Moderne elektronische Drehzahlregelungen können im Vergleich zu mechanischen Lösungen viel Energie einsparen und den Materialverschleiß erheblich verringern. Beides reduziert die Betriebskosten deutlich. Je häufiger Antriebssysteme im Teillastbetrieb arbeiten (müssen), desto höher ist das Einsparpotenzial bei Energie- und Wartungskosten. Wegen des hohen Energieeinsparpotenzials amortisieren sich Mehrkosten für eine elektronische Drehzahlregelung bereits in wenigen Monaten. Dabei beeinflussen moderne Lösungen den Prozess und die Verfügbarkeit des Gesamtsystems an vielen Stellen äußerst positiv. Bei der Projektierung drehzahlgeregelter Antriebe treten häufig Fragen auf, die nicht unmittelbar mit den eigentlichen Aufgaben eines Frequenzumrichters zu tun haben. Vielmehr betreffen sie die Einbindung dieser Geräte in das Antriebssystem und die Gesamtanlage. Der Projektierung und Auslegung drehzahlgeregelter Antriebssysteme fällt eine entscheidende Bedeutung zu. Der Planer oder Projektverantwortliche stellt genau in diesem Stadium die Weichen für die Qualität des Antriebssystems, für die Betriebs- und Wartungskosten sowie für den sicheren und störungsarmen Betrieb. Durchdachtes Projektieren im Vorfeld hilft, unerwünschte Nebeneffekte im späteren Betrieb des Antriebssystems zu vermeiden. In nur vier Schritten lassen sich alle Fragen klären, die für einen zuverlässigen Anlagenbetrieb im Vorfeld zu beantworten sind. Für die Energieversorgung elektrischer Antriebe stehen unterschiedliche Netzformen zur Verfügung. So lassen sich TN-Netze, TT-Netze oder IT-Netze unterscheiden.
Schritt 1: Netzversorgung
Alle haben auf das EMV-Verhalten einer Anlage einen mehr oder weniger großen Einfluss. Je nach Einsatzort sind daher geeignete EMV-Maßnahmen zu ergreifen. Bei dem 5-Leiter Netz TN-S ergibt sich dabei die beste, beim isoliert aufgebauten IT-Netz hingegen die schlechteste Ausgangslage. Zudem gilt bei IT-Netzen, dass der Betreiber alle EMV-Maßnahmen der Frequenzumrichter (Filter, etc.) abschalten muss. Daneben gehört aber auch die Betrachtung von netzspezifischen Einflüssen wie Transienten oder die Notwendigkeit für Blindstromkompensation zu einer sicheren Auslegung. Und nicht zuletzt kann es auch bei Transformatoren, die viele Frequenzumrichter speisen müssen, zur Überlastung kommen. Daher sind die Netzbelastung durch Netzrückwirkungen sowie die Netzstabilität im Vorfeld zu betrachten.
Schritt 2: Umgebungsbedingungen
Ein wichtiger Punkt ist auch der Einbauort des Frequenzumrichters. Denn je nach Belastung mit aggressiven Gasen oder starker Staubbildung ist ein entsprechend geschütztes Gehäuse in IP55 oder gar IP66 notwendig – insbesondere bei Stand-alone-Anwendungen im Feld. Die Frage nach dem richtigen Einbauort ist nicht mit richtig oder falsch zu beantworten. Denn beide Varianten bieten Vor- und Nachteile. Die Schaltschrank-Variante bietet den Vorteil, alle elektrischen und elektronischen Komponenten dicht beisammen und geschützt in einem Gehäuse unterzubringen. Dieses kommt dabei fertig bestückt als komplette Einheit zum Einbau in die Anlage. Nachteilig ist, dass sich Komponenten durch die räumliche Baudichte innerhalb des Schranks gegenseitig beeinflussen können und daher dem EMV-konformen Aufbau des Schaltschrankes besondere Bedeutung zukommt. Außerdem steigen die Investitionskosten für geschirmte Motorkabel, da Schaltschrank und Antrieb in der Regel deutlich weiter voneinander getrennt stehen als bei der dezentralen Lösung. Die Wandmontage-Variante ist aufgrund der räumlichen Nähe zwischen Frequenzumrichter und Antrieb aus EMV-Sicht einfacher zu handhaben und kommt deswegen auch mit deutlich geringeren Kosten für geschirmte Motorkabel aus.
Schritt 3: Motor und Verkabelung
Die Umgebungsbedingungen beeinflussen auch die Auswahl eines passenden Kühlkonzepts. Denn auch hier ist die Elektronik nicht nur vor überhöhten Temperaturen zu schützen, sondern auch vor Verunreinigungen aus der Luft wie Staub oder Feuchtigkeit. Eine hohe Verfügbarkeit und Standzeit im Einsatz befindlicher Frequenzumrichter ist nur bei richtiger Kühlung und sauberer Luft gegeben. Und nicht zuletzt in Kläranlagen oder in der chemischen Industrie spielen auch Ex-Bereiche bei der Auswahl der Antriebslösung eine wichtige Rolle. Für die richtige Auswahl des Motors ist das von der Arbeitsmaschine benötigte Drehmoment entscheidend. Dafür rechnet man auf die prozessbedingt geforderte Leistung alle Zuschläge wie beispielsweise Lagerreibung, Kupplungsverluste oder externe Lüfter auf und erhält über die Betriebsdrehzahl das erforderliche Motormoment. Netzbetrieb und Betrieb am Frequenzumrichter unterscheiden sich voneinander. Beispielsweise erhöht Frequenzumrichterbetrieb die Temperaturen in den Motorwicklungen, bedingt durch nicht sinusförmige Speisung sowie die Taktfrequenz und daraus resultierende zusätzliche Ummagnetisierungsverluste. Daher sind im Zusammenhang mit Motoren, die Frequenzumrichter in der Drehzahl regeln, folgende Punkte zu beachten:
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- Isolationsbeanspruchung;
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- Lagerbeanspruchung;
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- Thermische Beanspruchung.
Der Anlagenbetreiber sollte sich daher vergewissern, dass der Motor für den Betrieb an einem Frequenzumrichter ausgelegt ist. Der Querschnitt der Motorkabel richtet sich in erster Linie nach dem erforderlichen Motorstrom. Allerdings spielen auch weitere, wichtige Faktoren mit hinein. So beeinflusst die Art und die Umgebung der Verlegung gegebenenfalls den Querschnitt, um negative Effekte durch erhöhte Umgebungstemperaturen und verminderte Wärmeabgabe auszugleichen. Und nicht zuletzt sind auch Erdungsmaßnahmen generell zwingend erforderlich, um die gesetzlichen Vorschriften der EMV- und Niederspannungsrichtlinie zu erfüllen. Sie sind Voraussetzung für den wirkungsvollen Einsatz weiterer Maßnahmen wie Schirmung oder Filter. Ohne gute Erdungsmaßnahmen erübrigen sich weitere Schritte. Daher ist auch bei der Nachrüstung von Schirmen und Filtern und bei der Fehlersuche zuerst die EMV-gerechte Erdung zu prüfen und sicherzustellen.
Schritt 4: Frequenzumrichter
Jetzt sind alle notwendigen Rahmenbedingungen für die Auswahl des Frequenzumrichters festgelegt. Im Gegensatz zum Motor, der immer nach dem geforderten Drehmoment auszulegen ist, erfolgt die Auswahl des Frequenzumrichters stets nach dem Strom und nicht nach der Leistung. Grundsätzlich gilt, dass der erforderliche Motorstrom als Dauerstrom verfügbar sein muss. In der Praxis kommt es immer wieder vor, dass Planer und Betreiber Frequenzumrichter ausschließlich nach der Leistung in kW auslegen. Grundsätzlich muss die Auswahl aber aufgrund des jeweiligen Motornennstroms I Nenn bei höchster Belastung der Anlage erfolgen. Dieses Auswahlkriterium ist sicherer, da sich die Motorleistung nicht auf die elektrische Anschlussleistung, sondern auf die mechanische Wellenleistung bezieht, der Motorwirkungsgrad dabei also unberücksichtigt bleibt. Die kW-Angabe zu einem Frequenzumrichter dagegen bezieht sich auf die Motornennleistung P Nenn von vierpoligen Motoren. Der Nennstrom allein ist allerdings nicht ausreichend, um die entsprechende elektrische Anschlussleistung zu erreichen. Hierzu muss der Frequenzumrichter auch eine ausreichend hohe Motorspannung zur Verfügung stellen. Im 400-V-Spannungsnetz sind das volle 400 V bei 50 Hz am Motorklemmbrett. Wenn sich die Ausgangsspannung zum Beispiel auf 390 V reduziert, kann der angeschlossene Motor seine Nenndrehzahl nicht mehr erreichen. Im Falle einer Pumpe wäre dann der max. Durchfluss oder Druck nicht mehr zu erreichen. Der Frequenzumrichter ist in diesem Beispiel zu klein dimensioniert. Weitere Auswahlfaktoren betreffen die vom Anwender für seine Applikation benötigten Schnittstellen wie Feldbusse, die Schnelligkeit von Regelverfahren oder andere Sonderfunktionen wie Sicherheitsfunktionen, Kaltleiterauswertungen oder ähnliches. Und zu guter Letzt sollte der Betreiber auch einen Blick auf Installation, Inbetriebnahme und Wartung werfen. Gibt es ein leicht zu bedienendes Display, womöglich mit Klartextanzeige und erweiterten Diagnosefunktionen? Sind alle Anschlussklemmen eindeutig beschriftet und leicht zugänglich? Und arbeiten die Frequenzumrichter wartungsfrei? Die meisten Frequenzumrichter sind nahezu wartungsfrei. Bei Frequenzumrichtern größerer Leistung sind Filtermatten eingebaut, die Betreiber je nach Staubbelastung von Zeit zu Zeit reinigen müssen.Es gilt allerdings zu beachten, dass einige Hersteller von Frequenzumrichtern Wartungsintervalle für Kühlluftventilatoren (circa drei Jahre) und Kondensatoren (circa fünf Jahre) angeben.
Weitere Informationsquellen
Die Checkliste soll bei der Auslegung der Anlage helfen. Sie setzt direkt nach der Festlegung der Antriebsaufgabe und Auswahl des Standorts an. Die einzelnen Punkte enthalten alle wichtigen Rahmenbedingungen, die Anlagenbauer und Betreiber für einen sicheren Anlagenbetrieb kennen müssen. Sie richtet sich an Ingenieurbüros, Behörden, Ämter, Verbände sowie Anlagen- und Schaltanlagenbauer in der Wasser- und Abwassertechnik und erleichtert die Projektierung von drehzahlgeregelten Antrieben mittels Frequenzumrichtern.
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