Anbieter von energiesparenden Aufzugsanlagen weisen darauf hin, dass Frequenzumrichter heutzutage in verschiedenen Branchen wie der Klimatechnik, der Aufzugstechnik und der Schwerindustrie weit verbreitet sind. Im Folgenden erläutern wir die Grundlagen der Verwendung von Frequenzumrichtern in Aufzügen:
1. Was ist ein Frequenzumrichter?
Ein Frequenzumrichter ist ein Gerät zur Steuerung elektrischer Energiequellen, das die Ein-/Ausschaltfunktion von Leistungshalbleiterbauelementen nutzt, um Netzfrequenzquellen in eine andere Frequenz umzuwandeln.
2. Worin bestehen die Unterschiede zwischen PWM und PAM?
PWM ist die englische Abkürzung für Pulsweitenmodulation (Pulse Width Modulation). Dabei wird die Impulsbreite einer Impulsfolge nach einem bestimmten Muster verändert, um das Ausgangssignal und die Wellenform anzupassen. PAM steht für Pulsamplitudenmodulation (Pulsamplitudenmodulation). Hierbei handelt es sich um ein Modulationsverfahren, bei dem die Impulsamplitude einer Impulsfolge nach einer bestimmten Regel verändert wird, um den Ausgangswert und die Wellenform anzupassen.
3. Worin besteht der Unterschied zwischen Spannungs- und Stromtyp?
Der Hauptstromkreis eines Frequenzumrichters lässt sich grob in zwei Kategorien unterteilen: Der Spannungsumrichter wandelt den Gleichstrom der Spannungsquelle in Wechselstrom um, wobei die Filterung des Gleichstromkreises durch einen Kondensator erfolgt; der Stromumrichter wandelt den Gleichstrom einer Stromquelle in Wechselstrom um und verfügt über einen Gleichstromfilter und eine Induktivität.
4. Warum ändern sich Spannung und Stromstärke eines Frequenzumrichters proportional?
Das Drehmoment eines Asynchronmotors entsteht durch das Zusammenspiel von Magnetfluss und Rotorstrom. Bei Nennfrequenz und konstanter Spannung führt eine Frequenzreduzierung zu einem zu hohen Magnetfluss, Sättigung des Magnetkreises und im Extremfall zum Durchbrennen des Motors. Daher müssen Frequenz und Spannung proportional angepasst werden. Das heißt, bei Frequenzänderung muss die Ausgangsspannung des Frequenzumrichters so geregelt werden, dass ein bestimmter Magnetfluss im Motor aufrechterhalten und Schwachmagnetismus sowie magnetische Sättigung vermieden werden. Dieses Regelungsverfahren wird häufig bei energiesparenden Frequenzumrichtern in Ventilatoren und Pumpen eingesetzt.
5. Wenn der Elektromotor von einer Netzfrequenzquelle angetrieben wird, steigt der Strom, wenn die Spannung sinkt; Steigt der Strom bei einem Frequenzumrichterantrieb, wenn die Spannung ebenfalls sinkt, wenn die Frequenz sinkt?
Bei sinkender Frequenz (niedrige Drehzahl) steigt der Strom bei gleicher Ausgangsleistung, bei konstantem Drehmoment bleibt der Strom jedoch nahezu unverändert.
6. Wie hoch sind Anlaufstrom und Anlaufdrehmoment des Motors bei Verwendung eines Frequenzumrichters für den Betrieb?
Bei Betrieb mit einem Frequenzumrichter steigen Frequenz und Spannung mit der Motordrehzahl an, und der Anlaufstrom ist auf unter 150 % des Nennstroms begrenzt (125 % bis 200 %, modellabhängig). Beim direkten Anlauf über das Stromnetz ist der Anlaufstrom 6- bis 7-mal so hoch, was zu mechanischen und elektrischen Schlägen führen kann. Mit einem Frequenzumrichter kann der Motor sanft anlaufen (wenn auch mit längerer Anlaufzeit). Der Anlaufstrom beträgt das 1,2- bis 1,5-Fache des Nennstroms, und das Anlaufdrehmoment liegt bei 70 % bis 120 % des Nenndrehmoments. Bei Frequenzumrichtern mit automatischer Drehmomentverstärkung liegt das Anlaufdrehmoment über 100 % und der Motor kann unter Volllast anlaufen.
7. Was bedeutet V/f-Modus?
Wenn die Frequenz sinkt, sinkt auch die Spannung V proportional, wie in Antwort 4 erläutert. Das proportionale Verhältnis zwischen V und f ist unter Berücksichtigung der Motorkennlinien vorgegeben, und üblicherweise sind im Speicher (ROM) des Controllers mehrere Kennlinien gespeichert, die über Schalter oder Drehregler ausgewählt werden können.
8. Wie ändert sich das Drehmoment des Motors, wenn V und f proportional geändert werden?
Sinkt die Frequenz und damit die Spannung proportional, führt die verringerte Wechselstromimpedanz bei gleichbleibendem Gleichstromwiderstand zu einer Verringerung des Anlaufdrehmoments bei niedrigen Drehzahlen. Daher ist es bei niedrigen Frequenzen und gegebenem V/f-Verhältnis notwendig, die Ausgangsspannung leicht zu erhöhen, um ein bestimmtes Anlaufdrehmoment zu erzielen. Diese Kompensation wird als Anlaufverstärkung bezeichnet. Verschiedene Methoden können hierfür eingesetzt werden, darunter der automatische Betrieb, die Auswahl des V/f-Modus oder die Einstellung eines Potentiometers.
9. Gibt es keine Ausgangsleistung unterhalb von 6 Hz, da im Handbuch ein Drehzahlbereich von 60~6 Hz angegeben ist, was einem Übersetzungsverhältnis von 10:1 entspricht?
Die Leistung kann auch unterhalb von 6 Hz abgegeben werden, jedoch liegt die minimale Betriebsfrequenz aufgrund des Temperaturanstiegs und des Anlaufdrehmoments des Motors bei etwa 6 Hz. Bei dieser Frequenz kann der Motor sein Nenndrehmoment abgeben, ohne dass es zu nennenswerten Überhitzungsproblemen kommt. Die tatsächliche Ausgangsfrequenz (Anlauffrequenz) des Frequenzumrichters variiert je nach Modell zwischen 0,5 und 3 Hz.
10. Ist es möglich, für allgemeine Motorkombinationen oberhalb von 60 Hz ein konstantes Drehmoment zu fordern?
Normalerweise ist dies nicht möglich. Bei konstanter Spannung oberhalb von 60 Hz (und es gibt auch Betriebsarten oberhalb von 50 Hz) handelt es sich im Allgemeinen um eine Kennlinie mit konstanter Leistung. Wird bei hohen Drehzahlen das gleiche Drehmoment benötigt, muss auf die Auswahl der Motor- und Umrichterleistung geachtet werden.
11. Was bedeutet „Open-Loop“?
Ein Drehzahlsensor (PS) ist am Motor angebracht, um die tatsächliche Drehzahl an das Steuergerät zurückzumelden. Dies wird als „geschlossener Regelkreis“ bezeichnet. Arbeitet der Motor ohne PS, spricht man von einem „offenen Regelkreis“. Universelle Frequenzumrichter arbeiten meist im offenen Regelkreis, einige Modelle bieten jedoch auch die Möglichkeit der PS-Rückmeldung.
12. Was ist zu tun, wenn die tatsächliche Geschwindigkeit von der vorgegebenen Geschwindigkeit abweicht?
Im offenen Regelkreis schwankt die Motordrehzahl unter Last innerhalb des Bereichs der Nennschlupfrate (1–5 %), selbst wenn der Frequenzumrichter eine vorgegebene Frequenz ausgibt. Für Anwendungen, die eine hohe Drehzahlregelungsgenauigkeit erfordern und bei denen auch Laständerungen ein Betrieb nahe einer vorgegebenen Drehzahl notwendig ist, kann ein Frequenzumrichter mit PG-Rückkopplungsfunktion (optional) eingesetzt werden.
13. Kann die Drehzahlgenauigkeit verbessert werden, wenn ein Motor mit PG zur Rückmeldung verwendet wird?
Der Frequenzumrichter mit PG-Rückkopplungsfunktion bietet eine höhere Genauigkeit. Die Drehzahlgenauigkeit hängt jedoch von der Präzision des PG selbst und der Auflösung der Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters ab.
14. Was versteht man unter Stall Prevention Function?
Ist die vorgegebene Beschleunigungszeit zu kurz und ändert sich die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters deutlich stärker als die Drehzahl (elektrische Kreisfrequenz), schaltet der Frequenzumrichter aufgrund von Überstrom ab und stoppt den Motor. Dies wird als Stillstand bezeichnet. Um ein Weiterlaufen des Motors aufgrund eines Stillstands zu verhindern, muss die Stromstärke für die Frequenzregelung erfasst werden. Ist der Beschleunigungsstrom zu hoch, muss die Beschleunigungsrate entsprechend reduziert werden. Dasselbe gilt für die Verzögerung. Die Kombination beider Vorgänge bildet die Stillstandsfunktion.
15. Welche Bedeutung haben Modelle mit separat vorgegebener Beschleunigungszeit und Verzögerungszeit sowie Modelle mit gemeinsam vorgegebener Beschleunigungs- und Verzögerungszeit?
Beschleunigung und Verzögerung können für verschiedene Maschinentypen separat angegeben werden. Dies eignet sich für Situationen mit kurzer Beschleunigung, langsamer Verzögerung oder wenn bei kleinen Werkzeugmaschinen strenge Produktionszykluszeiten erforderlich sind. Bei Anwendungen wie dem Lüfterantrieb sind Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten jedoch relativ lang, sodass sie gemeinsam angegeben werden können.
16. Was ist regeneratives Bremsen?
Wird die Ansteuerfrequenz während des Betriebs des Elektromotors reduziert, wird dieser zu einem Asynchrongenerator und arbeitet als Bremse; dies wird als regenerative (elektrische) Bremsung bezeichnet.
17. Was ist Energierückkopplung in Aufzügen?
Der im Aufzug vorhandene, ungenutzte Gleichstrom wird in nutzbaren und effizienten Wechselstrom umgewandelt. Dieser Wechselstrom wird gleichzeitig in das lokale Netzwerk um den Aufzug zur Wiederverwendung zurückgespeist.