TuE_2013_03 - technik + EINKAUF
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EINKAUFSFÜHRER lemlos an viele Bussysteme anschließen und einfach mit anderen Automatisierungskomponenten wie Direkt- und Softstartern oder Motorschutzschaltern kombinieren lässt. Gleichzeitig gilt es, den Verkabelungs- und Installationsaufwand so gering wie möglich zu halten. ■ Sicherheit: Bei hochwertigen Modellen erhöhen integrierte Sicherheitsfunktionen wie Überlastschutz, Kurzschlussfestigkeit und Temperaturschutz die Anlagenverfügbarkeit, senken den Wartungsaufwand und minimieren die Anzahl der benötigten Hardware- Komponenten. ■ Steuerung: Durch Parametrierung können Umrichter dem jeweils anzutreibenden Motor angepasst werden, um diesen optimal zu betreiben und zu schützen. Das geschieht heute meistens über eine Tastatur plus Display am Umrichter oder über einen PC. Wichtig ist, dass das Gerät alle für die Zielanwendung benötigten Steuerungsfunktionen und Bedienelemente bietet. ■ Dezentraler Einsatz: Frequenzumrichter werden zunehmend auch als kombinierter Frequenzumrichter-Motor oder in einer intelligenten Einheit mit Sicherungen und Reparaturschaltern usw. verbaut. Dazu benötigt man Frequenzumrichter, die dezentrale Regelvorgänge unterstützen können. Einige Modelle messen selbst die Antriebseigenschaften – häufig als „Auto-Tune“ bezeichnet – und stellen ihre Regelparameter im Rahmen der Inbetriebnahme selbständig ein. Zuweilen können sie auch programmierte Verfahrbewegungen selbständig ansteuern. ■ Bedienerfreundlichkeit: Wichtig sind hier eine komfortable Parametrierung, eine gute Software und leistungsfähige Bedienelemente Einkaufsführer in Zusammenarbeit mit: Eaton Eatons Geschäftsbereich Elektrotechnik bietet Produkte und Engineering-Dienstleistungen zur Energieverteilung, sicheren und unterbrechungsfreien Stromversorgung, Maschinen- und Gebäudeautomatisierung, Anlagen- und Motorschutz, Beleuchtungs-, Sicherheits- und Kabelmanagement. Eaton ist ein diversifiziertes Unternehmen im Bereich des Energiemanagement, das seinen Kunden energieeffiziente Lösungen bereitstellt. Als weltweiter Technologieführer übernahm Eaton im Jahr 2012 Cooper Industries plc. Beide Unternehmen zusammen erwirtschafteten im Jahr 2012 einen Pro-forma-Umsatz von insgesamt 21,8 Mrd US-Dollar. Eaton beschäftigt ca. 103 000 Mitarbeiter und verkauft Produkte an Kunden in mehr als 175 Ländern. Weitere Infos unter: www.eaton.eu am Gerät. Eine zusätzliche Programmierbarkeit über einen PC erhöht die Bedienerfreundlichkeit. In diesem Fall können Anwender fertige Parametersätze auf Chip- bzw. Flashkarten speichern und dann problemlos von einem Gerät zum anderen übertragen. So lassen sich gerade in der Serienproduktion Einsparungen erzielen und Fehler vermeiden. ■ Autoren Guido Kerzmann, Product Line Manager Drives & Softstarter, Eaton Industries GmbH, Kathrin Irmer Checkliste für den Einkauf von Frequenzumrichtern An welcher Netzspannung soll der Frequenzumrichter angeschlossen werden (IEC 60364, Netzform, Spannungshöhe, Frequenz, zulässige Toleranz- und THD- Werte)? Welche Produkt-Standards bzw. Approbationen soll der Frequenzumrichter erfüllen (CE, UL 508C, IEC/EN61800- 5, CSA-C22.2c-Tick, Ukr Sepro, GL)? Sind besondere Schutz-Forderungen bekannt (Fehlerstromschutzschalter RCD Typ B, UL-spezifische Forderungen: Sicherungen Typ E, Typ F)? In welcher EMV-Umgebung (IEC61800-3) erfolgen Anschluss und Betrieb des Frequenzumrichters (Frequenzumrichter mit internem oder externem EMV-Filter)? Welche Leitungslängen zum Motor sind gefordert und welche Ableitströme zur Erde (PE) sind hierbei zulässig? Wie sind die klimatischen Umgebungsbedingungen (Schutzartklasse, Umgebungstemperatur, Aufbauhöhe, Luftfeuchtigkeit, Vibrationen)? Sind die Bemessungsdaten des Motors bekannt (Spannung, Strom, Leistung)? Welche Ausprägung hat der Motor (Effizienzklasse, PM- Motor, Eigen-/Fremdkühlung)? In welchem Anwendungsbereich (Maschine, Gebäude) und in welcher Applikation soll der frequenzgeregelte Antrieb eingesetzt werden? Gibt es Anforderungen an die Steuerung bzw. Regelung der Antriebseinheit (U/f-Kennliniensteuerung, Schlupfkompensation, erhöhtes Startmoment, Vektorregelung, Drehzahlregelung)? Wird der Motor im EX-Bereich betrieben (Motordrossel, Sinusfilter, Thermistorschutz, APEX)? Gibt es Anforderungen zur Steuerung und Bedienung des Frequenzumrichters (Art und Anzahl der digitale und analoge Ein-/Ausgänge, Steuerspannung, Relais, externe Bedieneinheit)? Kommunikative Kompatibilität: Wird eine Kommunikation oder Feldbusanschaltung gefordert? Anwenderfreundlichkeit: Wie leicht lässt sich das Gerät bedienen? Sicherheit: Gegen welche Störfaktoren ist der Frequenzumrichter geschützt (z. B. Übertemperatur/Kurzschluss/ Überspannung)? Service: Wie ist sieht es mit Lieferzeiten und technischem Support des Anbieters aus? weitere Checklisten zum Download aufwww.technikundeinkauf.de 18 03 / 2013
EINKAUFSFÜHRER FREQUENZUMRICHTER TECHNIK-WIKI www.technikundeinkauf.de Tel: +49 8191 125 100 Bild: Fraunhofer-IISB Grundlegendes Frequenzumrichter regeln über Frequenz und Amplitude des Antriebsstroms stufenlos die Drehzahl und das Drehmoment von Drehstrommotoren. Ein Frequenz umrichter besteht aus einem Gleichrichter, einem Zwischenkreis, einem Wechselrichter und einem Regler. Der Gleichrichter besteht aus Dioden, Thyristoren oder einer Kombination aus beiden. Für den Zwischenkreis gibt es drei Prinzipien. Beim spannungsgeführten Umrichter kann der Zwischenkreis aus einem Filter bestehen mit Kondensator und Spule. Er sorgt für eine konstante Spannung. Der Wechselrichter ist aus unipolaren (MOS), bipolaren (LTR) oder Insolated Gate Bipolar Transistor Integrierte Umrichter für Hybridantriebe (IGBT) Transistoren aufgebaut und sorgt für die benötigte Frequenz der Ausgangsspannung und leitet oder sperrt die Signale. Damit kann der Frequenzumrichter aus einer Wechselspannung einen in Frequenz und Amplitude veränderbaren Wechselstrom zum Betreiben von Maschinen und elektrischen Motoren liefern. Versehen mit Sensoreingängen können Frequenzumrichter auch Zustandsparameter elektrischer Anlagen erfassen. Funktionsprinzip Mit Frequenzumrichtern können Elektromotoren stufenlos Drehzahlen von fast null bis zur Eckdrehzahl erreichen, ohne dass das Drehmoment sinkt. Wird der Motor oberhalb der Eckdrehfrequenz betrieben, dann sinkt das abgegebene Moment, denn die Betriebsspannung kann nicht weiter der erhöhten Frequenz angepasst werden. Damit verbessert beziehungsweise erweitert er das Anlauf- und Drehzahlverhalten der Motoren. Bei Servoantrieben, wie sie in Produktionsystemen und Automatisierungslösungen arbeiten, muss das Nennmoment auch beim Anhalten sicher und ohne zeitliche Begrenzung gehalten werden, um einen sicheren Stopp zu garantieren. Schnittstellen Frequenzumrichter besitzen analoge und/oder digitale Ein- und Ausgänge, können aber auch über Feldbusse angesteuert werden. Parametrierung Über eine Parametrierung passt man sie an den zugehörigen Motor an. Die Parameter werden meist über eine Tastatur oder einen Touchscreen eingegeben. Komplexere Umrichter bekommen fertige Datensätze mittels Chip-oder Flashkarten über die Schnittstelle eingelesen. Es gibt auch Umrichter, die die Antriebseigenschaften des jeweiligen Motors eigenständig messen und ihre Regelparameter selbst einstellen. Kostengünstige Umrichter wandeln die beim Bremsen von Elektromotoren entstehende elektrische Energie in Wärme um. Es gibt aber auch rückspeisefähige Frequenzumrichter, die Energie aus dem Zwischenkreis wieder ins Netz zurückführen. Regelung Bei der einfachsten Regelung regelt der Umrichter Motorspannung und Frequenz in einem konstanten Verhältnis, was ein über weite Bereiche konstantes Drehmoment liefert. Low-cost Umrichter für Waschmaschinen Bei der feldorientierten Regelung nutzt der Umrichter ein Modell des zugehörigen Motors mit seinen Kennwerten oder die Möglichkeit, diese Kennwerte über einen digitalen Signalprozessor oder Mikrocontroller aus dem Motorstrom zu gewinnen und zu adaptieren. Typen Es gibt eine dreistellige Zahl von Umrichterherstellern und entsprechend viele Varianten. Ihre Leistung reicht von 50 W für einen Kühlschrank bis zu mehreren 10 MW für Walzwerksantriebe. Sie werden betrieben mit einphasigem Strom oder 3-phasigem Drehstrom. Es gibt sie als Standalone-Lösung für die Schaltschrankmontage oder angebaut oder integriert in den jeweiligen Motor. Die Größe variiert von einer Zigarettenschachtel bis zur Dimension mehrerer Schaltschränke. Es gibt luft- und wassergekühlte Systeme, wobei luftgekühlte dominieren, es gibt low cost Umrichter für Lüfter und hochpräzise Servoumrichter etwa für Druckoder Werkzeugmaschinen. Eine schlüssige Aufteilung nach Haupttypen ist nicht möglich. Zukunft Die Technik ist sehr ausgereift, aber es gibt Entwicklungstrends: ■ Kosten senken ■ Den Umrichter zum Motor bringen und sich den Kabelsalat und die teuren Sinusfilter in Schaltschränken sparen. ■ Übergang von der Luft- zur Wasserkühlung. Warum heute die Luftkühlung dominiert, ist nicht rational begründbar, denn Lüfter machen Krach, sind anfällig und die heiße Abluft braucht nochmals Klimatechnik. Wasserkühlung ist nicht nur energetisch effizienter, die Antriebe werden auch erheblich leiser und kompakter. ■ Die größere Betriebstemperatur in Motornähe benötigt eine andere Aufbau- und Verbindungstechnik der Leistungshalbleiter. Hier hofft man auf Fortschritte bei der Entwicklung der Hybridautos und die Möglichkeit, davon zu profitieren. Stufenlos regelnde Frequenzumrichter ■ Übergang von klassischer Silizium-Elektronik zur Siliziumkarbid- Elektronik. Hier fehlt leider noch die nötige Aufbau- und Verbindungstechnik, denn heutige Lötund Bondverbindungen vertragen nur Temperaturen bis 175 °C, aber SiC könnte theoretisch im Bereich 300 – 500 °C betrieben werden. Hier kann man noch nicht zuverlässig kontaktieren da die auftretenden thermomechanischen Spannungen die Verbindungen mürbe machen. Ein Lösungsansatz wäre, statt Löten und Bonden das Problem mit Silber-Sintern in den Griff zu bekommen. 03/2013 19
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<strong>EINKAUF</strong>SFÜHRER<br />
lemlos an viele Bussysteme anschließen und einfach mit anderen<br />
Automatisierungskomponenten wie Direkt- und Softstartern oder<br />
Motorschutzschaltern kombinieren lässt. Gleichzeitig gilt es, den<br />
Verkabelungs- und Installationsaufwand so gering wie möglich zu<br />
halten.<br />
■ Sicherheit: Bei hochwertigen Modellen erhöhen integrierte Sicherheitsfunktionen<br />
wie Überlastschutz, Kurzschlussfestigkeit und<br />
Temperaturschutz die Anlagenverfügbarkeit, senken den Wartungsaufwand<br />
und minimieren die Anzahl der benötigten Hardware-<br />
Komponenten.<br />
■ Steuerung: Durch Parametrierung können Umrichter dem jeweils<br />
anzutreibenden Motor angepasst werden, um diesen optimal<br />
zu betreiben und zu schützen. Das geschieht heute meistens über<br />
eine Tastatur plus Display am Umrichter oder über einen PC. Wichtig<br />
ist, dass das Gerät alle für die Zielanwendung benötigten Steuerungsfunktionen<br />
und Bedienelemente bietet.<br />
■ Dezentraler Einsatz: Frequenzumrichter werden zunehmend<br />
auch als kombinierter Frequenzumrichter-Motor oder in einer intelligenten<br />
Einheit mit Sicherungen und Reparaturschaltern usw. verbaut.<br />
Dazu benötigt man Frequenzumrichter, die dezentrale Regelvorgänge<br />
unterstützen können. Einige Modelle messen selbst die<br />
Antriebseigenschaften – häufig als „Auto-Tune“ bezeichnet – und<br />
stellen ihre Regelparameter im Rahmen der Inbetriebnahme selbständig<br />
ein. Zuweilen können sie auch programmierte Verfahrbewegungen<br />
selbständig ansteuern.<br />
■ Bedienerfreundlichkeit: Wichtig sind hier eine komfortable Parametrierung,<br />
eine gute Software und leistungsfähige Bedienelemente<br />
Einkaufsführer in Zusammenarbeit mit:<br />
Eaton<br />
Eatons Geschäftsbereich Elektro<strong>technik</strong> bietet Produkte und<br />
Engineering-Dienstleistungen zur Energieverteilung, sicheren und<br />
unterbrechungsfreien Stromversorgung, Maschinen- und<br />
Gebäudeautomatisierung, Anlagen- und Motorschutz, Beleuchtungs-,<br />
Sicherheits- und Kabelmanagement. Eaton ist ein<br />
diversifiziertes Unternehmen im Bereich des Energiemanagement,<br />
das seinen Kunden energieeffiziente Lösungen bereitstellt. Als<br />
weltweiter Technologieführer übernahm Eaton im Jahr 2012<br />
Cooper Industries plc. Beide Unternehmen zusammen erwirtschafteten<br />
im Jahr 2012 einen Pro-forma-Umsatz von insgesamt<br />
21,8 Mrd US-Dollar. Eaton beschäftigt ca. 1<strong>03</strong> 000 Mitarbeiter und<br />
verkauft Produkte an Kunden in mehr als 175 Ländern.<br />
Weitere Infos unter: www.eaton.eu<br />
am Gerät. Eine zusätzliche Programmierbarkeit über einen PC erhöht<br />
die Bedienerfreundlichkeit. In diesem Fall können Anwender<br />
fertige Parametersätze auf Chip- bzw. Flashkarten speichern und<br />
dann problemlos von einem Gerät zum anderen übertragen. So lassen<br />
sich gerade in der Serienproduktion Einsparungen erzielen und<br />
Fehler vermeiden.<br />
■<br />
Autoren<br />
Guido Kerzmann, Product Line Manager Drives & Softstarter, Eaton<br />
Industries GmbH, Kathrin Irmer<br />
Checkliste<br />
für den Einkauf von Frequenzumrichtern<br />
An welcher Netzspannung soll der Frequenzumrichter<br />
angeschlossen werden (IEC 6<strong>03</strong>64, Netzform, Spannungshöhe,<br />
Frequenz, zulässige Toleranz- und THD-<br />
Werte)?<br />
Welche Produkt-Standards bzw. Approbationen soll der<br />
Frequenzumrichter erfüllen (CE, UL 508C, IEC/EN61800-<br />
5, CSA-C22.2c-Tick, Ukr Sepro, GL)?<br />
Sind besondere Schutz-Forderungen bekannt (Fehlerstromschutzschalter<br />
RCD Typ B, UL-spezifische Forderungen:<br />
Sicherungen Typ E, Typ F)?<br />
In welcher EMV-Umgebung (IEC61800-3) erfolgen Anschluss<br />
und Betrieb des Frequenzumrichters (Frequenzumrichter<br />
mit internem oder externem EMV-Filter)?<br />
Welche Leitungslängen zum Motor sind gefordert und<br />
welche Ableitströme zur Erde (PE) sind hierbei zulässig?<br />
Wie sind die klimatischen Umgebungsbedingungen<br />
(Schutzartklasse, Umgebungstemperatur, Aufbauhöhe,<br />
Luftfeuchtigkeit, Vibrationen)?<br />
Sind die Bemessungsdaten des Motors bekannt (Spannung,<br />
Strom, Leistung)?<br />
Welche Ausprägung hat der Motor (Effizienzklasse, PM-<br />
Motor, Eigen-/Fremdkühlung)?<br />
In welchem Anwendungsbereich (Maschine, Gebäude)<br />
und in welcher Applikation soll der frequenzgeregelte<br />
Antrieb eingesetzt werden?<br />
Gibt es Anforderungen an die Steuerung bzw. Regelung<br />
der Antriebseinheit (U/f-Kennliniensteuerung,<br />
Schlupfkompensation, erhöhtes Startmoment, Vektorregelung,<br />
Drehzahlregelung)?<br />
Wird der Motor im EX-Bereich betrieben (Motordrossel,<br />
Sinusfilter, Thermistorschutz, APEX)?<br />
Gibt es Anforderungen zur Steuerung und Bedienung<br />
des Frequenzumrichters (Art und Anzahl der digitale<br />
und analoge Ein-/Ausgänge, Steuerspannung, Relais,<br />
externe Bedieneinheit)?<br />
Kommunikative Kompatibilität: Wird eine Kommunikation<br />
oder Feldbusanschaltung gefordert?<br />
Anwenderfreundlichkeit: Wie leicht lässt sich das Gerät<br />
bedienen?<br />
Sicherheit: Gegen welche Störfaktoren ist der Frequenzumrichter<br />
geschützt (z. B. Übertemperatur/Kurzschluss/<br />
Überspannung)?<br />
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