VLT-Frequenzumrichter

Einer für alle: Der VLT-Frequenzumrichter passt sich an alle gängigen Motortypen an.

Die Forderungen der EU-Kommission sind klar: In Europa neu in den Verkehr gebrachte Motoren mit mehr als 7,5 Kilowatt müssen die Effizienzklasse IE3 einhalten. Alternativ können Anwender in diesem Leistungsbereich auch Motoren der Klasse IE2 verwenden, sofern sie mit einem Frequenzumrichter betrieben werden. Die EU hat diese Alternative der IE2-Motor-Umrichter Kombination in Europa unter anderem deshalb eingeführt, da eine Drehzahlregelung bei vielen Anwendungen ein höheres Energieeinsparpotenzial bietet als die Steigerung der Wirkungsgrade von Klasse IE2 auf IE3. Für den Bereich von 0,75 bis 7,5 Kilowatt liegen die Mindestwirkungsgradanforderungen noch bei IE2, ab 01. Januar 2017 gilt auch bei den kleinen Leistungen IE3 oder IE2 plus Frequenzumrichter. Die höheren Energieeffizienzanforderungen können Anwender mit verschiedenen Motortechnologien erreichen. Alle derzeit auf dem Markt verfügbaren Motortechnologien mit der gleichen Effizienzklasse bieten einen vergleichbaren Wirkungsgrad im Nennpunkt. Aber sie unterscheiden sich auch in vielen Punkten, beispielsweise beim Anlaufverhalten oder im Teillastbetrieb. Zudem gibt es eine Vielzahl anderer Faktoren, wie Anschaffungskosten, Baugröße für die Nachrüstung in bestehenden Maschinen und Anlagen oder auch eine notwendige Steuerelektronik. Einige der Motortechnologien erfordern auf jeden Fall eine elektronische Regelung, damit sie überhaupt laufen.

Vor- und Nachteile verschiedener Motorarten

Bereits seit 1889 ist die Drehstromasynchronmaschine (DASM) das Arbeitspferd in der Industrie, da sie für viele Anwendungen geeignet ist. Weiter verstärkt hat den Trend zu DASM die Entwicklung von Softstartern und Frequenzumrichtern. Um hohe Wirkungsgrade zu erreichen, setzen Hersteller oft mehr oder bessere Bleche bei der Konstruktion des Ständers und Rotors ein. Dies führt in der Praxis teilweise zu einer größeren Bauform der Motoren. Natürlich sind alle Hersteller bemüht, die IEC-Anschlussmaße einzuhalten, um die Kompatibilität mit den weit verbreiteten Motoren in älteren Anlagen zu gewährleisten. Daher sind die Anschlussmaße, also Fußabstand, Wellenhöhe und Wellendurchmesser, in der Regel gleich, nur der Stator fällt teilweise größer aus. Nur in wenigen Fällen halten Hersteller die alten Anschlussmaße nicht ein.

Permanentmagnetmotor

Im Vergleich zur DASM besitzt der Permanentmagnetmotor (PM-Motor) keine Läuferwicklung, sondern Permanentmagnete, die entweder auf dem Rotor aufgebracht oder in ihm „vergraben“ sind. Beim PM-Motor handelt es sich um einen Synchronmotor, das heißt es gibt keinen Schlupf zwischen Rotor- und Statordrehfeld wie bei der DASM. Die Permanentmagnete sorgen verlustlos für die notwendige Magnetisierung des Rotors. Damit sinken die Rotorverluste und der Wirkungsgrad des Motors steigt gegenüber dem Asynchronmotor.

Wie viele effiziente Motoren benötigt der PM-Motoren einen Frequenzumrichter oder Regler für den Betrieb. Dieser muss in der Regel eine Positionsrückmeldung bekommen, um das Magnetfeld an die Position der Permanentmagnete anzupassen und die Rotation zu erzeugen. Daher besitzen solche Systeme häufig einen Geber. Manche Hersteller, wie beispielsweise Danfoss, können die PM-Motoren auch geberlos betreiben.

Synchron-Reluktanzmotor

Eine weitere Art der Drehstrommotoren sind die Synchron-Reluktanzmotoren. Diese Motoren nutzen die Reluktanzkraft, die aus einer Änderung des magnetischen Widerstands resultiert. Neue, spezielle Rotorschnitte führen die Magnetlinien im Innern des Rotors und erzeugen so ein Reluktanzmoment bei hoher Energieeffizienz. Die erhältlichen Bauformen entsprechen der IEC-Norm, allerdings sind auf dem Markt auch kleinere Bauformen möglich und verfügbar.

Wirkungsgradklasse IE4
Die Wirkungsgradklasse IE4 ist mit einer direkt am Netz betriebenen Drehstromasynchronmaschine möglich.

Für den Betrieb benötigen auch Synchron-Reluktanzmotoren einen Frequenzumrichter. Die spezielle Rotorkonstruktion resultiert in einem höheren Scheinleistungsbedarf, um die notwendige Magnetisierung zu erreichen. Dies führt in der Praxis je nach Umrichtertyp zu einer Überdimensionierung um ein bis zwei Leistungsgrößen.

Energieeffizienz erfordert die richtigen Steueralgorithmen

Prinzipiell lassen sich fast alle Motoren mit einer fest programmierten Kurve antreiben, welche die notwendige Spannung für eine Drehzahl beziehungsweise Frequenz vorgibt, die sogenannte U/f-Kennlinie. Allerdings garantieren nur speziell auf die jeweilige Motortechnologie angepasste Regelalgorithmen die Effizienzvorteile der einzelnen Technologien. Denn erst mit diesen Algorithmen lässt sich in jedem Betriebspunkt der Betrieb auch bei wechselnden Lasten optimieren.

Die Herausforderung besteht darin, mit nur einem Frequenzumrichtertyp die verschiedenen Motoren optimal anzutreiben, für alle Lastfälle, in allen Leistungsbereichen und Arbeitspunkten. Wie lässt sich ein Regelalgorithmus dafür optimieren, welche Informationen benötigt er und nach welchen Strategien soll Spannung und Frequenz für maximale Effizienz des Motors ausgelegt sein? Hier ist das Know-how des Herstellers der Steuerelektronik gefragt.

Stand der Technik zur Kontrolle von Motoren sind heute Vektorregelungen. Die Verfahren berechnen zu jedem Zeitpunkt auf Basis von Strom- und Spannungsvektoren, wie der Motor zu bestromen ist. Je nach Konzept und benötigter Regeldynamik orientieren sich die Regelverfahren, vereinfacht ausgedrückt, am Spannungsverlauf im Stator oder dem Stromverlauf im Rotor. Zusätzlich benötigen die Kontroller eine Regelstrategie, die das Motorverhalten beeinflusst.