Drehzahlsteuerung von Ventilatoren durch Frequenzumrichter
Bei der Drehzahlregelung von Ventilatorantrieben gilt es heute als selbstverständlich, dass diese effizient arbeiten und Geräuschemissionen ausgeschlossen sind. Um dieser Forderung gerecht zu werden und ein optimales System bestehend aus Motoren und Frequenzumrichtern anbieten zu können, hat die Ziehl-Abegg AG aus Künzelsau die Frequenzumrichterfamilie Fcontrol entwickelt. Diese Frequenzumrichtermit integriertem, allpolig wirksamem Sinusfilter erlauben es, Motoren sehr effektiv und frei von elektromagnetischer Geräuschentwicklung zu betreiben.
Im Besonderen ist der Parallelbetrieb mehrerer Motoren an einem Frequenzumrichter problemlos möglich. Beim Einsatz dieser Frequenzumrichter sind keine geschirmten Motorleitungen notwendig. Auch die Leitungslängen sind nicht beschränkt. Durch die Sinusförmigkeit der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms, kann der Frequenzumrichter Fcontrol auch als „elektronischer Transformator“ bezeichnet werden.
Bei Antrieben mit Frequenzumrichtern Gefahren erkennen
Durch die kontinuierliche Steigerung der Leistungsfähigkeit von Elektronikbauteilen hat das Angebot an leistungsstarken Frequenzumrichtern auf dem Markt deutlich zugenommen. Frequenzumrichter sind günstiger geworden und erfreuen sich zunehmender Beliebtheit.
Es ist wichtig zu wissen, dass Standard-Frequenzumrichter ohne allpolig wirksamen Sinusfilter, eine blockförmige, bzw. puls-weiten-modulierte (PWM) Ausgangsspannung haben. So wie in der europäischen Norm für drehende elektrische Maschinen, DIN IEC/TS 60034-17 beschrieben, besteht für Motorenlager und die Wicklung durch diese Art der Speisung auch entsprechendes Gefährdungspotential. Insbesondere kleine Motoren, wie sie in Ventilatoren integriert sind, sind gefährdet. Die Norm beschreibt die erhöhte Beanspruchung des Motoren-Wicklungssystems durch Spannungsspitzen und die Gefahr von Lagerströmen durch kapazitiv eingekoppelte Spannung, wodurch der vorzeitige Ausfall der Motorenlager hervorgerufen werden kann.
Bei der klassischen Art der Kombination eines Standard-Frequenzumrichters ohne Sinusfilter mit einem Antriebsmotor, unter Berücksichtigung einer kurzen Motorzuleitungslänge (geschirmt), ist der Betrieb in der Regel unproblematisch. In diesem Fall, findet normalerweise auch ein Motor Verwendung, der für diese Art der Ansteuerung konzipiert wurde und Sondermaßnahmen wie z. B. ein verstärktes Wicklungssystem beinhaltet.
Werden Motoren an diesen Frequenzumrichtern betrieben (kleine Ventilatormotoren) die nicht für den Frequenzumrichterbetrieb ertüchtigt sind oder werden Gruppen von Motoren parallel an Frequenzumrichtern ohne Sinusfilter betrieben, können Ausfälle der Motorenwicklung und Probleme mit den Motorenlagern die Folge sein.
Externe Sinusfilter zum Nachrüsten –
Integrierter Sinusfilter bei Ziehl-Abegg Fcontrol
Die meisten Hersteller von Standard-Frequenzumrichtern sehen in Ihren Geräten keinen Sinusfilter vor. Die Frequenzumrichter sind i. d. R. für Schaltschrankeinbau vorgesehen und die Hersteller gehen davon aus, dass bei Bedarf der Anwender im Schaltschrank einen externen Sinusfilter nachrüstet.
Ein externer Sinusfilter ist nicht allpolig und filtert lediglich die Spannungen zwischen den Phasen. Der allpolig wirksame Sinusfilter wie er in den Ziehl-Abegg-Frequenzumrichtern Fcontrol zum Einsatz kommt, filtert zusätzlich die Strangspannung zwischen einer Phase und dem Schutzleiter.
Der integrierte Sinusfilter sorgt für die Sinusförmigkeit der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms. Somit könnte der Frequenzumrichter Fcontrol auch als „elektronischer Transformator“ bezeichnet werden.
Aus welchem Grund gefährden Frequenzumrichter ohne Sinusfilter die Motoren
Wie eingangs beschrieben, hat die Leistungsfähigkeit von Elektronikbauteilen stark zugenommen. Insbesondere betrifft dieses die in den Frequenzumrichtern verwendeten IGBT Module (Insulated Gate Bipolar Transistor). Diese dienen als elektronische Schalter, für die Generierung der PWM Spannung aus dem Zwischenkreis des Frequenzumrichters.
Diese PWM Spannung liegt bei Frequenzumrichtern ohne Filter an den Motor-Abgangsklemmen an und trifft somit ungefiltert auf den Motor. Die steilen, rechteckigen Spannungsimpulse der PWM Spannung belasten mit Taktfrequenzen von 2...20 kHz die Motoren wie folgt:
1.) Lagerströme
Durch die große Flankensteilheit der Gleichtaktspannung des PWM und der hohen Taktfrequenzen besteht die Gefahr, dass es zu einem Überschlag in den parasitären Motorkapazitäten (Läufer – Ständer) kommt. Bei entsprechend hoher Energie dieser impulsförmigen Überschläge treten Metallpartikel aus den Kugeln und dem Laufring der Motorenlagerung aus und gehen in das Schmiermittel über. Die Lagerströme verursachen eine so genannte Funkenerosion, welche zur Beschädigung der Laufringoberfläche des Motorenlagers führt. Der frühzeitige Verschleiß des Lagers ist die Folge.
2.) Spannungsreflexionen
Die hochfrequenten Spannungsimpulse der PWM-Spannung breiten sich auf der Motorzuleitung ähnlich einer Welle aus. An den Motorklemmen werden Spannungsimpulse wie Wellen reflektiert. Es entstehen durch Addition der rücklaufenden Spannungswelle mit der hinlaufenden Welle Überspannungen. Messungen zeigen, solche Reflexionen treten hauptsächlich bei langen Motorleitungslängen auf. Werden mehrere Motoren parallel an einem Frequenzumrichter betrieben kann es zu Mehrfachreflexionen kommen. Mehrfache Überlagerung von Spannungswellen ist die Folge, somit eine noch höhere Überspannung. Durch diese Überspannung wird die Motorenwicklung sehr stark belastet.
3.) Erwärmung des Motors
Oberwellen des PWM-Signals führen in den Blechpaketen der Motoren zu Verlusten. Je nach Aufbau/Kühlung des Motors, können diese Verluste zu einer Überhitzung des Motors führen.
4.) Motorgeräusche
Durch die hohen Taktfrequenzen der IGBT Module entstehen bei Standard-Frequenzumrichtern oftmals Pfeifgeräusche, die als sehr störend empfunden werden.
Zusammenfassung der Vorteile, beim Einsatz des Frequenzumrichters Fcontrol mit integriertem, allpolig wirksamem Sinusfilter
• Die Sinusförmigkeit der Ausgangsspannung des Frequenzumrichters sorgt für eine Begrenzung der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit. Wanderwellen werden vermieden, es gibt keine Einschränkung der Kabellänge zu den Motoren. Die Motorenisolation wird nicht stärker belastet als bei Netzbetrieb.
• Reduzierung der leitungs- und feldgebundenen Störabstrahlung. Es sind keine geschirmten Motorleitungen notwendig.
• Kein Auftreten von Lagerströmen in den Motoren. Keine kapazitiven Ausgleichsströme in den Motoren. Keine Gefährdung der Motorenlager.
• Elimination von störenden Oberschwingungen, welche durch die schaltende Arbeitsweise des Frequenzumrichters entstehen. Hierdurch wird eine zusätzliche Erwärmung im Motor vermieden, Verluste im Motor werden geringer, dadurch Energieeinsparung.
• Keine elektromagnetische Anregung in den angeschlossenen Motoren, dadurch nahezu geräuschloser Motorenbetrieb möglich.
• Uneingeschränkter Parallelbetrieb von mehreren Motoren problemlos möglich
Fazit:
Es gibt sehr viele Vorteile, durch den Einsatz des Frequenzumrichters Fcontrol mit integriertem, allpolig wirksamem Sinusfilter. Am wichtigsten hierbei dürfte sein, dass ein Gefährdungspotential für Motoren durch den Betrieb am Frequenzumrichter Fcontrol ausgeschlossen ist, somit ist der zuverlässige Betrieb der damit ausgestatteten Industrieanlage sicher gewährleistet. Als weiterer großer Vorteil ist auch der äußerst energieeffiziente Betrieb der Ventilatoren am Fcontrol zu nennen.
