegungsstufen vermeiden. Denn jede unnötige Überdimensionierung schlägt sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit nieder. In der Praxis passiert dies vor allem dann, wenn elektrischer und mechanischer Part bei der Auslegung nicht ausreichend kommunizieren. In vielen Fällen entstehen höhere Kosten durch die Auswahl eines zu großen Motors, vor allem aber resultiert dies in dauerhaft größeren Energiekosten als optimal. An dieser Stelle ist deswegen eine enge Zusammenarbeit von Betreiber und Anlagenbauer gefordert: Nur der Betreiber kennt den tatsächlichen Bedarf seiner Anwendung.

Zu den verfahrenstechnischen Unwägbarkeiten, die berücksichtigt werden müssen, gehören beispielsweise auch die Kennlinienstreuungen von Arbeitsmaschine und Motor. Im extremen Fall, also oberes Kennlinienband bei der Maschine und das untere beim Motor bzw. umgekehrt, können ein unzureichender Drehmomentverlauf oder im anderen Extrem eine Überlastung die Folge sein.

Auswahl des Motors bei 
Frequenzumrichterbetrieb

Für die richtige Auswahl des Motors ist das von der Arbeitsmaschine benötigte Drehmoment entscheidend. Dafür rechnet man auf die prozessbedingt geforderte Leistung alle Zuschläge wie beispielsweise Lagerreibung, Kupplungsverluste oder externe Lüfter auf und erhält über die Betriebsdrehzahl das erforderliche Motormoment. Wichtig auch: Je nach Anwendung und Maschine muss der Anwender das Spitzen- oder Losbrechmoment beachten und auf dieses auslegen. Mit Hilfe der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie unter Ausnutzung der Motorkennlinie und der Stromreserven des Frequenzumrichters, was gleichbedeutend mit der Überlastfähigkeit ist, lässt sich dann der genaue Bedarf ermitteln und mit einem Sicherheitszuschlag belegen.

Netzbetrieb und Betrieb am Frequenzumrichter unterscheiden sich voneinander. Dabei sind die Einflüsse des Frequenzumrichterbetriebs abhängig vom gewünschten Drehzahlbereich, dem Einsatz von Fremdlüftern und der Art der Belastung. Beispielsweise erhöht Frequenzumrichterbetrieb die Temperaturen in den Motorwicklungen, bedingt durch nicht sinusförmige Speisung sowie die Taktfrequenz und daraus resultierende zusätzliche Ummagnetisierungsverluste. In manchen Fällen bewährt sich der Einsatz eines kostengünstigen Fremdlüfters, um die Auswahl der nächst größeren Motorstufe zu vermeiden. Auf jeden Fall erfolgt die Auslegung des Motors immer nach dem benötigten Drehmoment.

Kabel- und 
Leitungsquerschnitte

Der Querschnitt der Motorkabel richtet sich in erster Linie nach dem erforderlichen Motorstrom. Allerdings spielen auch weitere wichtige Faktoren mit hinein. So beeinflusst die Art und die Umgebung der Verlegung ebenfalls den Querschnitt, um negative Effekte durch erhöhte Umgebungstemperaturen und verminderte Wärmeabgabe auszugleichen. Ebenso wirkt sich auch die Leitungslänge auf den Querschnitt aus. Zur Berücksichtigung dieser Einflüsse können die einschlägigen Reduktionsfaktoren herangezogen werden. In der Praxis haben sich als Faustregel Gesamtreduktionsfaktoren zwischen 0,7 und 0,64 ergeben. Die Auslegung von Kabeln erfolgt in aller Regel auf Strom und Spannung als Sinusgrößen. Bei Betrieb am Frequenzumrichter kommen jedoch höherfrequente Anteile zur Grundschwingung hinzu. Die Kabel erwärmen sich stärker.

Die Grenzwerte der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) schließlich bestimmen den Einsatz von geschirmten oder ungeschirmten Kabeln. Bei großen Querschnitten und/oder langen Leitungswegen sind die Betreiber natürlich bestrebt, möglichst ungeschirmte Kabel zu verwenden. Daher haben sich in der Praxis Sinusfilter bewährt. Durch Filterung der Taktfrequenz und Bereitstellung sinusförmiger Spannung zwischen den Phasen haben sie einen positiven Einfluss auf erforderliche Kabelquerschnitte. Bei Retrofitprojekten kann deren Verwendung den Verbleib bereits vorhandener Kabel und Motoren erlauben.

Auslegen des 
Frequenzumrichters

Im Gegensatz zum Motor, der immer nach dem geforderten Drehmoment auszulegen ist, erfolgt die Auswahl des Frequenzumrichters stets nach dem Strom und nicht nach der Leistung. Grundsätzlich gilt, dass der erforderliche Motorstrom als Dauerstrom verfügbar sein muss. Daneben sind notwendige Stromreserven einzuplanen. Auch sie sind von einer Reihe Faktoren abhängig. Dazu zählt in erster Linie der Drehmomentverlauf der Last. Hier gilt es, das Startmoment in die Überlegungen mit einzubeziehen und Besonderheiten des Lastspiels wie pulsförmige oder gleichmäßige Lasten.

Auch die Leitungslängen zum Motor spielen eine Rolle. So reduziert ein Spannungsabfall am Kabel das verfügbare Motormoment ebenso, wie ein Spannungsabfall an eventuell erforderlichen Sinus- oder du/dt-Filtern.

Weitere Auswahlfaktoren betreffen die vom Anwender für seine Applikation benötigten Schnittstellen wie Feldbusse, die Schnelligkeit von Regelverfahren oder andere Sonderfunktionen wie Sicherheitsfunktionen, Kaltleiterauswertungen oder ähnliches. Ebenso zählen zu diesen Kriterien Bremsbetrieb oder Vierquadrantenbetrieb. Alle diese Einflüsse sind gesondert zu bewerten und werden eine wesentliche Rolle bei der Auswahl des passenden Frequenzumrichters spielen.

Netzbelastung – mögliche
 Maßnahmen im Vorfeld

Ein Nachteil der Umrichter sind deren Rückwirkungen auf das speisende Netz durch nichtlineare Stromaufnahme. Die daraus resultierenden Verzerrungen der Sinusform des Versorgungsnetzes werden als Netzrückwirkung oder auch Oberschwingungen bezeichnet. Für die Beurteilung der Netzqualität betrachtet man die Frequenzen bis 2,5 kHz, entsprechend der 50. harmonischen Oberschwingung.

Das Übertragungsnetz, Transformatoren oder auch Kompensationsanlagen sind für die Nennfrequenz des Netzes berechnet und ausgelegt. Höherfrequente Schwingungen führen zu höheren Bezugskosten für elektrische Energie, Mehraufwand durch höhere Blindleistungsbelastung und der Notwendigkeit der Überdimensionierung von Komponenten und Anlagenteilen und belasten Kabel, Leitungen und Geräte. Daher müssen auch Überlegungen zur Netzbelastung für eine optimale Auslegung berücksichtigt werden.

Im ersten Schritt sollte die Netzbelastung ermittelt werden – sei es durch Berechnung oder Messung im vorhandenen Netz. Zeigen sich tolerierbare Werte, kann der Anwender gegebenenfalls auf weitere Maßnahmen verzichten. Allerdings sollte er auch mithilfe von Simulationssoftware die zukünftige Belastung des Netzes mit in die Überlegung einbeziehen, um Überraschungen im Nachhinein auszuschließen.

Optimaler Aufbau erleich
tert Wartung und Service

Bei der Auswahl eines Herstellers und des passenden Modells gilt es, nicht nur die Leistungsdaten, sondern auch den Aufbau des Frequenzumrichters sowie die Serviceleistungen mit zu berücksichtigen. Denn neben den Anschaffungskosten beeinflussen vor allem die Betriebskosten die Produktionskosten nachhaltig über den gesamten Lebenszyklus des Produkts beziehungsweise der Anlage. Also liegen möglichst lange Wartungsintervalle mit kurzen Stillstandszeiten im Interesse des Anwenders.

Maßgeblichen Einfluss haben dabei die eingesetzten Komponenten, die im Frequenzumrichter lange und störungsfrei arbeiten sollen. Neben der Leistungselektronik sind auch Hilfsaggregate, wie beispielsweise Lüfter, ein wesentlicher Punkt. Sind alle Komponenten, die gewartet werden müssen, bekannt? Wie groß sind die Intervalle? Lassen sie sich einfach erreichen und ohne Spezialwerkzeug ausbauen?

Auch Lüfter sollten auf die Lebensdauer der Frequenzumrichter ausgelegt sein.

Für kurze Stillstandszeiten sorgt ein wartungsfreundlicher Aufbau. Sind die Umrichter so konstruiert, dass alle Baugruppen einfach und ohne große Demontagearbeiten an den Geräten zugänglich und austauschbar sind? Sind Steuer-, Netz- und Motorleitungen steckbar ausgeführt? Lassen sich Erweiterungsmodule schnell entnehmen und gegebenenfalls in ein Austauschgerät wieder einsetzen? Dies alles beschleunigt im Fehlerfall den Austausch und reduziert die Stillstandszeiten.

Gerade bei der Ersatzteilhaltung zählt auch, wie variantenreich die Geräteserie aufgebaut ist. Lassen sich bestimmte Baugruppen in mehreren Serien verwenden? Gibt es Standardteile, die weltweit leicht erhältlich sind? Denn je nach Einsatzort der Anlage kann es sein, dass womöglich Spezialteile erst aufwändig zum Standort transportiert werden müssen. Standardbauteile, für die weltweit Ersatzteile schnell und kostengünstig erhältlich sind, sind daher vorteilhaft. Der Anwender kann so seine Ersatzteilhaltung deutlich verringern und Kosten senken.

Autor: M. Richter

Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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