Wenn zwei identische Motoren mit einer Netzfrequenz von 50 Hz betrieben werden, einer einen Frequenzumrichter verwendet und der andere nicht, und Drehzahl und Drehmoment beider Motoren im Nennbetrieb liegen, kann der Frequenzumrichter Energie einsparen? Wie viel Energie kann eingespart werden?
Antwort: In diesem Fall kann der Frequenzumrichter lediglich den Leistungsfaktor verbessern, aber keine Energie einsparen.
1. Frequenzumwandlung kann nicht überall Strom sparen, und es gibt viele Fälle, in denen Frequenzumwandlung nicht unbedingt Strom einspart.
2. Als elektronische Schaltung verbraucht der Frequenzumrichter selbst ebenfalls Energie (etwa 2-5 % der Nennleistung).
3. Es ist eine Tatsache, dass Frequenzumrichter mit der Netzfrequenz arbeiten und Energiesparfunktionen besitzen. Seine Voraussetzung ist jedoch:
Erstens verfügt das Gerät selbst über eine Energiesparfunktion (Softwareunterstützung), die den Anforderungen des gesamten Systems oder Prozesses entspricht;
Zweitens, langfristiger, kontinuierlicher Betrieb.
Außerdem ist es irrelevant, ob es Strom spart oder nicht. Behauptungen, ein Frequenzumrichter arbeite bedingungslos energiesparend, sind übertrieben oder reine Spekulation. Wenn Sie die Zusammenhänge kennen, können Sie ihn gezielt einsetzen. Achten Sie unbedingt auf die jeweiligen Einsatzbedingungen, um ihn richtig anzuwenden. Andernfalls folgen Sie blindlings Versprechungen, glauben leichtfertig und werden getäuscht.
Beim Einsatz von Frequenzumrichtern bestehen häufig folgende Missverständnisse:
Irrtum 1: Die Verwendung eines Frequenzumrichters kann Strom sparen
In einigen Publikationen wird behauptet, Frequenzumrichter seien energiesparende Steuerungsprodukte, wodurch der Eindruck entsteht, dass man durch den Einsatz von Frequenzumrichtern Strom sparen kann.
Frequenzumrichter sparen Strom, weil sie die Drehzahl von Elektromotoren regeln können. Sind Frequenzumrichter energiesparende Steuerungsprodukte, so gelten alle Drehzahlregler als solche. Der Frequenzumrichter ist nur geringfügig effizienter und hat einen niedrigeren Leistungsfaktor als andere Drehzahlregler.
Ob ein Frequenzumrichter Energieeinsparungen ermöglicht, hängt von den Drehzahlregelungseigenschaften seiner Last ab. Bei Lasten wie Radialventilatoren und Kreiselpumpen ist das Drehmoment proportional zum Quadrat der Drehzahl und die Leistung proportional zur dritten Potenz der Drehzahl. Solange die ursprüngliche Ventilsteuerung genutzt wird und der Betrieb nicht unter Volllast erfolgt, kann durch Umstellung auf Drehzahlregelung Energie eingespart werden. Sinkt die Drehzahl auf 80 % des Ausgangswerts, beträgt die Leistung nur noch 51,2 % des Ausgangswerts. Der Einsatz von Frequenzumrichtern bei solchen Lasten erzielt somit die größten Energieeinsparungen. Bei Lasten wie Roots-Gebläsen ist das Drehmoment drehzahlunabhängig, es handelt sich also um eine Last mit konstantem Drehmoment. Wird die ursprüngliche Methode der Luftmengenregulierung mittels Entlüftungsventil durch Drehzahlregelung ersetzt, lassen sich auch hier Energieeinsparungen erzielen. Sinkt die Drehzahl auf 80 % des Ausgangswerts, erreicht die Leistung ebenfalls 80 % des Ausgangswerts. Die Energieeinsparung ist hier jedoch deutlich geringer als bei Radialventilatoren und Kreiselpumpen. Bei Konstantleistungslasten ist die Leistung unabhängig von der Drehzahl. Eine Konstantleistungslast in einem Zementwerk, wie beispielsweise eine Dosierbandwaage, verringert die Banddrehzahl bei dicker Materialschicht unter bestimmten Fließbedingungen; bei dünner Materialschicht erhöht sie sich. Der Einsatz von Frequenzumrichtern führt bei solchen Lasten nicht zu einer Energieeinsparung.
Gleichstrommotoren weisen im Vergleich zu Gleichstrom-Drehzahlregelungssystemen einen höheren Wirkungsgrad und Leistungsfaktor als Wechselstrommotoren auf. Der Wirkungsgrad digitaler Gleichstrom-Drehzahlregler ist mit dem von Frequenzumrichtern vergleichbar und sogar etwas höher. Daher ist die Behauptung, dass der Einsatz von Wechselstrom-Asynchronmotoren und Frequenzumrichtern mehr Strom spart als der Einsatz von Gleichstrommotoren und Gleichstromreglern, weder theoretisch noch praktisch, falsch.
Irrtum 2: Die Kapazitätsauswahl des Frequenzumrichters basiert auf der Nennleistung des Motors.
Im Vergleich zu Elektromotoren sind Frequenzumrichter relativ teuer, daher ist es sehr sinnvoll, die Kapazität der Frequenzumrichter angemessen zu reduzieren und gleichzeitig einen sicheren und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.
Die Leistung eines Frequenzumrichters bezieht sich auf die Leistung des 4-poligen Wechselstrom-Asynchronmotors, für den er geeignet ist.
Da Motoren gleicher Leistung unterschiedliche Polzahlen aufweisen, variiert ihr Nennstrom. Mit steigender Polzahl erhöht sich auch der Nennstrom. Die Auslegung des Frequenzumrichters darf daher nicht allein auf der Nennleistung des Motors basieren. Auch bei Sanierungsprojekten, die ursprünglich keine Frequenzumrichter vorsahen, ist die Auslegung nicht allein auf den Nennstrom des Motors beschränkt. Denn die Auslegung des Elektromotors erfordert die Berücksichtigung von Faktoren wie Maximallast, Leistungsreserve und Motorspezifikationen. Oftmals ist die Leistungsreserve groß, und Industriemotoren arbeiten häufig mit 50 bis 60 % ihrer Nennlast. Würde die Auslegung des Frequenzumrichters allein auf dem Nennstrom des Motors basieren, entstünde eine zu große Reserve, was zu unnötigen Kosten und einer verminderten Zuverlässigkeit führen würde.
Bei Kurzschlussläufermotoren sollte die Auslegung des Frequenzumrichters so erfolgen, dass dessen Nennstrom mindestens dem 1,1-Fachen des maximalen Normalbetriebsstroms des Motors entspricht. Dadurch lassen sich die Kosten maximieren. Unter bestimmten Bedingungen, wie z. B. Anlauf unter hoher Last, hohen Umgebungstemperaturen, bei Motoren mit Schleifringwicklung oder Synchronmotoren, ist eine entsprechende Erhöhung der Umrichterleistung erforderlich.
Bei Anlagen, die von Anfang an Frequenzumrichter verwenden, ist es nachvollziehbar, die Umrichterkapazität anhand des Nennstroms des Motors zu wählen. Dies liegt daran, dass die Umrichterkapazität zu diesem Zeitpunkt nicht anhand der tatsächlichen Betriebsbedingungen bestimmt werden kann. Um die Investitionskosten zu reduzieren, kann die Umrichterkapazität in manchen Fällen zunächst unbestimmt bleiben und erst nach einer gewissen Betriebsdauer anhand des tatsächlichen Stroms angepasst werden.
In der Sekundärmahlanlage einer Zementmühle (2,4 m Durchmesser × 13 m) eines Zementwerks in der Inneren Mongolei ist ein hocheffizienter Pulverselektor vom Typ N-1500 O-Sepa aus chinesischer Produktion im Einsatz. Dieser ist mit einem Elektromotor vom Typ Y2-315M-4 (132 kW) ausgestattet. Es wurde jedoch ein Frequenzumrichter vom Typ FRN160-P9S-4E gewählt, der für 4-polige Motoren mit 160 kW Leistung ausgelegt ist. Nach der Inbetriebnahme beträgt die maximale Betriebsfrequenz 48 Hz und der Strom lediglich 180 A, also weniger als 70 % des Nennstroms des Motors. Der Motor selbst weist eine erhebliche Überkapazität auf. Die Spezifikationen des Frequenzumrichters sind zudem eine Stufe höher als die des Antriebsmotors, was zu unnötigem Energieverlust führt und die Zuverlässigkeit nicht verbessert.
Das Zuführsystem des Kalksteinbrechers Nr. 3 im Zementwerk Anhui Chaohu verwendet einen Plattenaufgeber (1500 × 12000 mm). Der Antriebsmotor ist ein Wechselstrommotor vom Typ Y225M-4 mit einer Nennleistung von 45 kW und einem Nennstrom von 84,6 A. Vor der Umrüstung auf Frequenzumrichter-Drehzahlregelung wurde im Normalbetrieb des Plattenaufgebers festgestellt, dass der durchschnittliche Drehstrom nur 30 A beträgt, also lediglich 35,5 % des Nennstroms des Motors. Um Kosten zu sparen, wurde der Frequenzumrichter ACS601-0060-3 mit einem Nennausgangsstrom von 76 A ausgewählt. Dieser eignet sich für 4-polige Motoren mit einer Leistung von 37 kW und erzielt eine gute Performance.
Diese beiden Beispiele verdeutlichen, dass bei Sanierungsprojekten, bei denen ursprünglich keine Frequenzumrichter eingesetzt wurden, die Wahl der Kapazität des Frequenzumrichters auf Basis der tatsächlichen Betriebsbedingungen die Investitionskosten erheblich reduzieren kann.
Irrtum 3: General-Motoren können nur mit reduzierter Drehzahl unter Verwendung von Frequenzumrichtern unterhalb ihrer Nennübertragungsdrehzahl betrieben werden.
Die klassische Theorie besagt, dass die obere Grenze der Frequenz eines Universalmotors bei 55 Hz liegt. Dies liegt daran, dass bei einer Drehzahl oberhalb der Nenndrehzahl die Statorfrequenz über die Nennfrequenz (50 Hz) ansteigt. Wird in diesem Fall weiterhin das Prinzip des konstanten Drehmoments angewendet, steigt die Statorspannung über die Nennspannung. Daher muss die Statorspannung bei Drehzahlen oberhalb der Nenndrehzahl konstant auf dem Nennwert gehalten werden. Mit steigender Drehzahl bzw. Frequenz nimmt der magnetische Fluss ab, was zu einem Drehmomentabfall bei gleichem Statorstrom, einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften und einer deutlichen Reduzierung der Überlastfähigkeit des Motors führt.
Daraus lässt sich schließen, dass die obere Grenze der Frequenz eines Universalmotors 55 Hz beträgt, was eine Voraussetzung ist:
1. Die Statorspannung darf die Nennspannung nicht überschreiten;
2. Der Motor läuft mit Nennleistung;
3. Konstante Drehmomentbelastung.
In der oben beschriebenen Situation haben Theorie und Experimente gezeigt, dass bei einer Frequenz von über 55 Hz das Motordrehmoment abnimmt, die mechanischen Eigenschaften nachlassen, die Überlastfähigkeit sinkt, der Eisenverbrauch rapide ansteigt und es zu starker Erwärmung kommt.
Der Autor ist der Ansicht, dass die tatsächlichen Betriebsbedingungen von Elektromotoren darauf hindeuten, dass sich die Drehzahl von Allzweckmotoren durch Frequenzumrichter erhöhen lässt. Lässt sich die Drehzahl durch variable Frequenz steigern? Um wie viel? Dies hängt hauptsächlich von der vom Elektromotor gezogenen Last ab. Zunächst muss die Lastkennlinie ermittelt werden. Anschließend müssen die Lastcharakteristika verstanden und Berechnungen auf Basis der spezifischen Lastsituation durchgeführt werden. Eine kurze Analyse folgt:
1. Tatsächlich ist es bei einem 380-V-Universalmotor möglich, ihn über einen längeren Zeitraum mit einer Statorspannung von über 10 % der Nennspannung zu betreiben, ohne dass die Isolation oder die Lebensdauer des Motors beeinträchtigt wird. Die Statorspannung steigt, das Drehmoment erhöht sich deutlich, der Statorstrom sinkt und die Wicklungstemperatur nimmt ab.
2. Die Auslastung des Elektromotors beträgt üblicherweise 50 % bis 60 %.
Industriemotoren arbeiten üblicherweise mit 50 % bis 60 % ihrer Nennleistung. Berechnungen zufolge sinkt der Statorstrom um 26,4 %, wenn die Ausgangsleistung des Motors 70 % der Nennleistung beträgt und die Statorspannung um 7 % steigt. Selbst bei konstanter Drehmomentregelung und einer Drehzahlerhöhung des Motors um 20 % mittels Frequenzumrichter bleibt der Statorstrom in diesem Fall konstant und sinkt sogar. Obwohl die Eisenverluste des Motors nach der Frequenzerhöhung stark ansteigen, ist die dadurch entstehende Wärme im Vergleich zur durch den sinkenden Statorstrom reduzierten Wärme vernachlässigbar. Daher sinkt auch die Temperatur der Motorwicklung deutlich.
3. Es gibt verschiedene Lastcharakteristika.
Das elektrische Antriebssystem versorgt die Last, wobei unterschiedliche Lasten unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen. Elektromotoren müssen nach der Beschleunigung die Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften der Last erfüllen. Berechnungen zufolge ist die maximal zulässige Betriebsfrequenz (f<sub>max</sub>) für Lasten mit konstantem Drehmoment bei verschiedenen Lastwechselraten (k) umgekehrt proportional zur Lastwechselrate, d. h. f<sub>max</sub> = f<sub>e</sub>/k, wobei f<sub>e</sub> die Nennfrequenz ist. Bei Lasten mit konstanter Leistung wird die maximal zulässige Betriebsfrequenz von Motoren im Allgemeinen hauptsächlich durch die mechanische Festigkeit von Rotor und Welle begrenzt. Der Autor empfiehlt, diese im Allgemeinen auf maximal 100 Hz zu begrenzen.
Anwendungsbeispiel:
In einem Werk ist ein Kettenförderer mit konstanter Drehmomentbelastung installiert. Aufgrund der Produktionssteigerung muss die Motordrehzahl um 20 % erhöht werden. Der Motor ist vom Typ Y180L-6 mit einer Nennleistung von 15 kW, einer Nennspannung von 380 V, einem Nennstrom von 31,6 A, einer Nenndrehzahl von 980 U/min, einem Wirkungsgrad von 89,5 %, einem Leistungsfaktor von 0,81, einem Betriebsstrom von 18–20 A, einer maximalen Betriebsleistung von 7,5 kW unter Normalbedingungen und einer Auslastung von 50 %. Nach dem Einbau des Frequenzumrichters CIMR-G5A4015 beträgt die Betriebsfrequenz 60 Hz, die Drehzahl erhöht sich um 20 %, die maximale Ausgangsspannung des Frequenzumrichters ist auf 410 V eingestellt, der Betriebsstrom des Motors sinkt um ca. 30 % auf 12–15 A und die Temperatur der Motorwicklung reduziert sich deutlich.
Irrtum 4: Vernachlässigung der inhärenten Eigenschaften von Frequenzumrichtern
Die Inbetriebnahme des Frequenzumrichters wird üblicherweise vom Vertriebspartner durchgeführt, sodass keine Probleme auftreten. Die Installation eines Frequenzumrichters ist relativ einfach und wird in der Regel vom Anwender selbst vorgenommen. Manche Anwender lesen die Bedienungsanleitung des Frequenzumrichters jedoch nicht sorgfältig genug, halten sich nicht strikt an die technischen Anforderungen für die Installation, ignorieren die Eigenschaften des Frequenzumrichters selbst, verwechseln ihn mit herkömmlichen elektrischen Bauteilen und handeln nach Gefühl und Erfahrung, wodurch sie versteckte Gefahren für Fehler und Unfälle riskieren.
Gemäß der Bedienungsanleitung des Frequenzumrichters sollte das an den Motor angeschlossene Kabel ein geschirmtes oder armiertes Kabel sein, vorzugsweise in einem Metallrohr verlegt. Die Kabelenden sollten möglichst sauber abgeschnitten, die ungeschirmten Abschnitte so kurz wie möglich und die Kabellänge auf maximal 50 m begrenzt sein. Bei großen Kabelabständen zwischen Frequenzumrichter und Motor kann der hohe Oberwellen-Ableitstrom des Kabels den Frequenzumrichter und umliegende Geräte beeinträchtigen. Die vom Motor zurückgeführte Erdungsleitung muss direkt an den entsprechenden Erdungsanschluss des Frequenzumrichters angeschlossen werden. Die Erdungsleitung des Frequenzumrichters darf nicht mit Schweißgeräten oder anderen elektrischen Anlagen gemeinsam genutzt werden und sollte so kurz wie möglich sein. Aufgrund des vom Frequenzumrichter erzeugten Ableitstroms kann ein zu großer Abstand zum Erdungspunkt zu instabilen Potenzialverhältnissen am Erdungsanschluss führen. Der Mindestquerschnitt der Erdungsleitung des Frequenzumrichters muss mindestens dem Querschnitt des Netzkabels entsprechen. Um Fehlfunktionen durch Störungen zu vermeiden, sollten Steuerkabel verdrillte oder doppelt geschirmte Drähte verwenden. Achten Sie darauf, dass das geschirmte Netzwerkkabel nicht mit anderen Signalleitungen oder Gerätegehäusen in Berührung kommt und umwickeln Sie es mit Isolierband. Um Störungen zu vermeiden, sollte die Länge des Steuerkabels 50 m nicht überschreiten. Steuer- und Motorkabel müssen getrennt in separaten Kabelrinnen verlegt und so weit wie möglich voneinander entfernt sein. Falls sich die beiden Kabel kreuzen müssen, ist dies vertikal zu tun. Sie dürfen niemals in derselben Leitung oder Kabelrinne verlegt werden. Einige Anwender haben diese Vorgaben bei der Kabelverlegung jedoch nicht strikt befolgt. Dies führte dazu, dass die Geräte zwar bei der Einzelprüfung einwandfrei funktionierten, im laufenden Betrieb jedoch erhebliche Störungen verursachten und somit den Betrieb unmöglich machten.
Wenn das Sekundärlufttemperaturmessgerät einer Zementanlage plötzlich ungewöhnliche Messwerte anzeigt: Der angezeigte Wert ist deutlich zu niedrig und schwankt stark. Zuvor lief die Anlage einwandfrei. Thermoelemente, Temperaturtransmitter und weitere Messgeräte wurden überprüft, es wurden keine Fehler festgestellt. Was ist die Ursache? Als das Messgerät an einen anderen Messpunkt versetzt wurde, funktionierte es einwandfrei. Wurde es jedoch an diesem Messpunkt gegen ein ähnliches Messgerät von einem anderen Messpunkt ausgetauscht, trat dasselbe Phänomen erneut auf. Später stellte sich heraus, dass am Motor des Lüfters Nr. 3 im Rostkühler ein neuer Frequenzumrichter installiert worden war. Erst nach Inbetriebnahme des Frequenzumrichters zeigte das Sekundärlufttemperaturmessgerät ungewöhnliche Messwerte an. Nach dem Abschalten des Frequenzumrichters normalisierte sich der Messwert des Sekundärlufttemperaturmessgeräts sofort. Nach dem erneuten Einschalten des Frequenzumrichters zeigte das Sekundärlufttemperaturmessgerät erneut ungewöhnliche Messwerte an. Nach mehreren wiederholten Tests wurde festgestellt, dass die Störung durch den Frequenzumrichter die direkte Ursache für die ungewöhnliche Anzeige des Sekundärlufttemperaturmessgeräts war. Der Ventilator ist ein Radialventilator, dessen Luftmenge ursprünglich über Ventile, später jedoch über eine variable Frequenzumrichterregelung reguliert wurde. Aufgrund der hohen Staubbelastung und der rauen Umgebungsbedingungen vor Ort ist der Frequenzumrichter im Motor Control Center (MCC) installiert. Aus installationstechnischen Gründen ist der Frequenzumrichter an der Unterseite des Hauptschützes des Ventilators angeschlossen. Das Ausgangskabel des Frequenzumrichters ist das Stromkabel des Ventilatormotors. Dieses Stromkabel ist ein PVC-isoliertes, nicht armiertes Kabel und verläuft parallel zum Signalkabel des Sekundärlufttemperaturmessers in verschiedenen Brückenlagen desselben Kabelgrabens. Es zeigt sich, dass Störungen genau deshalb auftreten, weil das Ausgangskabel des Frequenzumrichters nicht armiert ist und nicht durch Eisenrohre verlegt wurde. Dieser Aspekt sollte bei Sanierungsprojekten, die ursprünglich keine Frequenzumrichter verwendeten, besonders beachtet werden.
Besondere Vorsicht ist auch bei der täglichen Wartung von Frequenzumrichtern geboten. Manche Elektriker schalten den Frequenzumrichter sofort wieder ein, sobald sie einen Fehler feststellen und er auslöst. Dies ist sehr gefährlich und kann zu Stromschlägen führen. Denn selbst wenn der Frequenzumrichter nicht in Betrieb ist oder die Stromversorgung unterbrochen wurde, kann aufgrund der vorhandenen Kondensatoren noch Spannung an der Eingangsleitung, dem Gleichstromanschluss und dem Motoranschluss des Frequenzumrichters anliegen. Nach dem Ausschalten muss einige Minuten gewartet werden, bis sich der Frequenzumrichter vollständig entladen hat, bevor die Arbeiten wieder aufgenommen werden. Manche Elektriker führen nach dem Auslösen des Systems sofort Isolationsprüfungen am Motor mithilfe eines Rütteltisches durch, um festzustellen, ob der Motor durchgebrannt ist. Auch dies ist sehr gefährlich, da der Frequenzumrichter dadurch leicht beschädigt werden kann. Daher dürfen vor dem Trennen des Kabels zwischen Motor und Frequenzumrichter weder am Motor noch am bereits angeschlossenen Kabel Isolationsprüfungen durchgeführt werden.