Der Lieferant des Energierückkopplungsgeräts weist darauf hin, dass der Frequenzumrichter im Betrieb noch immer einige unbefriedigende Eigenschaften aufweist, was zu einer verkürzten Lebensdauer und erhöhten Wartungskosten für seine Komponenten führt.
Durch die Analyse der Anwendungsumgebung, der Netzqualität, elektromagnetischer Störungen und anderer Aspekte von Frequenzumrichtern werden einige Punkte hervorgehoben, die beachtet werden sollten, sowie Verbesserungsvorschläge, die für alle hilfreich sein dürften.
Arbeitsumfeld
In der Praxis werden Frequenzumrichter meist direkt vor Ort installiert, um Kosten zu sparen. Dabei treten häufig Probleme mit hoher Staubbelastung, hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit auf. In manchen Industriezweigen kommen zudem Metallstaub, korrosive Gase usw. hinzu. Entsprechende Maßnahmen müssen daher je nach Situation vor Ort ergriffen werden.
1) Der Frequenzumrichter sollte im Schaltschrank installiert werden.
2) Es empfiehlt sich, den Frequenzumrichter in der Mitte des Schaltschranks zu installieren. Der Frequenzumrichter sollte vertikal installiert werden, und es sollte vermieden werden, dass große Bauteile, die den Abluft- und Zuluftstrom behindern könnten, direkt darüber und darunter installiert werden.
3) Der Mindestabstand zwischen der Ober- und Unterkante des Frequenzumrichters und der Oberseite, Unterseite, Trennwand oder erforderlichen großen Bauteilen des Schaltschranks sollte mehr als 300 mm betragen.
4) Falls spezielle Benutzer die Tastatur während des Gebrauchs entfernen müssen, muss die Tastaturöffnung auf der Wechselrichterplatte sorgfältig mit Klebeband abgedichtet oder durch eine Blindabdeckung ersetzt werden, um zu verhindern, dass große Mengen Staub in das Innere des Wechselrichters gelangen.
5) Die meisten Leiterplatten und metallischen Bauteile in Frequenzumrichtern sind nicht speziell gegen Feuchtigkeit, Schimmel und Mehltau behandelt. Bei längerer Einwirkung rauer Umgebungsbedingungen neigen diese Bauteile zur Rostbildung. Unter hohen Betriebstemperaturen korrodieren leitfähige Kupferleiterbahnen besonders stark, was die dünnen Kupferdrähte auf der Mikrocomputer-Steuerplatine und der Antriebsplatine beschädigen kann. Daher müssen für Anwendungen in feuchten und korrosiven Umgebungen bestimmte Anforderungen an die interne Konstruktion des verwendeten Frequenzumrichters gestellt werden.
6) Bei der Verwendung eines Frequenzumrichters in staubigen Umgebungen, insbesondere in Bereichen mit Mehrkomponentenstaub und flockigen Substanzen, ist es im Allgemeinen erforderlich, dass der Schaltschrank vollständig abgedichtet und speziell mit Luftein- und -auslässen zur Belüftung ausgestattet ist. Die Oberseite des Schaltschranks sollte ein Schutzgitter und eine Schutzabdeckung für den Luftauslass aufweisen. Die Unterseite des Schaltschranks sollte eine Grundplatte, Lufteinlass- und Kabeldurchführungsöffnungen besitzen und mit einem Staubschutzgitter versehen sein.
elektromagnetische Störungen
In modernen industriellen Steuerungssystemen kommt häufig Mikrocomputer- oder SPS-Steuerungstechnik zum Einsatz. Bei der Systementwicklung oder -modifizierung muss auf mögliche Störungen der Mikrocomputer-Steuerplatine durch Frequenzumrichter geachtet werden. Da einige für Frequenzumrichter ausgelegte Mikrocomputer-Steuerplatinen nicht den internationalen EMV-Normen entsprechen, können nach dem Einsatz des Frequenzumrichters leitungsgebundene und abgestrahlte Störungen auftreten, die häufig zu Fehlfunktionen des Steuerungssystems führen. Im Folgenden finden Sie hilfreiche Hinweise.
1) Durch die Installation eines EMV-Filters am Eingang des Frequenzumrichters lassen sich leitungsgebundene Störungen des Frequenzumrichters im Stromnetz wirksam unterdrücken. Der Einsatz von AC- und DC-Drosseln am Eingang verbessert den Leistungsfaktor, reduziert die Oberwellenbelastung und führt zu einer insgesamt guten Wirkung. Bei Entfernungen von mehr als 100 m zwischen Motor und Frequenzumrichter ist es erforderlich, zusätzlich eine AC-Ausgangsdrossel am Frequenzumrichter zu installieren, um den durch die Verteilungsparameter der Ausgangsleitung gegen Erde verursachten Ableitstrom zu minimieren und externe Strahlungsstörungen zu reduzieren.
Eine Methode besteht darin, Stahlrohre oder Schirmkabel mit Gewinden zu versehen und die Stahlrohrhülle bzw. die Kabelschirmung zuverlässig mit der Erde zu verbinden. Ohne zusätzliche AC-Ausgangsdrossel erhöht die Verwendung von Stahlrohrgewinden oder Schirmkabeln die verteilte Kapazität des Ausgangs gegen Erde, wodurch Überstrom begünstigt wird.
2) Elektrische Abschirmung und Isolation der analogen Sensoreingänge und Steuersignale. Bei der Entwicklung von Steuerungssystemen mit Frequenzumrichtern wird empfohlen, auf analoge Steuerung möglichst zu verzichten, insbesondere bei Steuerabständen über 1 m und Installationen über Schaltschränke hinweg. Da Frequenzumrichter in der Regel mehrere Drehzahlstufen und schaltbare Frequenzeingänge und -ausgänge bieten, erfüllen sie diese Anforderungen. Ist eine analoge Steuerung dennoch erforderlich, empfiehlt sich die Verwendung abgeschirmter Kabel und die Einrichtung eines entfernten Erdungspunktes auf der Sensor- oder Frequenzumrichterseite. Bei weiterhin starken Störungen sind DC/DC-Trennungsmaßnahmen notwendig. Hierfür können Standard-DC/DC-Wandler verwendet oder eine Spannungs-Frequenz-Wandlung mit optischer Isolation und Frequenzeingang genutzt werden.
3) Durch die Installation von EMV-Filtern, Gleichtaktinduktivitäten, Hochfrequenz-Magnetringen usw. am Netzteil der Mikrocomputer-Steuerplatine lassen sich leitungsgebundene Störungen wirksam unterdrücken. In Situationen mit starker Strahlungsstörung, beispielsweise in der Nähe von GSM- oder Pager-Basisstationen, kann die Mikrocomputer-Steuerplatine zusätzlich mit einem Metallgitter abgeschirmt werden.
4) Gute Erdung. Die Erdungsleitung von Systemen mit hohem Stromfluss, wie z. B. Motoren, muss zuverlässig über eine Erdungsschiene geerdet werden. Die Schirmung der Mikrocomputer-Steuerplatine sollte separat geerdet werden. Bei starken Störungen empfiehlt es sich, die Schirmung der Sensoren und der I/O-Schnittstelle mit der Steuermasse der Steuerplatine zu verbinden.
Qualität des Stromnetzes
Spannungsflimmern tritt häufig bei stoßbelasteten Geräten wie Schweißmaschinen, Elektrolichtbogenöfen, Stahlwerken usw. auf. In Werkstätten, in denen mehrere Frequenzumrichter und andere kapazitive Gleichrichter in Betrieb sind, verursachen die von ihnen erzeugten Oberschwingungen erhebliche Störungen der Netzqualität und können die Geräte selbst stark beschädigen. Dies reicht von Betriebsstörungen bis hin zu Schäden am Eingangskreis. Zur Behebung dieses Problems können folgende Methoden angewendet werden.
1) Es wird empfohlen, dass Anwender Blindleistungskompensationsgeräte hinzufügen, um den Leistungsfaktor und die Qualität des Stromnetzes bei Stoßlasten wie Schweißmaschinen, Elektrolichtbogenöfen und Stahlwerken zu verbessern.
2) In Werkstätten mit vielen Frequenzumrichtern empfiehlt sich die Verwendung einer zentralen Gleichrichtung und einer gemeinsamen Gleichstromversorgung. Anwendern wird die 12-Puls-Gleichrichtung empfohlen. Vorteile sind geringe Oberschwingungen und Energieeinsparung, insbesondere bei häufigem Anfahren und Bremsen, wenn der Elektromotor sowohl im Stromerzeugungs- als auch im Energieerzeugungsbetrieb eingesetzt wird.
3) Durch den Einbau eines passiven LC-Filters auf der Eingangsseite des Frequenzumrichters werden die Eingangsoberwellen reduziert, der Leistungsfaktor verbessert, eine hohe Zuverlässigkeit erreicht und gute Ergebnisse erzielt.
4) Die Installation eines aktiven PFC-Geräts auf der Eingangsseite des Frequenzumrichters liefert die besten Ergebnisse, ist aber mit relativ hohen Kosten verbunden.
Ausgehend von den Problemen, die im praktischen Einsatz von Frequenzumrichtern auftreten, schlägt dieser Artikel gezielte Lösungen und Verbesserungsvorschläge vor, um den Einfluss von Störfaktoren wie externen Störungen, Einsatzumgebung und Netzqualität zu minimieren. Diese Lösungen können die Lebensdauer von Frequenzumrichtern effektiv verlängern und sind für die praktische Anwendung im Ingenieurwesen von Nutzen.
Selbstverständlich werden üblicherweise eine oder mehrere Methoden angewendet.