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.
Viele Käufer verstehen unter einem Frequenzumrichter, dass man an das Gerät eine einphasige Spannung von 220 V Wechselstrom anschließen kann. Damit soll dann ein Drehstrommotor betrieben werden, der jedoch für 380 V Wechselstrom ausgelegt ist.
Außerdem können die meisten Standard-Asynchronmotoren (Wikipedia) mit einer dreiphasigen Spannung von 380 V Wechselstrom betrieben werden, sofern alle sechs Wicklungsanschlüsse in Sternschaltung verbunden sind.
Zudem ist der gleiche Motor auch für den Betrieb mit einer dreiphasigen Spannung von 220 V Wechselstrom geeignet, wenn die Wicklungsanschlüsse in Dreieckschaltung verbunden sind. Es ist jedoch wichtig, auf das Typenschild zu achten – dort muss vermerkt sein, ob der Anschluss in Dreieckschaltung bei diesem Motor zulässig ist.
Leistung des Frequenzumrichters in PS (Pferdestärken)
Den Frequenzumrichter anhand der Motorleistung in „PS“ auszuwählen, ist nicht ganz korrekt. Viel richtiger ist es, sich am Nennstrom des Motors zu orientieren. Wenn Frequenzumrichter und Motor die gleiche Leistung (in PS) haben, kann eine höhere Polanzahl des Motors den Wirkungsgrad und den Leistungsfaktor verringern. Dadurch steigt gleichzeitig der Nennstrom.
Anforderungen an das Drehmoment des Motors
Wenn wir uns die untenstehenden Berechnungen ansehen, wird deutlich, warum es bei einer Motordrehzahl oberhalb der Basisgeschwindigkeit zu einem Drehmomentverlust kommt. Aus diesem Grund ist das Drehmoment ein besonders wichtiger Faktor bei der Auswahl eines Frequenzumrichters.
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. Dafür setzt er ein Getriebe mit einem Übersetzungsverhältnis von 10:1 ein. Dadurch reduziert sich das erforderliche Eingangsdrehmoment auf 40,5 Nm, während die minimale und maximale Eingangsdrehzahl auf 700 bzw. 1750 U/min steigt.
Außerdem kommt ein vierpoliger Motor mit einer Leistung von 7,5 kW (1500 U/min bei 50 Hz) zum Einsatz, der 47,8 Nm liefert. Nun müssen wir berechnen, ob er bei maximaler Drehzahl ein ausreichendes Drehmoment bereitstellen kann.
Die Reduzierung der Drehzahl auf 1000 U/min ist unproblematisch, solange der Motor eine Nenndrehzahl von mehr als 50 % der Basisdrehzahl unterstützt. Nur so ist eine ausreichende Kühlung gewährleistet.
Ein Frequenzumrichter erzeugt das Motordrehmoment bei Volllast bis zur Basisfrequenz (50 Hz), indem er die Spannung entsprechend anpasst. Dadurch wird das erforderliche Drehmoment sichergestellt.
Sobald der Motor die Basisdrehzahl und die Versorgungsspannung erreicht hat, kann der Frequenzumrichter nur noch die Frequenz erhöhen, um die Drehzahl zu steigern. Eine höhere Spannung als die Versorgungsspannung kann er nicht liefern – 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
Daher lässt sich feststellen, dass ein Motor mit 7,5 kW und einem angeschlossenen Frequenzumrichter bei richtiger Drehzahl das erforderliche Drehmoment liefern kann.
Dieses Beispiel zeigt deutlich, 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. Dies gilt so lange, bis die Hauptbremse aktiviert wird.
Außerdem muss der Umrichter in Startmomenten in der Lage sein, eine Gleichspannung anzulegen, um die elektromotorische Kraft (EMK) des Motors zu verbessern.
Gleichstrombremsung, Widerstandsbremse
Die Gleichstrombremsung dient der Steuerung der Verzögerung von Asynchronmotoren, ohne dabei die Überspannungsschutzfunktion zu aktivieren.
Wenn der Motor eine schnelle Verzögerung benötigt oder die Last sehr instabil ist, gibt es zwei Lösungsvarianten. Einerseits kann ein Rekuperationssystem eingesetzt werden, bei dem die vom Motor erzeugte Energie ins Netz zurückgeführt wird. Andererseits besteht die Möglichkeit, einen Bremsblock mit Widerständen zu verwenden, die die überschüssige Energie am Bremswiderstand ableiten.
Die Hauptvorteile eines Wechselstrom-Rekuperationssystems sind vielfältig:
Es ermöglicht Energieeinsparung.
Zudem bleibt die Stromwellenform am Eingang eine saubere Sinuswelle.
Der Eingangsstrom besitzt einen Leistungsfaktor nahe eins.
Darüber hinaus kann die Ausgangsspannung des Motors höher sein als die verfügbare Netz-Wechselspannung.
Das Rekuperationsmodul synchronisiert sich mit jeder Frequenz von 30 bis 100 Hz, sofern die Versorgungsspannung zwischen 380 V – 10 % und 480 V + 10 % liegt.
Selbst bei instabiler Wechselstromversorgung bleibt das System funktionsfähig. Es kann bis zu einer Netzspannung von etwa 270 V arbeiten, ohne die Spannung im Gleichstromzwischenkreis zu beeinflussen.
Wird hingegen ein internes Bremssystem des Frequenzumrichters mit Widerständen oder ein externer Bremsblock verwendet, wird die Energie lediglich als Wärme verschwendet – ohne sie zur Arbeit zu nutzen.
Daher handelt es sich zwar um die günstigste, aber auch um die ineffizienteste Lösung. Leider wird sie von den meisten Anwendern bevorzugt.
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. Erfahren mehr über unsere Leistungen.
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