Frequenzumrichter verbessern die Maschineneffizienz in industriellen Anwendungen

Verschiedene Geschwindigkeiten werden heute von der Technologie in vielen Anwendungen gefordert, in denen Elektromotoren verwendet werden. Frequenzumrichter (VSD) spielen eine wichtige Rolle bei der Antriebseffizienz in industriellen Motoranwendungen während der Konstruktionsphase und in der Fertigungsstätte. Abschnitt 2 des Whitepapers „Intelligente Lösungen für mehr Energieeffizienz“ behandelt die Energieeffizienz von Maschinen mit Automatisierung (klicken Sie hier für weitere Details). Dieser Blog bietet einen umfassenden Überblick über VSD-Anwendungen zur Verbesserung der Maschineneffizienz und Energieeinsparung durch Elektromotoren in industriellen Anwendungen.

Ein Gleichrichter, eine Zwischenschaltung, ein Wechselrichter und eine Steuereinheit sind die wichtigsten Bauelemente einer VSD-Einheit, wie in Abbildung 1 unten dargestellt wird. Der Gleichrichter ändert den Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC). In der Zwischenschaltung wird die gleichgerichtete DC-Versorgung in der Regel durch eine Kombination von Induktivitäten und Kondensatoren konditioniert. Der Wechselrichter wandelt den gleichgerichteten und konditionierten DC wieder in eine AC-Versorgung mit variabler Frequenz und Spannung um. Üblicherweise wird dies durch das Erzeugen eines hochfrequenten PWM-Signals mit wechselnder Frequenz und Effektivspannung erreicht. Die Steuereinheit überwacht den gesamten Betrieb des VSDs; sie überwacht und steuert den Gleichrichter, die Zwischenschaltung und den Wechselrichter, um sicherzustellen, dass die richtige Ausgabe als Reaktion auf ein externes Steuersignal bereitgestellt wird.

Abb. 1: Schematische Darstellung eines Frequenzumrichters

VSD-Anwendung mit verschiedenen Lasten:

Der VSD wird mit einem Wandler wie einem Druck- oder Durchflusssensor verbunden und so programmiert, dass er einen bestimmten Wert (Sollwert) beibehält. Sie können an mehrere Wandler angeschlossen werden, Verriegelungen und andere Steuerfunktionen implementieren und sich mit aktuellen Computernetzwerken verbinden, welche Echtzeitbetriebsdaten bereitstellen.

Das Potenzial von VSDs zur Energieeinsparung richtet sich nach den Eigenschaften der anzutreibenden Last. Die Lasten werden in drei Typen unterteilt: variables Drehmoment, konstantes Drehmoment und konstante Leistung. Lasten mit variablem Drehmoment sind bei Radiallüftern und Pumpen weit verbreitet und bieten das größte Potenzial was Energieeinsparungen betrifft. Dies liegt daran, dass sich das Drehmoment mit dem Quadrat der Drehzahl ändert (H1/H2 = (N1/N2)2) und die Leistung mit der Drehzahl hoch drei variiert (P1/P2 = (N1/N2)3). Und der Durchfluss ändert sich entsprechend der Drehzahländerung (Q1/Q2 = (N1/N2)).

Wie im folgenden Diagramm dargestellt, sind Lasten mit konstantem Drehmoment diejenigen, bei denen sich das Drehmoment nicht mit der Drehzahl ändert und die aufgenommene Leistung direkt proportional zur Drehzahl ist, was bedeutet, dass der Stromverbrauch proportional zur geleisteten Nutzarbeit ist.

Abb. 2: (a) Lastprofil mit konstantem Drehmoment b) Energieeinsparung bei unterschiedlichen Lasten

Förderer, Rührwerke, Brecher, Kontaktwickler, Verdrängerpumpen und Luftverdichter sind typisch für Anwendungen mit konstantem Drehmoment. Bei Konstantstromlasten ist die aufgenommene Leistung konstant, während das Drehmoment umgekehrt proportional zur Drehzahl ist.

Die Lüftersteuerung mit variabler Drehzahl kann in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, einschließlich der meisten Arten von Lüftungssystemen, Luftabsaugsystemen, industriellen Kühlsystemen und Boiler-Verbrennungsluft-Regelungssystemen.

Die Kurve in Abbildung 3 unten zeigt, dass die Verwendung eines VSDs zur Regulierung der Durchflussrate von einer Pumpe anstatt einer herkömmlichen Drosselsteuerung zu erheblichen Energie- und Kosteneinsparungen führen kann. Dabei stellt die gestrichelte Linie die Leistungsaufnahme eines Motors mit Festdrehzahl und die durchgezogene Linie die Leistungsaufnahme eines Frequenzumrichters (VSD) dar. Der schraffierte Bereich spiegelt die Energieeinsparung wider, die durch den Einsatz eines VSDs für eine bestimmte Strömung erzielt wird.

Abb. 3: Energieeinsparung der Pumpe – Drosselklappe vs. Geschwindigkeitsreduzierung

VSDs werden in einer Vielzahl von Größen von 0,18 kW bis zu mehreren MW geliefert und können für bestimmte Anwendungen optimiert werden. VSDs weisen in der Regel einen Wirkungsgrad von 92–95 % auf, wobei 5–8 % Verluste durch eine zusätzliche Wärmeableitung verursacht werden, welche wiederum auf das elektrische Hochfrequenzschalten und die zusätzliche Leistung, die von den elektronischen Bauelementen benötigt wird, zurückzuführen ist. Die Verluste werden in der Regel durch die Einsparungen am Motor mehr als ausgeglichen.

Farnell hat sich mit vielen verschiedenen Lieferanten zusammengetan, die eine breite Palette von Frequenzumrichter-Produkten und Lösungsportfolien wie Motorsteuerung, Motorstarter, Elektromotoren, Motorschutzzubehör, Motorantriebe anbieten.