Frequenzumrichter richtig verstehen: Drehmoment, Drehzahl und Bremsfunktionen im Fokus
Wie wählt man einen Frequenzumrichter zum Motor aus
Stromversorgung des Frequenzumrichters. Spannung
Bei der Auswahl eines Frequenzumrichters ist es sehr wichtig, die erforderliche Spannung am Umrichter und auf dem Typenschild des Elektromotors zu vergleichen.
Oft interpretieren Käufer den Frequenzumrichter so, dass man an das Gerät eine einphasige Spannung von 220 V Wechselstrom anschließen und damit einen Drehstrommotor betreiben kann, der für 380 V Wechselstrom ausgelegt ist.
Die meisten Standard-Asynchronmotoren können mit einer dreiphasigen Spannung von 380 V Wechselstrom betrieben werden, wenn alle sechs Wicklungsanschlüsse in Sternschaltung verbunden sind.
Der gleiche Motor kann mit einer dreiphasigen Spannung von 220 V Wechselstrom betrieben werden, wenn die Wicklungsanschlüsse in Dreieckschaltung verbunden sind. Es ist jedoch wichtig, auf das Typenschild zu achten, ob bei diesem Motor der Anschluss in Dreieckschaltung zulässig ist.
Leistung des Frequenzumrichters in PS (Pferdestärken)
Den Frequenzumrichter anhand der Motorleistung in „PS“ auszuwählen, ist nicht ganz korrekt. Korrekt ist es, sich am Nennstrom des Motors zu orientieren. Wenn Frequenzumrichter und Motor die gleiche Leistung (in PS) haben, führt eine Erhöhung der Polanzahl des Motors zu einem geringeren Wirkungsgrad und Leistungsfaktor des Motors und erhöht gleichzeitig den Nennstrom.
Anforderungen an das Drehmoment des Motors
Wenn wir uns die untenstehenden Berechnungen ansehen, wird klar, warum es bei einer Motordrehzahl oberhalb der Basisgeschwindigkeit zu einem Drehmomentverlust kommt. Sie erklären auch, warum das Drehmoment ein wichtiger Faktor bei der Auswahl eines Frequenzumrichters ist.
Formel zur Bestimmung der Motordrehzahl:
wo:
n = Motordrehzahl (U/min),
60 = Sekunden,
f = Netzfrequenz (Hz),
P = Anzahl der Polpaare des Motors (ein vierpoliger Motor hat 2 Paare).
Das Drehmoment des Motors wird nach folgender Formel bestimmt:
wo:
W = Watt,
π = Pi (mathematische Konstante = 3,142),
M = Drehmoment (Nm).
Betrachten wir ein konkretes Beispiel
Ein Maschinenbauingenieur entwirft eine Maschine, die ein Drehmoment von 405 Nm und einen Drehzahlbereich von 100 bis 175 U/min erfordert. Durch den Einbau eines Getriebes mit einem Übersetzungsverhältnis von 10:1 reduziert er das erforderliche Eingangsdrehmoment auf 40,5 Nm, während die minimale und maximale Eingangsdrehzahl auf 700 bzw. 1750 U/min steigt. Ein vierpoliger Motor mit einer Leistung von 7,5 kW (1500 U/min bei 50 Hz) liefert 47,8 Nm. Wir müssen berechnen, ob er bei maximaler Drehzahl ein ausreichendes Drehmoment liefert.
Die Reduzierung der Drehzahl auf 1000 U/min ist kein Problem, solange der Motor eine Nenndrehzahl von mehr als 50 % der Basisdrehzahl unterstützt, um eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten.
Ein Frequenzumrichter erzeugt das Motordrehmoment bei Volllast bis zur Basisfrequenz (50 Hz), indem er die Spannung anpasst, um das erforderliche Drehmoment bereitzustellen.
Sobald der Motor die Basisdrehzahl und die Versorgungsspannung erreicht hat, kann der Frequenzumrichter nur noch die Frequenz erhöhen, um die Drehzahl zu steigern, da er keine höhere Spannung als die Versorgungsspannung liefern kann (außer bei speziellen Frequenzumrichtern mit spannungserhöhendem Zwischenkreis).
Um das Drehmoment zu berechnen, das bei 7,5 kW und 1750 U/min erzeugt wird, verwenden wir die oben genannte Formel.
M = (W × 60) / (2 × π × n)
M = (7500 × 60) / (2 × 3,142 × 1750)
M = 40,9 Nm
Daraus folgt, dass ein Motor mit 7,5 kW und einem angeschlossenen Frequenzumrichter bei richtiger Drehzahl das erforderliche Drehmoment liefern kann.
Dieses Beispiel zeigt, dass man immer prüfen muss, ob sich der Drehzahl-/Drehmomentbereich innerhalb der Möglichkeiten des Umrichters und Motors befindet.
Gleichstrombremsung
Im Falle der Installation eines Frequenzumrichters an Mechanismen für vertikale Bewegungen muss der Rotor des Motors nach dem Befehl „Stopp“ in einer unbeweglichen Position gehalten werden, bis die Hauptbremse aktiviert wird.
In Startmomenten, zur Verbesserung der elektromotorischen Kraft (EMK) des Motors, muss der Umrichter in der Lage sein, eine Gleichspannung anzulegen.
Gleichstrombremsung, Widerstandsbremse
Die Gleichstrombremsung ist für die Steuerung der Verzögerung von Asynchronmotoren vorgesehen, ohne die Überspannungsschutzfunktion zu aktivieren.
In Fällen, in denen der Motor eine schnelle Verzögerung benötigt oder die Last sehr instabil ist, gibt es zwei Lösungsvarianten: mit Hilfe eines Rekuperationssystems (bei Rückführung der vom Motor erzeugten Energie ins Netz) oder mit Hilfe eines Bremsblocks und Widerständen, die die Energie am Bremswiderstand ableiten.
Die Hauptvorteile eines Wechselstrom-Rekuperationssystems sind:
Energieeinsparung.
Die Stromwellenform am Eingang ist eine Sinuswelle.
Der Eingangsstrom hat einen Leistungsfaktor nahe eins.
Die Ausgangsspannung des Motors kann höher sein als die verfügbare Netz-Wechselspannung.
Das Rekuperationsmodul synchronisiert sich mit jeder Frequenz von 30 bis 100 Hz, vorausgesetzt, die Versorgungsspannung liegt zwischen 380 V – 10 % und 480 V + 10 %.
Bei instabiler Wechselstromversorgung kann das Frequenzumrichtersystem mit Rekuperation weiterhin arbeiten, bis zu einer Versorgungsspannung von ca. 270 V, ohne Einfluss auf die Spannung im Gleichstromzwischenkreis.
Bei Verwendung eines internen Bremssystems des Frequenzumrichters mit Widerständen oder eines externen Bremsblocks mit Widerständen verschwenden wir Energie als Wärme, ohne sie für Arbeit zu nutzen.
Dies ist die günstigste, aber ineffizienteste Lösung. Leider wählen sie die meisten Anwender.
Wenn Sie Fragen haben oder Schwierigkeiten bei der Auswahl eines Frequenzumrichters für eine bestimmte Anwendung, helfen wir Ihnen gerne weiter. Wir bieten Ihnen eine individuelle Beratung und finden gemeinsam mit Ihnen die optimale Lösung in Bezug auf Preis und technische Anforderungen.
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