Umrichter-Serie Power XL: vom Drehzahlstarter DE1 über den kompakten DC1, den Universalumrichter

Umrichter-Serie Power XL: vom Drehzahlstarter DE1 über den kompakten DC1, den Universalumrichter DG1 und den DA1 für anspruchsvolle Anwendungen bis hin zum leistungsstarken SPX 9000. Bild: Eaton

Seit Januar 2015 müssen Motoren von 7,5 bis 375 kW der Wirkungsgradklasse IE3 entsprechen – oder IE2-Motoren mit Drehzahlregelung verwendet werden. Frequenzumrichter sind also im Kommen. Um dem Kunden hier eine hohe Flexibilität zu bieten, hat Eaton mit dem DG1 nicht nur ein neues Umrichtermodell auf den Markt gebracht, sondern mit dem DE1 gleich noch eine neue Geräteklasse geschaffen: den Drehzahlstarter. Grund genug für ke NEXT, hier einmal genauer nachzuhaken.

DG1-Universalumrichter

Die neuen DG1-Universalumrichter bieten einen neuen Energieeffizienzalgorithmus und hohe Kurzschlussfestigkeit. Bild: Eaton

Sparen ist Pflicht. Die Europäische Union hat sich das umweltpolitische Ziel gesetzt, den Energieverbrauch bis zum Jahr 2020 deutlich zu senken. Was in heimischen Wohnzimmern zum Aussterben der Glübirne führt, macht auch vor der Industrie nicht halt. Hauptverbraucher dort ist – das hat die EU gut erkannt – die Antriebstechnik. Entsprechend gibt es eine europäische ErP-Richtlinie (Energy-related Products), die sich als Energiebetriebene-Produkte-Gesetz (EBPG), umgangssprachlich Ökodesign-Richtlinie, in deutschen Gesetzesbüchern festgesetzt hat. In der zugehörigen Norm IEC 60034-30 sind die Energieeffizienzklassen für Asynchronmotoren, von IE1 (böse) bis IE3 (toll) niedergeschrieben. Die EU-Verordnungen 640/2009 und 04/2014 wiederum legen die Bedingungen für den Umstieg auf die neue energieeffiziente Technik fest. Seit 2011 gilt IE2 als Mindestwirkungsgrad, seit Januar dieses Jahres dürfen Motoren im Leistungsbereich von 7,5 bis 375 kW nur noch mit Energieeffizienzklasse IE3 für den Netzbetrieb im europäischen Wirtschaftsraum in Verkehr gebracht werden. Alternativ können IE2-Motoren verwendet werden, wenn sie mit einer Drehzahlregelung versehen sind. Hinzu kommt: Immer häufiger werden nicht nur einzelne Komponenten wie der Motor, sondern ganze Verfahren und Systeme betrachtet, um geforderte Mindestwirkungsgrade zu erreichen. Ein Beispiel hierfür ist die Pumpen- und Lüfterverordnung. Hier gilt es zu entscheiden, welche Kombination aus Motoren und Peripherie die größte Einsparung bringt.

Eaton-Motorstarter

Die Eaton-Motorstarter wurden für den IE3-Betrieb geprüft und handhaben sicher und zuverlässig die erhöhten Anlaufströme von IE3-Motoren. Bild: Eaton

Wer regelt, spart am meisten

Was ist am Ende günstiger, der geregelte IE2- oder der IE3-Motor? Die Antwort kennt Andreas Miessen, bei Eaton Produktmanager für den Bereich Drives: „Wer eine konstante Drehzahl in seinem Prozess benötigt, für den ist ein IE3-Motor die effektivste und kostengünstigere Lösung. Zusammen mit einem passenden Schütz oder Motorstarter kann der Motor bei passender Auslegung auf Vollast laufen, und das System schleppt dann nicht die zwei bis sechs Prozent Verlust mit sich herum, die ein Frequenzumrichter so mit sich bringt.“

Allerdings: Der Anwender muss darauf achten, dass die Schalt- und Schützgeräte sich für IE3-Motoren eignen. Denn die Anlaufströme von IE3-Motoren sind erkennbar höher als die von leistungsgleichen IE2-Varianten. Eaton hat seine Motorstarter daher speziell geprüft und als „ready for IE3“ eingestuft. „Ein schnellerer Verschleiß und höherer Wartungsaufwand ist mit unseren Geräten ebensowenig zu befürchten wie ungewollte Überlastauslösungen der Schutzschalter“, so Miessen.

Drehzahlstarter DE1

Der neue Drehzahlstarter DE1 verbindet die Möglichkeit der Drehzahlregelung mit der einfachen Bedienung eines Motorstarters und lässt sich im Bedarfsfall über ein Steckmodul sogar nur mit Schraubendreher bedienen. Bild: Eaton

Umrichter für alle Einsatzbereiche

Bringt die Anwendung wechselnde Lasten mit sich, können Frequenzumrichter ihre Stärken ausspielen. In vielen Fällen gilt die quadratische U/f-Kennlinie, eine halbierte Drehzahl erfordert dann nur mehr ein Viertel der Leistung. „Gerade in Lüfter- und Pumpenanwendungen, in denen der Volumenstrom per Drosselklappe und Ventil reguliert und Energie als Wärme vernichtet wird, ist das Einsparungspotenzial der Lösung mit Drehzahlregelung enorm“, erklärt Andreas Miessen die Vorteile der Umrichtertechnik.

Eaton ist aus der Moeller-Historie heraus seit vielen Jahren bekannt für seine Schütze und Motorstarter. Parallel dazu hat der Hersteller in den vergangenen Jahren aber auch eine komplette Reihe an Frequenzumrichtern aufgebaut. Mit dem neuen DE1 hat Eaton nach eigenen Angaben sogar eine ganz neue Geräteklasse geschaffen, die die Lücke zwischen Motorstarter und Frequenzumrichter schließen soll.

Universalumrichter für Industrieanwendungen

Die Frequenzumrichter von Eaton sind in der PowerXL-Produktfamilie zusammengefasst, die vor rund zwei Jahren ins Leben gerufen wurde. Mit den Modellen DC1 und DA1 ist Eaton bereits am Markt präsent. Diese Umrichter sind speziell auf die Erfordernisse im Maschinenbau hin optimiert, von der Werkzeugmaschine bis zum Verpackungsautomaten. Sie werden nun ergänzt durch das leistungsfähige Universalgerät DG1, das speziell für großindustrielle und gebäudetechnische Anwendungen, derzeit bis 160 kW, konzipiert ist. Im Gegensatz zu den DC1 und DA1 soll hier der Leistungsbereich künftig auch nach oben erweitert werden. „Bis ein Megawatt Leistung haben wir derzeit in der Planung“, so Miessen. Da man in diesem Umfeld oft nicht auf eine leistungsfähige CNC-Steuerung oder SPS zurückgreifen kann, verfügt der DG1 über eine größere Zahl an PID-Reglern. Er kann somit einen großen Teil der Regelungsfunktionalität selber abbilden. Auch was die Kommunikation angeht, ist er kontaktfreudiger: Ethernet/IP, Modbus TCP, Modbus RTU, BACnet MS/TP, alles da. Auf E/A-Seite finden sich acht digitale Eingänge, ein digitaler Ausgang, je zwei analoge Ein- und Ausgänge und drei Relais, zwei Lüftersteuerungsrelais und ein Brandmelderelais.

DG1

Der DG1 bietet onboard Ethernet/IP, Modbus TCP, Modbus RTU und BACnet MS/TP. Auf E/A-Seite finden sich acht digitale Eingänge, ein digitaler Ausgang, je zwei analoge Ein- und Ausgänge sowie drei Relais, zwei Lüftersteuerungsrelais und ein Brandmelderelais. Bild: Eaton

Egal ob Heizung, Klima, Lüftung, Pumpe, Mischer oder Mining, der DG1 ist vielfältig einsetzbar. Da dieser Typ Umrichter nicht unbedingt in einem Schaltschrank mit zentralen Netzdrosseln und EMV-Filter untergebracht ist, hat der DG1 eine Zwischenkreisdrossel bereits integriert. Hinzu kommt ein neuer, optimierter Energieeffizienz-Algorithmus. Zusätzlich zur quadratischen U/f-Kennlinie erkennt das Gerät über die interne Sensorik, wie stabil der Motor läuft, sodass die Spannung zusätzlich gesenkt werden kann. Das ermöglicht je nach Frequenz weitere zwei bis zehn Prozent Einsparung. Ein abnehmbares Bedienfeld, die Eaton-typische einfache Bedienung (siehe Interview) und Standard-Funktionsbausteine wie Multipumpensystem, Lüftersteuerung oder Multi PID runden das Paket ab. Dass der DG1 alle relevanten globalen Zertifizierungen bietet, sollte bei einem Konzern wie Eaton eigentlich klar sein.

Umrichter-Serie Power XL

Umrichter-Serie Power XL: vom Drehzahlstarter DE1 über den kompakten DC1, den Universalumrichter DG1 und den DA1 für anspruchsvolle Anwendungen bis hin zum leistungsstarken SPX 9000. Bild: Eaton

Eine neue Klasse: Der Drehzahlstarter

Nun ist derlei Alleskönnertum gar nicht überall gefordert. Es gibt  viele einfache Anwendungen, für die ein Frequenzumrichter hinsichtlich Komplexität und Funktionalität überdimensioniert ist. Klassische Schütze und Motorschutzschalter wären da oft ausreichend, wenn sie denn eine Drehzahlregelung böten. In diese Lücke stößt Eaton nun mit einem neuen Gerät. „Für uns“, so Andreas Miessen, „ist es tatsächlich eine neue Geräteklasse.“ Es handelt sich um den Drehzahlstarter DE1. Auch er gehört zur PowerXL-Familie, was klar macht, dass unter der Haube ein Frequenzumrichter werkelt. Der Clou ist die Bedienung: Der DE1 wurde intern so konfiguriert, dass er wie ein Motorstarter wirkt. Die Anschlusstechnik ist wie bei einem Schütz, oben die Netzspannung rein, unten der Motorabgang raus. Es gibt kein Display und etliche Automatismen, die das Verhalten bei Überlast oder hoher Temperatur regeln. Trip-Free nennt Eaton das. Der Drehzahlstarter greift selber in den Prozess ein, passt Schaltfrequenzen an, verlängert Rampen, ohne dass es eine Fehlermeldung gibt. Der DE1 lässt sich wie ein Motorstarter einsetzen. Zudem können Festfrequenzen eingestellt werden, oder ein Schaltsignal über digitale Eingänge aufgenommen werden. So können die Signale, die bei einem Lüfter bisher die Drosselklappe steuern, direkt die Lüfterdrehzahl ansteuern.

Der DE1 lässt sich auch dort einsetzen, wo ein Direktstart über Stern-Dreieck oder Softstarter nicht möglich ist, da die Applikation kein reduziertes Startmoment zulässt und ein direktes Einschalten zu einem unerwünscht hohen Anlaufstrom führt. Und wer weiß, vielleicht entpuppt er sich für den einen oder anderen ja als Einstiegsdroge für den Einsatz der großen Frequenzumrichter. Ist ja alles nicht so kompliziert…

Mehr Info? Hier: Hannover Messe, Halle 11, Stand C63/69.

Von Wolfgang Kräußlich
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Wolfgang KräußlichWolfgang Kräußlich
Leitender Chefredakteur
Konstruktionsmedien

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„Das Out-of-the-box-Prinzip“

Frequenzumrichter sind komplexe Geräte, ihre Konfiguration bedarf eines Spezialisten. So zumindest die gängige Meinung. Mit der seit zwei Jahren verfügbaren PowerXL-Familie wollte Eaton das ändern und hat das Bedienkonzept vereinfacht.

Andreas Miessen und Rainer Günzel

Im Gespräch mit Andreas Miessen und Rainer Günzel, Eaton – Bild: ke NEXT / wk

Einfache Bedienung, muss das sein? Wir haben doch in Deutschland gut ausgebildetes Fachpersonal…
Andreas Miessen: Zum einen gibt es Länder, in denen das Personal nicht so gut ausgebildet ist. Zum anderen: Das muss auch für Deutschland sein. Es macht keinen Sinn, dass ich drei Drähte anschließe und dann 100 Seiten Betriebsanleitung lesen muss, um zu wissen, was ich eigentlich machen soll. Da hat keiner mehr die Zeit dafür. Außerdem: Wir wollen doch, dass vermehrt Drehzahlregelung eingesetzt wird. Auch in Bereichen und Branchen, in denen das bisher nicht üblich war. Da wirkt komplizierte Bedienung nur abschreckend.
Rainer Günzel: Das ist auch ein Grund, warum wir das Verdrahtungssystem SmartWire DT eingeführt haben. Der Anwender muss nicht überlegen, wo welcher Draht dran muss. Es kommt ein grünes Kabel auf den Stecker und dann läuft die Anlage. Danach kann ich alles einstellen, was ich will.

Andreas Miessen

Andreas Miessen hat nach dem Elektrotechnik-Studium
an der Entwicklung dezentraler Motorstarter gearbeitet. Seit sechs Jahren ist er bei Eaton und dort als Product Manager für den Bereich Drives verantwortlich. Bild: ke NEXT / wk

Und dieses Einstellen haben Sie in den neuen Umrichtern vereinfacht?
Rainer Günzel: Ja. Wir nennen das das Out-of-the-Box-Prinzip. Der Kunde nimmt den Frequenzumrichter aus der Verpackung, so wie er ihn bekommt, schließt ihn an und er läuft. So funktioniert das auf jeden Fall bei den neuen DG1 in den meisten Applikationen. Bei den etwas komplexeren Geräten ist es trotz allem immer noch sehr einfach. Wir haben nur 14 Basisparameter, die kann man über ein Display einstellen, und schon läuft der Motor. Und das Schöne ist: Es ist eine Umrichter-Familie. Ich habe die selbe  Software für jede Reihe, ich habe die gleichen Parameternamen für jede Reihe. Der Kunde, der bereits PowerXL-Geräte eingesetzt hat und jetzt auf eine neue Reihe umstellt, hat den gleichen Bedienkomfort.

Rainer Günzel

Rainer Günzel, ebenfalls Elektrotechniker, ist seit über 26 Jahren bei Eaton, damals noch Klöckner-Moeller. Er verantwortet als Product Manager den neuen DG1-Universalumrichter. Bild: ke NEXT / wk

Und das Einrichten des DG1 geht wirklich so einfach?
Rainer Günzel: Der Umrichter kommt mit einem Startup-Wizard und fragt Basisdaten ab: Wie ist die Spannung, welchen Strom hat der Motor? Grundsätzliche Fragen, die auch der Elektriker beantworten kann. Und danach läuft das Gerät.
Andreas Miessen: Intern sind die Umrichter natürlich komplex. Bei den kleinen Geräten haben wir 30, 40 Parameter in Summe, bis hin zu den großen Geräten, wo wir weit über 800 Parameter haben, die natürlich kein Mensch auswendig können kann. Wir haben einen Weg gefunden, das wirklich einfach zu machen und auf diese 14 Parameter zu beschränken, um die Anlage ans Laufen zu bekommen. Klar, für die Spezialisten gibt es immer die Möglichkeit alles einzustellen und auch die kniffeligsten Aufgaben damit zu lösen, dafür sind diese Geräte ja auch da. Aber für das Gros der Anwender gilt: Ich will es auspacken, anschließen, und dann soll das laufen.

Was hat es mit dem Drehzahlstarter DE1 auf sich?
Andreas Miessen: Vor allem Neulinge tun sich schwer, einen Frequenzumrichter zu bestellen und in Betrieb zu nehmen. Wer das Schütz gewohnt ist, kann sich über den DE1 an die Umrichterwelt herantasten. Auch preislich liegen wir mit dem Drehzahlstarter unter dem Frequenzumrichter.