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Ein Großteil der industriellen Antriebsaufgaben werden heute mit Asynchronmotoren umgesetzt, welche direkt oder über einen Stern-Dreieck-Schalter mit dem elektrischen Netz verbunden sind. Die Energiezufuhr zu den Maschinen lässt sich nur über einen Ein-Aus-Schalter steuern. Für eine reduzierte Leistungsabgabe integriert man energievernichtende By-Pass Einrichtungen oder Drosseln.
Die öffentlichen Netze liefern die elektrische Energie in Form von Wechselspannung (einphasig) oder Drehspannung (dreiphasig) mit fester Frequenz, in Europa üblicherweise 50 Hz. Zur Drehzahlregelung eines Asynchronmotors müssen Frequenz und Spannungshöhe verändert werden. Dies erfolgt im Frequenzumrichter mittels einer geregelten elektrischen Energieumsetzung. Die Ansteuerung dieses Umrichters erfolgt über einen Mikrorechner und dessen Software.
Vorteile nutzen
Nutzt der Konstrukteur die Vorteile eines Frequenzumrichters können Maschinen energieeffizienter konstruiert und betrieben werden. Obwohl Umrichter durch ihre eigenen Wärmeverluste den Wirkungsgrad für die Umwandlung von elektrischer in mechanischer Energie verkleinern, ist der durchschnittliche Wirkungsgrad über den ganzen Betriebsbereich besser. Der zusätzliche Energieaufwand für den Wärmeverlust in den Leistungshalbleitern wird in der Regel auf der mechanischen Seite mit Energieeinsparungen um ein mehrfaches kompensiert.
Vorteil bei der Installation
Frequenzumrichter werden für alle Leistungen von wenigen Watt bis zu etlichen 1.000 kW angeboten. Sie sind in ihren Eigenschaften (Antriebsverhalten, Verlustleistung, Baugröße, Kosten) durch die Fortschritte der Mikroelektronik und der Leistungselektronik in den letzten Jahrzehnen kontinuierlich verbessert worden. Der Wirkungsgrad von Frequenzumrichtern heutiger Bauart liegt typischerweise über 96 % und wird durch die Wirkungsgrade der Leistungselektronikbauteile bestimmt. Frequenzumrichter werden nicht nur für den Einsatz im Schaltschrank, sondern auch für die mechaniknahe dezentrale Montage oder die Montage auf dem Motor angeboten. Hierdurch entstehen dezentrale Antriebe und Kompaktantriebe, die deutliche Vorteile bei der Installation und Inbetriebnahme als auch bei der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) der Antriebssysteme bieten.
Somit genügt das Antriebsverhalten eines geregelten Drehstrommotors heute hohen Ansprüchen. Auch kann die Software zunehmend antriebsnahe Funktionen zur Prozesssteuerung und Automatisierung übernehmen. Die Integration in Automatisierungskonzepte erfolgt in vielen Fällen über Kommunikationssysteme. Auch die Integration von Sicherheitsfunktionen direkt in die Umrichter ist heute problemlos möglich und bietet viele Vorteile. Zu den Sicherheitsfunktionen gehört auch der STO (Safe Torque Off) nach EN 61800-5-2. In Notfällen hat die Aufrechterhaltung der Antriebsfunktion Priorität vor einem Eigenschutz des Motors oder des Umrichters. Bei einem kritischen Zustand reduziert das Gerät seine Taktfrequenz und passt das Modulationsverfahren an. Dies erhöht die Zuverlässigkeit und verhindert sein Abschalten. Ein Netztrennschalter trennt den Umrichter allpolig von der Stromversorgung. Außerdem lässt er sich gegen unbefugtes Einschalten sichern.
Für die wachsende Anzahl von Antriebsanwendern, die bei Automatisierungsaufgaben auf Ethernet-basierte Feldbusanbindungen setzen, sind Lösungen vorhanden. Üblicherweise haben die Hersteller von FU Feldbussanschlüsse wie CANopen, Profibus, Devicenet, CC-Link, Ethercat oder Mechatrolink-II implementiert. Dieses offene Kommunikationssystem erfüllt die hohen Anforderungen nach Echtzeitfähigkeit. Vorteile für Frequenzumrichter sind dabei unter anderem der hohe Datendurchsatz und vor allem die Interoperabilität sowie die Deterministik. Fakt ist: Viele Hersteller bieten Frequenzumrichter-Familien, die sich oft nur in Nuancen unterscheiden. Ein Überblick über den Markt liefert Ihnen diese Marktübersicht.
Harald Wollstadt
(hw)
