Anbieter von Energierückkopplungsgeräten für Frequenzumrichter weisen darauf hin, dass Frequenzumrichter im Zuge der industriellen Entwicklung in China als Bestandteil von Energie- und Elektroanlagen zunehmend in der industriellen Produktion eingesetzt werden. Viele Anwender sind jedoch mit den Installationsbedingungen und Sicherheitsvorkehrungen von Frequenzumrichtern nicht vertraut, was zu instabilen Kosten und Sicherheitsrisiken führt. Ein besseres Verständnis der Installation und Auswahl von Frequenzumrichtern hilft Anwendern, Kosten zu sparen, Ausfallzeiten zu reduzieren und die Sicherheit von Bewegungssteuerungssystemen zu verbessern.
Die Kosten sind oft der entscheidende Faktor bei der Wahl des Standorts und der Installationsmethode für Niederspannungsumrichter. Wird jedoch den Kosten Vorrang vor wichtigen Entscheidungen bezüglich der Installation von Frequenzumrichtern eingeräumt, kann dies zu höheren Betriebskosten führen. Zudem erhöht sich dadurch die Wahrscheinlichkeit unerwarteter Ausfälle und es können Sicherheitsrisiken entstehen.
Unabhängig davon, ob der Frequenzumrichter in einer neuen oder bestehenden Anlage installiert werden soll, sollten zunächst die folgenden Umwelt- und Sicherheitsaspekte berücksichtigt werden. Nur wenn die Anwender die mit den Installationsoptionen verbundenen Risiken und Vorteile verstehen, können sie die Leistung des Frequenzumrichters optimieren.
1. Umweltaspekte von Frequenzumrichtern
Hohe Temperaturen stellen die größte Gefahr für die Zuverlässigkeit von Frequenzumrichtern dar. Bei unzureichendem Wärmemanagement kann sich Wärme an den Übergängen der Leistungstransistoren im Umrichter stauen. Dies kann zum Schmelzen einzelner Bauteile führen. Überhitzung kann auch das intelligente Leistungsmodul des Frequenzumrichters beschädigen. Dies wiederum beeinträchtigt Hunderte kleiner diskreter Komponenten und Baugruppen, die im Inneren des Frequenzumrichters zusammenarbeiten.
Aus ökologischer Sicht ist der Einbau eines Frequenzumrichters in eine Motorsteuerzentrale (MCC) optimal. UL-845: Anforderungen und Prüfverfahren für Motorsteuerzentralen zur Vermeidung von Überhitzungsproblemen innerhalb der gesamten MCC-Anlage. Dies bedeutet, dass MCC-Hersteller nachweisen müssen, dass der in der MCC installierte Frequenzumrichter nicht beschädigt wird und dass die vom Frequenzumrichter erzeugte Wärme keine anderen Geräte innerhalb der MCC beschädigt.
Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die ordnungsgemäße Wärmemanagement- und Montageausrüstung gemäß UL-845 nur von MCC-Herstellern installiert werden kann. Selbst nach UL-508a zertifizierte Gehäusehersteller dürfen keine Frequenzumrichter in MCCs integrieren und ihre UL-845-Bestände nicht weiterführen. Befindet sich eine Einheit innerhalb eines MCCs nicht in der UL-845-Liste, ist die gesamte MCC-Konfiguration ungültig.
Wird ein Satz Frequenzumrichter in einem Industrieschaltschrank (ICP) anstelle einer Motorsteuerzentrale (MCC) installiert, entsteht für den Endnutzer ein zusätzlicher Aufwand für das Wärmemanagement. Muss der ICP abgedichtet sein, ist üblicherweise eine Klimaanlage erforderlich, um die Innentemperatur innerhalb der Auslegungsgrenzen des Frequenzumrichters (oder anderer ICP-Komponenten) zu halten. Als Faustregel gilt, dass ein Frequenzumrichter etwa 3 % der durchfließenden Gesamtleistung als Wärmestrahlung an die Umgebung abgibt.
Bei der Belüftung des ICP muss das gesamte Luftaustauschvolumen bei der höchsten Außentemperatur ausreichen, um die Innentemperatur innerhalb des Auslegungsbereichs des Frequenzumrichters zu halten. Enthält die zirkulierende Außenluft Staub oder Feuchtigkeit, müssen Filter zur Beseitigung von Verunreinigungen eingesetzt werden. Die Behebung von Störungen und der regelmäßige Filterwechsel können zu einer Überhitzung der Komponenten führen.
Für den im ICP installierten Frequenzumrichter ist ein weiterer wichtiger Aspekt der Wärmeableitung die Gewährleistung ausreichenden Freiraums um den Umrichter herum, um eine normale Luftzirkulation zu ermöglichen. Jede Frequenzumrichterkonstruktion erfordert Mindestabstände nach oben, unten und zu den Seiten, die für die Kühlung der internen Platinen und Komponenten entscheidend sind. Häufig gehen unerfahrene Gehäusehersteller fälschlicherweise davon aus, dass geschlitzte Kabelkanäle kein Hindernis darstellen und platzieren sie daher zu nah am Frequenzumrichter. Dadurch wird die normale Luftzirkulation jedoch behindert und der erforderliche Freiraum eingeschränkt, was oft zu einem vorzeitigen Ausfall des Frequenzumrichters führt.
Wandmontierte Wechselrichter sind üblicherweise mit Lüftern ausgestattet, die Luft durch das Gehäuse leiten, um die Kühlung zu gewährleisten. Dabei sind auch andere Substanzen in der Umgebungsluft zu berücksichtigen, darunter Wasserdampf, Motoröl, Staub, Chemikalien und Gase. Diese Substanzen können in den Frequenzumrichter eindringen und ihn beschädigen oder Ablagerungen verursachen, wodurch die Kühlleistung beeinträchtigt wird. Ebenso wichtig ist es, Hindernisse zu vermeiden, die den Luftstrom behindern. Bestimmte Gase, wie beispielsweise Schwefelwasserstoff, sollten vermieden werden, da sie Leiterplatten und Verbindungselemente korrodieren können. Bei bestimmten Übertragungsarten muss zudem die relative Luftfeuchtigkeit über einem Mindestwert gehalten werden, da bei zu niedriger Luftfeuchtigkeit statische Elektrizität beim Durchströmen der Komponenten zu Problemen führen kann.
Dies ist besonders wichtig für Niederspannungsumrichter, deren Leiterplatten keine Schutzlackierung aufweisen. Frequenzumrichter mit Motoren über 400 PS sind bereits zu groß für die Wandmontage und können nur in freistehenden, am Boden befestigten Gehäusen installiert werden. Diese Schaltschrankumrichter benötigen einen separaten Luftkanal zur Kühlung des Kühlkörpers.
Um die Leistung des Frequenzumrichters zu optimieren, sollten die Anwender die jeweiligen Risiken und Vorteile der verschiedenen Installationsoptionen verstehen.
2. Angemessene Sicherheit des Frequenzumrichters
Bei der Entscheidung über Art und Ort der Installation eines Frequenzumrichters ist der Lichtbogensicherheit besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Der überzeugendste Grund für die Installation eines Frequenzumrichters in einer Motorsteuerzentrale (MCC) ist, dass seine Sicherheit mit dem Gesamtdesign der MCC vereinbar ist. Bei der Installation von Frequenzumrichtern in einer MCC sind alle Fragen der Personensicherheit mit dem gesamten Entscheidungsprozess der MCC verknüpft. Damit die MCC lichtbogenfest ist, muss auch das Gehäuse des Frequenzumrichters lichtbogenfest sein.
Neben dem Schutz vor Störlichtbögen gibt es auch andere Aspekte der Personensicherheit im Zusammenhang mit der Installation von Motorsteuerzentralen (MCC): Bei einer UL-845 MCC-Einheit muss der Frequenzumrichter in einer geprüften Reihenschaltung gemäß der Liste ausgeführt werden (was vom MCC-Hersteller durchgeführt werden sollte), und sein Pegel muss die Kurzschlussfestigkeit der MCC erreichen oder übertreffen.
Solange die Gesamtspezifikationen der Motorsteuerzentrale (MCC) den Gegebenheiten vor Ort entsprechen, ist sichergestellt, dass jede Einheit innerhalb der MCC nachweislich mit dem System verbunden ist. Die für den Zugriff auf den Frequenzumrichter erforderliche Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) befindet sich üblicherweise außerhalb der Schranktür des Geräteschranks und ist in Form der MCC integriert, sofern nicht anders angegeben. Dies bedeutet, dass die Bediener zum Ablesen, Einstellen, Programmieren oder Diagnostizieren von Fehlern am Frequenzumrichter auf ihrem Bildschirm die Schranktür nicht öffnen und den Umrichter somit keinen Sicherheitsrisiken im Inneren aussetzen müssen.
Beim Einbau eines Frequenzumrichters in einen ICP (Integrated Control Point) sind verschiedene Sicherheitsaspekte zu beachten. Falls in den Beschaffungsunterlagen keine Kurzschlussstromfestigkeit (SCCR) gefordert wird, liefern einige ICP-Hersteller die Geräte freundlicherweise mit einer Nennstromfestigkeit von 5 kA. Dies bedeutet, dass der ICP nicht an Stromnetze mit einem potenziellen Fehlerstrom (AFC) über 5 kA angeschlossen werden darf. In der Praxis ist ein AFC von 5 kA in industriellen Anwendungen jedoch kaum zu erreichen, insbesondere bei Verwendung einer 480-V-Stromversorgung. Darüber hinaus erfordern die Anforderungen an die Störlichtbogensicherheit und die Sperr- und Kennzeichnungsvorschriften in der Regel, dass der Hauptleistungsschalter des ICP ausgeschaltet und alle Arbeiten oder Verbindungen innerhalb des ICP vor der Fortsetzung gesperrt und gekennzeichnet werden müssen.
Die Steuerung mehrerer Leistungsschalter, die durch Schaltschranktüren geführt werden, ist äußerst schwierig. Wenn ein Teil des Systems abgeschaltet werden muss und das gesamte System ebenfalls abgeschaltet werden soll, ist ein ICP (Integrated Control Panel) sinnvoller als ein MCC (Motor Control Center) oder ein separater Frequenzumrichter. Gleichzeitig ist der Kurzschlussstrom (SCCR) für wand- und schrankmontierte Frequenzumrichter von entscheidender Bedeutung. Wenn möglich, sollte der Frequenzumrichter als Kombinationsgerät erworben werden, da der Hauptleistungsschalter und die Überstromschutzeinrichtung in das komplette Gerät integriert sind. Dies löst das SCCR-Problem und andere elektrische Sicherheitsrisiken.
Ein weiteres Problem bei großen Frequenzumrichtern ist ihr hohes Gewicht. Wartungstechniker verwenden häufig Werkzeuge, Kräne und sogar Gabelstapler, was sowohl den Frequenzumrichter als auch die Arbeiter gefährdet. Ein Chassis mit spezieller LKW-ähnlicher Konstruktion, kombiniert mit internen Schienen am Boden des Umrichterschranks, bietet eine einfache und sichere Möglichkeit zum Transport schwerer Komponenten. Zugänglichkeit, Sicherheit, Wartungsfreundlichkeit und Eignung der Frequenzumrichterinstallation haben langfristige Auswirkungen, die in der Planungsphase nicht sofort ersichtlich sind. Durch das Verständnis der Risiken und Vorteile verschiedener Installationsoptionen können Anwender die Leistung des Umrichters über seinen gesamten Lebenszyklus optimieren und gleichzeitig Ausfallzeiten und Sicherheitsrisiken potenziell reduzieren.