Der Lieferant der Energierückkopplungseinheit weist darauf hin, dass die korrekte Auswahl von Frequenzumrichtern für den reibungslosen Betrieb der Getriebesteuerung mechanischer Anlagen von entscheidender Bedeutung ist. So lassen sich unnötige Verluste durch Wartungsarbeiten aufgrund einer falschen Auswahl vermeiden. Zunächst muss der Zweck der Frequenzumrichterauswahl klar definiert werden. Anschließend ist der geeignete Frequenzumrichter anhand von Anlagentyp, Lastcharakteristik, Drehzahlbereich, Regelungsart, Einsatzumgebung, Schutzvorrichtung und weiteren Anforderungen auszuwählen. Ziel ist es, sowohl technologische als auch wirtschaftliche Vorteile zu erzielen.
1. Lastmomentcharakteristik mechanischer Geräte
In der Praxis werden Produktionsmaschinen häufig anhand ihrer unterschiedlichen Lastdrehmomentcharakteristik in drei Typen unterteilt: Lasten mit konstantem Drehmoment, Lasten mit konstanter Leistung und Lasten mit reduzierter Drehmomentcharakteristik. Bei der Auswahl eines Frequenzumrichters sollten die Lastcharakteristika daher die Grundlage bilden.
Reduzierung der Drehmomentkennlast
Bei verschiedenen Ventilatoren, Wasserpumpen und Hydraulikpumpen ist der durch die Rotation des Laufrads erzeugte Widerstand innerhalb eines bestimmten Drehzahlbereichs annähernd proportional zur zweiten Potenz der Drehzahl. Das Drehmoment ändert sich ebenfalls proportional zur zweiten Potenz der Drehzahl, und die Lastleistung ändert sich proportional zur dritten Potenz der Drehzahl. Diese Art von Last wird als drehmomentreduzierte Last bezeichnet.
Konstantleistungslast
Charakteristisch für diese Lastart ist, dass das erforderliche Drehmoment TL annähernd umgekehrt proportional zur Drehzahl n ist. Mit sinkender Motordrehzahl steigt das Ausgangsdrehmoment der Last. Das heißt, innerhalb des betrachteten Drehzahlbereichs ist das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen größer und bei hohen Drehzahlen kleiner, während die Ausgangsleistung des Motors unverändert bleibt. Spindeln von Werkzeugmaschinen zur Metallbearbeitung, Walzwerken, Papiermaschinen, Wickelmaschinen, Abwickelmaschinen usw. in Folienproduktionslinien zählen zu den Konstantleistungslasten.
Die Konstantleistungseigenschaft einer Last ist auf einen bestimmten Drehzahlbereich begrenzt. Bei sehr niedrigen Drehzahlen kann die Last aufgrund der mechanischen Belastbarkeit nicht unendlich ansteigen und geht in eine Konstantdrehmomenteigenschaft über. Die Bereiche konstanter Leistung und konstanten Drehmoments der Last haben einen wesentlichen Einfluss auf die Wahl der Übertragungssysteme. Bei Drehzahlregelung mit konstantem Fluss bleibt das maximal zulässige Ausgangsdrehmoment unverändert; dies zählt zur Drehzahlregelung mit konstantem Drehmoment. Bei Drehzahlregelung mit schwachem Magnetismus ist das maximal zulässige Ausgangsdrehmoment umgekehrt proportional zur Drehzahl; dies zählt zur Drehzahlregelung mit konstanter Leistung. Stimmen die Bereiche konstanter Drehmoment- und konstanter Leistungsregelung des Elektromotors mit den Bereichen konstanter Drehmoment- und konstanter Leistung der Last überein (sogenannte „Anpassung“), werden sowohl die Leistung des Elektromotors als auch die des Frequenzumrichters minimiert.
Die mechanischen Eigenschaften von Konstantleistungslasten sind komplex. Bei der Systemauslegung ist darauf zu achten, dass Asynchronmotoren nicht über ihre Synchrondrehzahl hinaus betrieben werden, da dies zu schwerwiegenden mechanischen Ausfällen führen kann. Die Leistung eines Frequenzumrichters wird üblicherweise mit etwa dem 10-fachen der Leistung eines Asynchronmotors angenommen.
Konstante Drehmomentbelastung
Bei einer Last mit konstantem Drehmoment ist das Lastdrehmoment TL unabhängig von der Drehzahl n. Bei jeder Drehzahl bleibt das Lastdrehmoment TL konstant oder nahezu konstant, und die Lastleistung steigt linear mit der Lastdrehzahl. Beispiele für Lasten mit konstantem Drehmoment sind Reibungslasten wie Kräne, Förderbänder, Spritzgießmaschinen, Mischer und Hebezeuge. Der Einsatz von Frequenzumrichtern zur Steuerung solcher Lasten dient der Automatisierung der Anlagen, der Steigerung der Arbeitsproduktivität und der Verbesserung der Produktqualität.
Beim Betrieb einer Last mit konstantem Drehmoment durch den Frequenzumrichter muss das Ausgangsdrehmoment bei niedriger Drehzahl ausreichend hoch sein und eine ausreichende Überlastfähigkeit, üblicherweise 150 % des Nennstroms, aufweisen. Ist ein Dauerbetrieb mit niedriger Drehzahl erforderlich, muss die Wärmeabfuhrkapazität der Asynchronmotoren berücksichtigt werden, um einen übermäßigen Temperaturanstieg zu vermeiden.
Bei der Systemauslegung ist darauf zu achten, die Leistung der Asynchronmotoren bzw. der Frequenzumrichter entsprechend zu erhöhen. Die Leistung eines Frequenzumrichters wird üblicherweise mit dem Vielfachen der Leistung eines Asynchronmotors angenommen.
2. Wählen Sie anhand der Lastcharakteristik ein geeignetes Regelungsverfahren für den Frequenzumrichter aus.
Neben dem Herstellungsprozess des Frequenzumrichters ist auch das gewählte Regelungsverfahren von großer Bedeutung. Man unterscheidet im Wesentlichen zwischen Regelung im offenen und im geschlossenen Regelkreis. Die Regelung im offenen Regelkreis zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und hohe Zuverlässigkeit aus, weist jedoch eine geringere Drehzahlgenauigkeit und ein schwächeres dynamisches Ansprechverhalten auf. Die Regelung im geschlossenen Regelkreis ermöglicht die Echtzeitregelung anhand von Parameteränderungen wie Durchflussrate, Temperatur, Position, Drehzahl, Druck usw. Sie bietet ein schnelles dynamisches Ansprechverhalten, ist aber mitunter schwierig zu implementieren und kostspielig. Anwender sollten daher das für ihre Bedürfnisse geeignete Regelungsverfahren wählen, um die gewünschten Drehzahlregelungseigenschaften zu erzielen.
3. Wählen Sie die Schutzstruktur des Frequenzumrichters entsprechend der Installationsumgebung aus.
Bei der Auswahl eines Frequenzumrichters muss die Installationsumgebung berücksichtigt werden. Dazu gehören Faktoren wie Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit, Staubgehalt und korrosive Gase, die eng mit dem langfristigen und zuverlässigen Betrieb des Frequenzumrichters zusammenhängen. Werden die Betriebsbedingungen nicht erfüllt, müssen entsprechende Schutzmaßnahmen ergriffen werden.
Die meisten Hersteller von Frequenzumrichtern bieten den Anwendern die folgenden gängigen Schutzstrukturen zur Auswahl an.
(1) Die offene Ausführung IP00 schützt den menschlichen Körper davor, von vorne mit den stromführenden Teilen im Inneren des Frequenzumrichters in Berührung zu kommen. Sie eignet sich für die Montage auf Bildschirmen, Schalttafeln und Gestellen in Schaltschränken oder Elektroräumen, insbesondere für den zentralen Einsatz mehrerer Frequenzumrichter, stellt jedoch hohe Anforderungen an die Installationsumgebung.
(2) Die geschlossenen Frequenzumrichter der Schutzarten IP20 und IP21 sind gekapselt und können in Gebäuden an der Wand montiert werden. Sie eignen sich für die meisten Innenräume mit geringer Staubbelastung sowie niedrigen Temperatur- und Feuchtigkeitswerten.
(3) Die Schutzarten IP40 und IP42 sind für Industrieanlagen mit schlechten Umgebungsbedingungen geeignet.
(4) Abgedichtete Schutzarten IP54 und IP55, mit staub- und wasserdichten Schutzstrukturen, geeignet für Industrieanlagen mit schlechten Umgebungsbedingungen, Spritzwasser, Staub und bestimmten korrosiven Gasen.
Die Auswahl eines Frequenzumrichtersystems für die Drehzahlregelung auf der Baustelle sollte sich an den konkreten Prozessanforderungen und Anwendungsszenarien orientieren. Vor- und Nachteile sind abzuwägen, und die Auswahl muss wohlüberlegt und umfassend erfolgen. Nur durch den korrekten und flexiblen Einsatz des Frequenzumrichters ist ein sicherer und zuverlässiger Betrieb des Wechselstrom-Frequenzumrichtersystems gewährleistet.