Frequenzumrichter: Aufbau, Rampen und typische Störmeldungen
Aufbau: drei Teile im Leistungsteil
Ein Frequenzumrichter macht aus dem Netz mit fester Spannung und Frequenz ein neues Drehstromnetz, bei dem sich Spannung und Frequenz einstellen lassen. Damit ändert sich die Drehzahl des Motors. Das Eaton Schaltungsbuch (Ausgabe 10/23, S. 5-58) teilt das Leistungsteil in drei Gruppen:
| Teil | Was er macht |
|---|---|
| Gleichrichter | Richtet die Netzspannung gleich. |
| Gleichspannungs-Zwischenkreis | Puffert die Gleichspannung. Sie liegt laut Eaton zwischen dem 1,31- und dem 1,41-fachen der Leiterspannung, am 400-V-Netz also bei rund 524 bis 564 V. |
| Wechselrichter | Schaltet die Zwischenkreisspannung mit Transistoren (IGBT) auf den Motor. Eaton nennt das eine sinusbewertete Pulsweitenmodulation (PWM, S. 5-58 und 5-67). |
Eine Steuerung (CPU) überwacht alle Größen im Gerät und schaltet bei gefährlichen Werten ab (S. 5-58). Daher kommen die Störmeldungen weiter unten. Aus dem Netz nimmt der Umrichter fast nur Wirkleistung auf, die Blindleistung für den Motor liefert der Zwischenkreis (S. 5-57). Wie die Teile im Gerät sitzen, zeigt der Frequenzumrichter in 3D.
U/f-Kennlinie: Spannung und Frequenz steigen gemeinsam
Die U/f-Steuerung ist laut Eaton das bekannteste und am häufigsten genutzte Verfahren (S. 5-67). Eine einfache Kennlinie, linear oder quadratisch, gibt zur Frequenz die passende Spannung vor, damit der Motor weder unter- noch übermagnetisiert ist. Typische Anwendungen: Pumpen und Lüfter, waagerechte Förderbänder und mehrere Motoren parallel an einem Umrichter.
Den Eckpunkt der Kennlinie stellst du mit den Daten vom Leistungsschild ein. Im Parameterhandbuch des Eaton DC1 (MN040022DE, 05/22, S. 38) heißt das: Bei der Motor-Nennfrequenz entspricht die Ausgangsspannung der Motor-Nennspannung. Darunter bekommt der Motor eine kleinere Spannung, darüber bleibt sie auf der Nennspannung stehen. Eine Spannungsanhebung (Boost) bei kleinen Frequenzen verbessert das Anlaufmoment. Ist sie zu hoch, steigen Motorstrom und Erwärmung. Das Bild zeigt nur das Prinzip, keine bestimmten Werte.
Bei der Vektorsteuerung rechnet der Umrichter mit einem Motormodell. Dafür braucht er die Daten vom Leistungsschild, und er kann dann nur einen einzelnen Motor führen (Eaton S. 5-67). Wie Frequenz und Drehzahl zusammenhängen, rechnest du mit dem Rechner Motordrehzahl nach.
Rampen: Hochlaufzeit und Auslaufzeit
Ein Umrichter schaltet den Motor nicht hart ein, sondern fährt die Frequenz über eine Rampe hoch und wieder herunter. Beim Eaton DC1 ist die Beschleunigungszeit die Zeit vom Stillstand bis zur Motor-Nennfrequenz, die Verzögerungszeit der Weg zurück. Ab Werk stehen beide auf 5 s (MN040022DE, S. 37). Beim Stoppen kann der Antrieb über die Rampe herunterfahren oder frei auslaufen.
Zu kurze Rampen sind eine häufige Ursache für Störmeldungen: Beim Hochlauf braucht der Motor dann zu viel Strom, beim Bremsen schiebt er zu viel Energie in den Zwischenkreis. Mehr dazu in der Tabelle unten.
Bremswiderstand: wohin mit der Bremsenergie?
Bremst der Umrichter eine Last ab, arbeitet der Motor als Generator. Die Energie fließt in den Zwischenkreis, und dessen Spannung steigt. Ab einer festgelegten Einschaltgrenze schaltet ein Brems-Chopper (ein eigener IGBT) die Spannung auf den Bremswiderstand, der die Energie in Wärme umsetzt (Eaton S. 5-72). Dafür muss der Umrichter einen Anschluss für den Brems-Chopper haben, und der Widerstand muss zwischen dem kleinsten und größten Wert aus dem Handbuch des Umrichters liegen.
Rechenbeispiel aus dem Schaltungsbuch (S. 5-73): Der Brems-Chopper schaltet bei 780 V Gleichspannung ein, der kleinste zulässige Widerstand ist 40 Ω (Umrichter 7,5 kW, 400 V).
- Größte Bremsleistung: P = U² / R = 780² / 40 = 15 210 W
- Verzögerungszeit 5 s: Bremsenergie E = P · t = 15 210 W · 5 s = 76 050 Ws
- Ein Bremszyklus alle 120 s: mittlere Leistung 76 050 Ws / 120 s = 633,75 W
Gewählt wird der nächstgrößere Widerstand mit 42 Ω und 720 W Dauerbremsleistung. Mit 50 Ω ergeben sich nach derselben Rechnung 507 W, dann reicht ein Widerstand mit 600 W. Die Werte gelten für dieses Beispiel, für dein Gerät zählen Handbuch und Datenblatt.
Netzrückwirkungen und EMV
Die Transistoren schalten sehr schnell. Das erzeugt Störungen, die über die Leitungen und durch Abstrahlung andere Geräte beeinflussen. Eaton nennt vier Maßnahmen, die nur zusammen wirken: Erdung, Schirmung, Filter und Drosseln (S. 5-62).
- Motorleitung geschirmt, den Schirm an beiden Enden großflächig auflegen, nicht über angedrehte Drahtenden (Pig-Tails). Ungeschirmte Enden höchstens etwa 100 mm (S. 5-64).
- Abstand: Die Motorleitung mehr als 30 cm von Steuer- und Signalleitungen entfernt und nicht parallel zu Netzleitungen verlegen (S. 5-65).
- Netzdrossel am Eingang verringert Stromoberschwingungen und damit die Rückwirkungen aufs Netz, EMV-Filter die leitungsgebundenen Störungen. Motordrossel oder Sinusfilter am Ausgang helfen bei langen Motorleitungen (S. 5-76 und 5-79).
- Ein Wartungsschalter im Ausgang des Umrichters darf nur im stromlosen Zustand geschaltet werden (S. 5-64).
Wo ein Antrieb stehen darf, regeln die EMV-Kategorien der Produktnorm IEC/EN 61800-3 (Eaton S. 5-74 und 5-75). Die erste Umgebung sind Wohngebäude und Orte, die direkt am öffentlichen Niederspannungsnetz hängen. Die zweite Umgebung sind Standorte außerhalb des Wohnbereichs mit eigenem Transformator.
| Kategorie | Einsatz laut Eaton S. 5-75 |
|---|---|
| C1 | erste Umgebung, Nennspannung unter 1000 V |
| C2 | erste Umgebung, fest angeschlossen, Anschluss nur durch Fachleute, mit Warnhinweis auf mögliche Funkstörungen im Wohnbereich |
| C3 | zweite Umgebung, nicht für das öffentliche Netz vorgesehen, mit Warnhinweis |
| C4 | zweite Umgebung, z. B. über 1000 V, über 400 A oder am IT-Netz, mit EMV-Plan |
Welcher RCD vor den Frequenzumrichter?
Beim dreiphasigen Umrichter ein RCD Typ B, beim einphasigen ein Typ F, weil auch glatte Gleichfehlerströme auftreten können (Eaton S. 5-66 und 5-76). Ein Typ A kann durch einen glatten Gleichfehlerstrom über 6 mA „erblinden“, schreibt die DGUV Information 203-072 (April 2021, S. 57). Mehr dazu im Artikel RCD Typ B.
Umrichter und Filter haben betriebsbedingte Ableitströme. Ab 3,5 mA braucht es einen Schutzleiter von mindestens 10 mm², einen überwachten Schutzleiter oder einen zweiten Schutzleiter (S. 5-66). Mit einem Schukostecker darf der Ableitstrom höchstens 3,5 mA Wechselstrom bzw. 10 mA Gleichstrom betragen (S. 5-77); wie der Ableitstrom bei der Wiederholungsprüfung eines Geräts eingeordnet wird, zeigt die Geräteprüfung. Bei der Prüfung der Anlage verhindert der Umrichter die übliche Prüfung des Schutzes gegen elektrischen Schlag hinter ihm. Wie der Schutz auf der Motorseite sichergestellt ist, muss der Hersteller beschreiben; fehlen diese Angaben, gilt das bei der Prüfung als Mangel (DGUV Information 203-072, S. 50).
Typische Störmeldungen und ihre Ursachen
Die Anzeige und die Kürzel unterscheiden sich je nach Hersteller. Die Ursachen sind aber meist dieselben. Die Tabelle folgt der Fehlerliste im Parameterhandbuch des Eaton DC1 (MN040022DE, 05/22, S. 30 bis 32).
| Meldung | Wann | Mögliche Ursache und was du prüfst |
|---|---|---|
| Überstrom am Ausgang | direkt beim Einschalten | Leitung zwischen Umrichter und Motor prüfen, Motor auf Windungsschluss oder Schluss gegen Erde prüfen. |
| beim Start | Dreht der Motor frei, ist die mechanische Bremse gelöst? Stern oder Dreieck richtig? Motor-Nennstrom richtig eingegeben? Beschleunigungsrampe verlängern, Spannungsanhebung verringern. | |
| bei Hochlauf oder Bremsen | Rampen zu kurz. Lassen sie sich nicht verlängern, ist eventuell ein größeres Gerät nötig. | |
| bei konstanter Drehzahl | Motor überlastet? | |
| Überlast des Motors | nach längerem Betrieb über dem Nennstrom | Eingestellten Motor-Nennstrom, Stern/Dreieck, Blockaden und zusätzliche Last prüfen, Rampe verlängern. |
| Überspannung im Zwischenkreis | beim Verzögern oder Stoppen | Der Motor speist Bremsenergie zurück. Verzögerungsrampe verlängern oder Bremswiderstand anschließen und den Brems-Chopper einschalten. Außerdem prüfen, ob die Netzspannung zum Gerät passt. |
| Unterspannung im Zwischenkreis | im Betrieb | Netzspannung zu niedrig? Alles in der Einspeisung prüfen, also Schutzschalter, Schütz und Drossel, auf richtigen Anschluss und Übergangswiderstand. Nach dem Abschalten ist die Meldung normal und kein Fehler. |
| Übertemperatur am Kühlkörper | im Betrieb | Umgebungstemperatur zu hoch für das Gerät? Kühlluft frei, Abstände über und unter dem Gerät eingehalten, Kühlschlitze sauber? Schaltschrank besser lüften. |
| Phasenausfall | an der Einspeisung (nur bei dreiphasig gespeisten Geräten) | Eine Phase der Einspeisung ist ausgefallen: Sicherungen, Schutzschalter, Schütz und Klemmen in der Zuleitung prüfen. |
Wie du einen Motor, der gar nicht anläuft, Schritt für Schritt eingrenzt, steht in den Fehlersuche-Leitfäden zum Ausdrucken. Messen unter Spannung ist Arbeit für Elektrofachkräfte.
Was hilft gegen Überspannung im Zwischenkreis beim Bremsen?
Beim Abbremsen arbeitet der Motor als Generator und schiebt Energie in den Zwischenkreis. Dessen Spannung steigt, bis der Umrichter abschaltet. Abhilfe laut Eaton: Verzögerungsrampe verlängern oder einen Bremswiderstand mit Brems-Chopper nutzen, der die Energie in Wärme umsetzt.
Was bedeutet Überstrom beim Hochlauf?
Der Motor braucht beim Beschleunigen mehr Strom, als der Umrichter liefern darf. Häufige Ursachen sind eine zu kurze Beschleunigungsrampe, eine zu hohe Spannungsanhebung, eine Blockade, eine nicht gelöste Bremse oder ein falsch eingestellter Motor-Nennstrom. Tritt er schon beim Einschalten auf, Leitung und Motor auf Schluss prüfen.
Ist der Motor bei Safe Torque Off (STO) spannungsfrei?
Nein. STO unterbricht die Energie zum Motor, trennt aber nicht galvanisch. An den Motorklemmen kann noch gefährliche Spannung anliegen (Eaton S. 5-68). Vor Arbeiten am Motor freischalten und die fünf Sicherheitsregeln anwenden.
Was ist die U/f-Kennlinie?
Sie legt fest, welche Spannung der Umrichter bei welcher Frequenz an den Motor gibt. Bis zur Motor-Nennfrequenz steigt die Spannung mit der Frequenz, darüber bleibt sie auf der Nennspannung. So ist der Motor weder unter- noch übermagnetisiert.