So sparen Sie Energie und Kosten mit einem Frequenzumrichter (FU)

Elektromotoren treiben die Fertigungsindustrie an, wobei motorgetriebene Geräte 64 Prozent des gesamten Stromverbrauchs ausmachen. Wenn Hersteller nach Möglichkeiten suchen, ihre Prozesse zu optimieren, ist Energieeffizienz ihr vorrangiges Anliegen. Die Industrie hat die Frequenzumrichtertechnologie (FU-Technologie) als bevorzugte Lösung zur Energieeinsparung gewählt, wie im Whitepaper „Intelligente Wartung: Die Entwicklung der vorausschauenden Wartung (PdM)“ unter Abschnitt 3 zu lesen ist.

FU steuern AC-Motoren in Anwendungen wie Ventilatoren, Pumpen, Gebläsen, Mischern, Förderern und anderen variablen Lasten. Dieser Artikel geht auf die Funktionsweise der FU ein und erklärt ihren Beitrag zu Energie und Kosten

Was ist ein Frequenzumrichter (FU)?

Ein Frequenzumrichter (FU), auch als AC-Antrieb oder Wechselrichter bekannt, ist eine Art Motorsteuerung, die einen AC-Motor antreibt, indem sie die Frequenz und Spannung variiert, welche dem Motor zugeführt werden. FU reduzieren die elektrische Energie und ermöglichen es dem Bediener, die Motordrehzahl genau an die vom System geforderte Last anzupassen. Bei AC-Induktionsmotoren dreht sich ein nicht magnetisierter (aber elektrisch leitender) Rotor etwas langsamer als die Synchrondrehzahl des rotierenden Magnetfeldes. Die Drehzahl dieses Magnetfeldes ist direkt proportional zur Frequenz des AC-Stroms und umgekehrt proportional zur Polanzahl im Stator:

S = 120 f / n

Dabei gilt:

S = Synchrondrehzahl des rotierenden Magnetfeldes, in Umdrehungen pro Minute (U/min)

f = Frequenz, in Zyklen pro Sekunde (Hz)

n = Gesamtzahl der Statorpole pro Phase

In der obigen Gleichung bezieht sich die Frequenz direkt auf die Drehzahl des Motors. Abbildung 1 zeigt die drei Teile, aus denen der FU besteht: dem Gleichrichter, dem Filter und dem Wechselrichter. Der Gleichrichter verwendet Dioden, um den AC-Netzstrom in DC-Strom umzuwandeln. Der Filter reduziert die Welligkeit des gleichgerichteten DC-Stroms. Der Wechselrichter wandelt den gefilterten DC-Strom wieder in AC-Strom um. In diesem Fall mit der Frequenz und Spannung, die benötigt werden, um den Motor mit verschiedenen Drehzahlen laufen zu lassen.

Abbildung 1: Blockdiagramm eines Frequenzumrichters

Arten von Induktionsmotoren basierend auf unterschiedlichen Betriebslasten

Ein Induktionsmotor kann, abhängig von den verschiedenen Lastbedingungen, in die folgenden Kategorien eingeteilt werden:

Konstante Strombelastung

Schleifmaschinen, Wickel- und Drehmaschinen benötigen bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment und bei hohen Drehzahlen ein niedriges Drehmoment. Wenn die Betriebsdrehzahl abnimmt, steigt das Drehmoment an und hält die erforderliche Leistung konstant.

Konstante Drehmomentbelastung

Kolbenpumpen, Verdichter, Förderer und Traktionsantriebe benötigen sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Drehzahlen das gleiche Drehmoment. In diesem Zustand bleibt das Drehmoment über den gesamten Drehzahlbereich konstant und die Leistung steigt und fällt direkt proportional zur Drehzahl. Wenn sich die Drehzahl ändert, bleibt das Lastdrehmoment einigermaßen konstant und die Pferdestärke ändert sich linear zur Drehzahl.

Variable Drehmomentbelastung

Anwendungen wie Radial- und Axialpumpen, Ventilatoren und Gebläse erfordern bei niedrigen Drehzahlen im Vergleich zu hohen Drehzahlen ein viel niedrigeres Drehmoment. Das erforderliche Drehmoment ändert sich als Quadrat der Drehzahl und die erforderliche Leistung ändert sich als dritte Potenz der Drehzahl.

Abbildung 2: Unterschiedliche Lastzustände eines Induktionsmotors

Wie tragen FU zu Energie- und Kosteneinsparungen bei?

Das Affinitätsgesetz approximiert die potenziellen Energieeinsparungen, indem die Motorleistung reduziert wird, um die Drehzahl zu steuern. Eine Reduktion der Motordrehzahl um 25 Prozent senkt den Energieverbrauch um fast 60 Prozent, während eine Reduktion der Motordrehzahl um 50 Prozent den Energieverbrauch um fast 90 Prozent senkt. Daher ist die Reduktion der Motordrehzahl für die meisten Bewegungssteuerungsanwendungen oft der einfachste Weg, um Energie zu sparen. FU können auf folgende Weise zur Energieeinsparung und zur Senkung der Betriebskosten beitragen:

Reduzierung von Einschaltstrom

Ein hoher Einschaltstrom kann zu Störungen durch Auslösen von Schutzeinrichtungen oder Beschädigungen des Motors führen. Außerdem kann es zu Spannungseinbrüchen in der Versorgungsleitung kommen oder sogar ein korrektes Anlaufen des Motors verhindern. Ein hoher Einschaltstrom führt auch zu einer hohen Drehmomenterzeugung beim Anfahren, was zu einer plötzlichen, starken Beschleunigung führen kann, die mechanische Lasten beschädigt. Ein hoher Einschaltstrom erhöht auch den elektrischen Bedarf und ein hoher Bedarf führt wiederum zu steil ansteigenden Bedarfslasten. Ein FU kann den anfänglichen Einschaltstrom reduzieren, indem er die Spannung zum Motor verringert, wenn er beginnt, die Lasten zu beschleunigen. Diese niedrigere Spannung reduziert die Stromaufnahme des Motors. Ein vom FU reduzierter Einschaltstrom verringert das Risiko eines vorzeitigen Ausfalls und eliminiert Bedarfslasten, wodurch die Energie- und Wartungskosten gesenkt werden.



Abbildung 3: Auswirkung des Einschaltstroms bei Motoren

Durch Nutzung des Affinitätsgesetzes

Bei Kreiselpumpen gibt das Affinitätsgesetz den Zusammenhang zwischen Drehzahl und Leistung an.

Leistung (PS) = Durchfluss (Q) × Druckhöhe (H) …………. (1)

Dabei gilt: Q ∝ Drehzahl (N)

Und H ∝ N2

Daher gilt: HP ∝ N3 …………. (2)

Es ist daher die beste Option, die Versorgungsfrequenz und -drehzahl anzupassen, um den Durchfluss anstelle der herkömmlichen Ventildrosselung zu steuern. Mit dem Affinitätsgesetz wird eine beträchtliche Menge an Leistung eingespart.



Abbildung 4: Affinitätsgesetz für Kreiselpumpen

Gemäß dem Affinitätsgesetz entspricht eine niedrigere Motordrehzahl einem geringeren Energieverbrauch. Zum Beispiel benötigt ein Motor, der mit 80 Prozent der vollen Drehzahl läuft, 51,2 Prozent des Stroms eines Motors, der mit einer 100 Prozent-Drehzahl betrieben wird. (Mit Gleichung Nr. 2 80 % x 80 % x 80 % = 0,512). Ein FU, der eine Pumpe oder einen Ventilator steuert, kann über seine gesamte Nutzungsdauer hinweg erhebliche Einsparungen erzielen.

Mit dynamischem U/f-Modus:

Ein dynamischer Volt-pro-Hertz-Modus, allgemein als U/f bezeichnet, ist für Bedingungen konzipiert, bei denen Sie die Leistungsverluste im Motor unter niedrigen Lastbedingungen auf ein Minimum beschränken sollten. In diesem Modus variiert der Frequenzumrichter die Spannung in Bezug auf die Frequenzkennlinie, die für den Motor in Abhängigkeit von der Laststufe gilt. Die Spannung am Motor wird somit bei geringer Last bei gegebener Frequenz entsprechend reduziert. Diese Methode reduziert den Magnetisierungsstrom, was die Verluste im Motor reduziert.

Integrierter PID-Regler:

FU der neuen Generation verfügen über eine integrierte PID-Schleife, die mit nur wenigen Parametern aktiviert und eingerichtet werden kann. Sie können den Sollwert direkt in die Programmierung des FU eingeben. Es ist nicht erforderlich, eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) daran anzuschließen, ihn mit FU zu verbinden oder separat zu programmieren. Das Rückmeldesignal vom Sensor wird direkt an den Analogeingang des FU gesendet. Der Sollwert und die Sensorrückmeldung helfen dem FU bei der Bestimmung, ob der Motor beschleunigt oder verlangsamt werden soll, um den Sollwert zu erreichen. Dies optimiert die Energieeffizienz, da der Motor nur so schnell läuft, dass er die Anforderung des aktuellen Sollwerts erfüllt. Gleichzeitig werden die Kosten gesenkt, da die SPS nicht gekauft oder programmiert werden muss.

Gemeinsamer DC-Bus:

Das gemeinsame Bussystem ist der effizienteste Weg, um die Induktionsmotoren zu betreiben, wenn sich mehrere Antriebe an einem Ort befinden. Ein gemeinsamer DC-Bus, der mehrere FU verbindet, kann regenerative Energie, die von einem sich verlangsamenden Motor erzeugt wird, kostengünstig zurückgewinnen und diese für einen Motor bereitstellen, der zusätzliche Energie benötigt, anstatt Energie aus dem Netz zu beziehen. Wenn die mit Strom versorgte Systemanwendung mehr Bremsenergie erzeugt, als die aktiven Motoren verbrauchen können, können die regenativen Systeme Strom in das Netz zurückspeisen, wobei erhebliche Kosteneinsparungen erzielt werden können.

Leistungsfaktorverbesserung

Ein leicht belasteter Induktionsmotor hat einen FU-Eingangsstrom von nahezu Null, da der große Blindstrom nicht von der Versorgungsseite fließt. Da nur der reale Stromanteil zur Versorgungsseite zurückgeführt wird, bleibt der FU-Eingangsstrom unter allen Lastbedingungen phasengleich mit der Versorgungsspannung. Daher wird der Leistungsfaktor nahe an der Einheit liegen, was zu niedrigeren Versorgungsgebühren führt.

Beispiel für Kosteneinsparungen

Angenommen, wir haben einen Ventilator mit einem 60 PS starken Motor, der 15 Stunden am Tag,

300 Tage im Jahr, Luft bereitstellt. Die Energiekosten betragen 0,1177 $ pro Kilowattstunde (angenommen).

Die Betriebskosten werden nach folgender Formel berechnet:

Kosten = Leistung (kW) × Laufzeit × Kosten/kWh

So sind die Betriebskosten für den Betrieb eines Motors mit unterschiedlichen Drehzahlen für unterschiedliche Zeiträume mit FU und ohne FU in Tabelle 1 dargestellt:

Tabelle 1: Betriebskosten für den Betrieb eines Motors mit FU und ohne FU

Zur Berechnung der Amortisationszeit für die Investition in einen AC-Antrieb, können wir die folgende Formel verwenden:

Wenn unser 60 PS-Antrieb also 15.000 € (angenommen) kostet, würde die Amortisationszeit etwa 17 Monate betragen, d. h. weniger als zwei Jahre!

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verwendung eines FU mit einem Induktionsmotor zu erheblichen Energieeinsparungen führt und die Rückgewinnung mit mehreren Anwendungen und Verfahren möglich ist. Während das Hauptaugenmerk in der Regel auf dem FU und den Kosten für die Erstinstallation oder Nachrüstung von Motoren liegt, sollten Sie jede Anwendung überprüfen, um die maximalen Betriebskosteneinsparungen zu erzielen, welche sich aus Energieeinsparungen und Energierückgewinnung ergeben. In vielen Fällen sind die Energieeinsparungen und Betriebskosten höher als die Installationskosten.

Farnell arbeitet mit diversen Lieferanten zusammen, die eine breite Palette von Frequenzumrichter-Produkten und Lösungen, wie Motorsteuerung, Motorstarter, Elektromotoren, Motorschutzzubehör und Motorantriebe.anbieten.