150-WP007A-DE-P, Einsatzbereiche für Softstarter …...2 Rockwell Automation-Publikation 150-WP007A-DE-P – Oktober 2014 Einsatzbereiche für Softstarter und Frequenzumrichter im

White Paper

Einsatzbereiche für Softstarter und Frequenzumrichter im VergleichProduktreihen: Softstarter (SMCs, „Smart Motor Controllers“), Frequenzumrichter

Weitere Informationen

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Thema SeiteEinführung 2Anlassart 3Wie funktioniert ein Frequenzumrichter? 7Vergleich 8

Stern-Delta-Motoren (Starten im Dreieck) 11Kommunikationsfunktionen für Überwachung und Steuerung 11Überlegungen zu Oberwellen, Verdrahtung und Installation 12Genauigkeit der Start- und Stoppzeit 12Drehzahlregelung 13Volles Drehmoment bei Nulldrehzahl 14Anschaffungskosten 15Abmessungen 16Wartung 17Start- und Stoppoptionen 17

Anwendungen und Motoren 19Zusammenfassung 20

Dokument BeschreibungRichtlinien zur störungsfreien Verdrahtung und Erdung von industriellen Automatisierungssystemen, Publikation 1770-4.1

Enthält allgemeine Richtlinien für die Installation eines Industriesystems von Rockwell Automation.

Website zu Produktzertifizierungen: http://www.ab.com Stellt Konformitätserklärungen, Zertifikate und weitere Zertifizierungsinformationen bereit.

http://www.literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/in/1770-in041_-en-p.pdf

http://www.ab.com

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Einsatzbereiche für Softstarter und Frequenzumrichter im Vergleich

Einführung

Häufig ist es nicht einfach zu entscheiden, ob ein Softstarter oder ein Frequenzumrichter besser geeignet ist.

In dieser Publikation werden Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen Softstartern und Frequenzumrichtern erläutert. Ein Vergleich der beiden Geräte soll Ihnen die Entscheidung erleichtern, welches Gerät für Ihre Anwendung am besten geeignet ist. Daher werden in vielen Beispielen Softstarter (SMCs) und Frequenzumrichter von Allen-Bradley verglichen.

Die Fragestellung ist einfach, die Antwort jedoch schwierig. Daher empfiehlt es sich, Funktionen und Einsatzbereiche eines Softstarters mit denen eines Frequenzumrichters zu vergleichen. Im Allgemeinen kommt es auf die jeweilige Anwendung an. Wichtige Fragen sind:

• Ist für die Anwendung ein volles Drehmoment bei einer Drehzahl von Null erforderlich?• Ist für die Anwendung eine Drehzahlregelung erforderlich, wenn der Motor in Betrieb ist?• Ist für die Anwendung ein konstantes Drehmoment erforderlich?• Sind für die Anwendung präzise Start- und Stoppzeiten erforderlich?• Spielt die Größe eine Rolle?

In dieser Publikation werden einige Unterschiede und die Vorteile der verschiedenen Steuerungen erläutert.

Terminologie

Die Begriffe „Antrieb“ und „Frequenzumrichter“ werden in diesem Dokument synonym behandelt. Dies gilt ebenso für „Star-Delta“ und „Stern-Dreieck“. Auch SCR („Silicon-controlled rectifier“) und „Thyristor“ werden synonym behandelt.

Wann sollte also eher ein Softstarter und wann eher ein Frequenzumrichter verwendet werden?

Im Folgenden finden Sie einige häufige Anwendungen für jedes Gerät:

Softstarter• Anwendungen mit niedrigem oder mittlerem Anlaufmoment• Anwendungen mit leichter Last• Wenig oder keine Drehzahlregelung während des Betriebs• Reduzierung von mechanischem Verschleiß und Systemschäden• Regelung des Einschaltstroms• Leistungsüberwachung

Frequenzumrichter • Einphasige Anwendungen auf bestimmten Frequenzumrichtern • Drehzahlregelung und Systemeffizienz beim Betrieb mit reduzierter Drehzahl• Anwendungen mit hohem Anlaufmoment• Kontinuierliches Feedback für kritische Positionssteuerung• Halten des Rotors bei einer Drehzahl von Null• Reduzierung von mechanischem Verschleiß und Systemschäden

2 Rockwell Automation-Publikation 150-WP007A-DE-P – Oktober 2014


AnlassartAbbildung 1 - Vergleich der Anlassarten

Wie funktioniert ein Direktstarter (DOL)?

Bei den häufig verwendeten DOL-Startern (auch als „Across-The-Line“-Starter bezeichnet) wirken beim Startbefehl unmittelbar die volle Spannung, Stromstärke und das volle Drehmoment auf den Motor. Normalerweise wird der Strom unmittelbar getrennt, wenn das Stoppsignal gegeben wurde. Die einzigen Zustände bei diesem Verfahren sind „Ein“ und „Aus“. Optionale intelligente Überlastvorrichtungen können die Komplexität von Starter und Rückmeldungen erhöhen. Abbildung 2 zeigt typische Drehmoment- und Drehzahleigenschaften für Motoren des Typs NEMA Design B und IEC-Klasse N.

Abbildung 2 - Anlaufmoment/Drehzahlkurve bei voller Spannung

M3

M3

M3

KurzschlussschutzgerätKurzschlussschutzgerät Kurzschlussschutzgerät

Optionaler Isolierschütz

Schütz

MotorschutzrelaisFrequenzumrichter

DOL (Direct-on-Line)-Starter Softstarter

AC/DC/AC-Wandler

~6x FLA

Drehmoment180 %

100 %

0 100 %Drehzahl % U/min

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Wie funktioniert ein Softstarter?

Das Starten und Stoppen des Motors erfolgt über drei Paare gegeneinander geschalteter Thyristoren, die von einem Algorithmus gesteuert werden. Die Gegeneinanderschaltung der Thyristoren ermöglicht eine Steuerung der Wechselspannung, indem der Zündwinkel nach jeder halben Periode geändert wird (Abbildung 4). Die Spannungsrampe wird entweder auf volle Spannung erhöht oder beschränkt, um Starts mit Leistungsgrenzen zu ermöglichen.

Abbildung 3 - Einfacher Motor mit SCR

Abbildung 4 - Unterschiedliche Zündwinkel (vereinfachte Darstellung mit einer Phase)

Motor

SupplyVoltage

Firing forapprox. 50% RMSVoltage

Firing for100% RMSVoltage

Firing for25% RMSVoltage

Versorgungsspannung

Zündung für ca. 50% rms Spannung





Softstarter regeln die Stromstärke und das Drehmoment über die Spannung. Das Motordrehmoment verhält sich ungefähr proportional zum Quadrat der anliegenden Spannung.

% Drehmoment % Spannung2

Bei diesem Verhältnis führt eine Reduzierung der anliegenden Spannung um 60 % zu einer Reduzierung des erzeugten Drehmoments um etwa 84 %. In diesem Beispiel werden 40 % Spannung verwendet.

(0,4)2 = 0,16 bzw. 16 % des Anzugsmoments sind vorhanden.

Der Startstrom steht in direktem Verhältnis zur am Motor anliegenden Spannung.

Tabelle 1 zeigt Anlassarten beim Start mit voller Spannung, beim Stern-Dreieck-Start (oder Star-Delta-Start) und beim Start mit einem Softstarter. Beachten Sie die Reduzierung des Anlaufmoments im Vergleich zur Startspannung. Ein normaler Stern-Dreieck-Start mit Schützen erfolgt, wenn beim Softstarter der Stromgrenzwert auf 350 % oder das Anlaufmoment auf 34 % festgelegt ist.

Tabelle 1 - Startverfahren, Spannung, Drehmoment und Stromstärke

Spannung (angelegt) = Strom (aufgenommen)Spannung (maximal) Strom (maximal)

Starttyp % der während des Starts angewandten Spannung

% des Startdrehmoments bei voller Last

% des Bemessungsstroms bei voller Last

Volle Spannung 100 100 600Stern-Dreieck-Start 58 33 200Softstart mit verschiedenen Stromgrenzwerteinstellungen150 % 25 6 150200 % 33 11 200250 % 42 18 250300 % 50 25 300350 % 58 34 350400 % 67 49 400450 % 75 56 450



Abbildung 5 - Konfiguration mit in Reihe geschalteten SCRs

Abbildung 5 zeigt die Konfiguration mit in Reihe geschalteten SCRs des Softstarters im angeschlossenen Modus. Allen-Bradley SMC™-3- und SMC™ Flex-Softstarter verfügen über einen platzsparenden integriertes Bypass und stellen so eine kompakte Lösung für die Anwendungssteuerung dar. Der Allen-Bradley SMC™-50 hat keine mechanischen Komponenten und ist dadurch für anspruchsvolle, staubige Umgebungen und Anwendungen ausgelegt, in denen Vibrationen auftreten.

Bei Konfigurationen mit Bypass wird das Bypass-Schütz ausgelöst, sobald der Motor die Solldrehzahl erreicht. Ob es sich um den internen Bypass des SMC-3 und SMC Flex handelt oder einen externen Bypass, der mit dem SMC Flex oder SMC-50 verwendet wird: Die Zündung der SCRs wird gestoppt, wodurch der Softstarter effizienter wird. Sobald ein Stoppbefehl empfangen wird, übernehmen die SCRs erneut die Stoppregelung. Das Schütz legt keine Last an bzw. trennt keine Last. Daher können Sie kleinere Schütze und SCRs einsetzen und eine geringere Gesamtgröße erzielen. Abbildung 6 zeigt einen Softstarter mit einem kundenseitigen externen Bypass-Schütz und Überlastschutz. Der interne Bypass verwendet den thermischen Überlastschutz des Softstarters.

U V W

1 3 5

2 4 6

M3

U V W

1 3 5

2 4 6

M3



Abbildung 6 - Softstarter mit externem Bypass-Schütz

Hinweis: Der interne Bypass entspricht in der Regel AC-1 (und nicht AC-3), da das Bypass-Schütz keinen Stromkreis schließt oder unterbricht. Bei Verwendung eines externen Bypass für den Notfallbetrieb (ohne Softstart der Steuerung) ist Gebrauchskategorie AC-3 erforderlich.

Wie funktioniert ein Frequenzumrichter?

Im Wesentlichen wandelt ein Frequenzumrichter Wechselspannung in Gleichspannung um, filtert die Gleichspannung und wandelt sie wieder in Wechselspannung um. Der Effektivwert (RMS) dieser Umrichtung simuliert eine Wechselspannung. Umrichter generieren Ausgangsfrequenzen zwischen 0 und der Frequenz der Netzleitungsspannung. Je nach Anwendung sind höhere Frequenzen als die der Netzleitungsspannung möglich. Rockwell Automation bietet zahlreiche Frequenzumrichtertypen – von den gängigen Volt/Hertz-Modellen bis hin zu komplexen Vektorsteuerungen, die außergewöhnliche Leistung bei Kriechdrehzahl/Nulldrehzahl liefern und ein genaues Drehmoment sowie eine präzise Drehzahlregelung bereitstellen.

Abbildung 7 - Grundlegende Frequenzumrichterfunktion

Die meisten Frequenzumrichter wandeln den Eingangswechselstrom mit einer Vollwellen-Diodenbrücke oder einer Thrystor-Brücke im Wandlerabschnitt in Gleichspannung um. Aktive Komponenten wie ein IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) können in diesem Abschnitt ebenfalls verwendet werden. Im Filterabschnitt – im Wesentlichen eine Kondensatorengruppe – wird die im Wandlerabschnitt erzeugte Gleichspannung geglättet. Zur Verbesserung des Leistungsfaktors und zur Reduzierung von Oberwellen kann eine Zwischenkreisdrossel oder ein Induktor hinzugefügt werden. Die geglättete Gleichspannung wird dann vom IGBT-Umrichter verwendet. Das schnelle Schalten im Umrichterabschnitt erzeugt die simulierten Wechselspannungen mit dem richtigen Effektivwert.

Dreiphasige Eingangsleistung

Externes Bypass-Schütz

M

U

V

W

Abzweigschutz

Filter Umrichter

Zwischen-kreis-

drossel

Wechselspannung

Wandler



In Abbildung 8 ist die PWM-Technologie (Pulsweitenmodulation) veranschaulicht, die bei den meisten Frequenzumrichtern zum Einsatz kommt. Das Volt/Hertz-Verhältnis ist proportional zur Impulsdauer.

Abbildung 8 - PWM-Technologie (Pulsweitenmodulation)

Frequenzumrichter verbrauchen bei der Erhöhung des Motordrehmoments von 0 auf Bemessungsdrehzahl nicht mehr bzw. nicht übermäßig Strom.

Vergleich

Wirkungsgrad

Softstarter

Softstarter können einen Wirkungsgrad von 99,5–99,9 % erreichen. In der Regel sinkt die Spannung bei SCRs um weniger als ein 1 V. Der Wirkungsgrad ist abhängig von der Größe des Softstarters und der anliegenden dreiphasigen Spannung. Nach Abschluss des Startverfahrens wird bei einem Softstart mit integriertem Bypass, z. B. beim SMC-3 und SMC Flex, ein internes Bypass-Schütz ausgelöst. Die SCRs zünden nicht mehr und der gesamte Betriebsstrom verteilt sich auf die Kontakte, wodurch der Wirkungsgrad erhalten bleibt bzw. erhöht wird. Bei Betrieb in voller Drehzahl und mit richtiger Last sind Softstarter effizienter als Frequenzumrichter.

Die Parametereinstellung des SMC-50 senkt den Stromverbrauch bei lastfreiem Motor. Mit dieser Einstellung lassen sich Energiekosten sparen. Der Softstarter verfügt über das CE-Zeichen und benötigt keine zusätzliche Filterung für Oberwellen. Andere Softstarter ohne CE-Zeichen benötigen eventuell eine Filterung.



Frequenzumrichter

Frequenzumrichter weisen in der Regel einen Wirkungsgrad von 95–98 % auf. Beim Starten, im Betrieb und beim Stoppen sind aktive Komponenten wie IGBTs eingeschaltet (sofern kein Auslaufen bis Stopp festgelegt ist). Jedoch sind bestimme Frequenzumrichter besser geeignet, die Leistungsaufnahme im Betrieb anzupassen. Wählen Sie den Frequenzumrichter entsprechend der jeweiligen Lasteigenschaften aus. Dadurch können Sie Energiekosten einsparen. Je höher die Impulse des Frequenzumrichters, desto höher sein Wirkungsgrad. Beispielsweise weist ein 6-Puls-Frequenzumrichter einen Wirkungsgrad von 96,5–97,5 % auf. Ein 18-Puls-Frequenzumrichter hat einen Wirkungsgrad von 97,5–98 %.

Wärmeerzeugung beim Softstarter oder Frequenzumrichter

Softstarter

Bei einem Softstarter mit integriertem Bypass wird der Strom durch das Schütz geleitet. Daher erzeugen die aktiven elektronischen Komponenten keine zusätzliche Wärme.

Abbildung 9 - Softstarter mit integriertem Bypass

M3

U V W

1 3 5

2 4 6



Frequenzumrichter

Im Betrieb ist ein Frequenzumrichter grundsätzlich wärmer als der Softstarter, da die aktiven Komponenten Frequenz und Spannung kontinuierlich regeln.

Hinweis: Ein Motor weist bei einer Last zwischen 50 % und 100 % den höchsten Wirkungsgrad auf. Unter diesem Lastniveau verringert sich die Effizienz zunehmend. Abbildung 10 zeigt typische NEMA-Motorwirkungsgrade basierend auf der Motorlast.

Abbildung 10 - Typischer Wirkungsgrad im Vergleich zu Lastkurven für asynchrone Käfigläufermotoren, 1800 U/min, dreiphasig, 60 Hertz, Design B.



Stern-Delta-Motoren (Starten im Dreieck)Abbildung 11 - Softstarter mit Stern-Dreieck-Verkabelung

Softstarter

Mit dieser Verkabelung können anhand von kleineren Softstartern die Motoren mit sechs Leitern innerhalb des Dreiecks gestartet werden. Beispielsweise ist bei einem an die Netzspannungsversorgung angeschlossenen Motor mit 200 HP (140 kW) mindestens eine 251-A-Einheit erforderlich. Bei einem Stern-Dreieck-Motor mit 200 HP (140 kW) ist mindestens eine 201-A-Einheit erforderlich. Dies spart Kosten ein und reduziert eventuell auch den erforderlichen Platz. Weitere Informationen zum Stern-Dreieck-Start finden Sie im White Paper zu Stern-Dreieck-Motoren, Publikation 150-WP004 von Rockwell Automation.

Frequenzumrichter

Frequenzumrichter sind basierend auf dem vollen Laststrom des Motors für den Netzanschluss ausgelegt (drei Leitungen vom Motor).

Kommunikationsfunktionen für Überwachung und Steuerung

Sowohl Softstarter als auch Frequenzumrichter von Allen-Bradley bieten zahlreiche Steuerungsoptionen an, einschließlich Modbus, Ethernet, ControlNet™, DeviceNet™ und PROFIBUS™.

W

V

U

U V W

1 3 5

2 4 6



Überlegungen zu Oberwellen, Verdrahtung und Installation

Softstarter

Softstarter-Oberwellen machen im Start- oder Stoppmodus in der Regel weniger als 10 % aus, wenn die Tyristoren eingeschaltet sind und durch Phasenanschnittssteuerung Teilsinuswellen erzeugen. Wenn der Motor bei voller Drehzahl betrieben wird, sind die SCRs voll leitfähig und es sind praktisch keine Oberwellen vorhanden. Bei Konfigurationen mit Bypass werden fast keine Oberwellen erzeugt.

Lange Kabel-/Leitungslängen beim Softstarter-Produkt erfordern in der Regel keine besonderen Vorkehrungen. Es müssen nur Kabel/Drähte in der richtigen Größe vorhanden sein, um den Spannungsabfall zu kompensieren. Die Leitungen von Allen-Bradley-Softstartern sind in der Regel bis zu 762 m lang, je nach Kapazität des verwendeten Kabels. Es sind keine Spezialdrähte/Spezialkabeltypen erforderlich. Softstarter erfordern in der Regel keine EMV-Abschwächung zur Einhaltung der IEC-Oberwellenbestimmungen. Die IEC-Bestimmungen gelten für den Vollbetrieb des Softstarters.

Frequenzumrichter

Lange Kabel-/Leitungslängen vom Frequenzumrichter zum Motor können zu Problemen mit reflektierten Wellen führen. Die Verwendung von Netzdrosseln wird empfohlen, damit die Oberwellen nicht zur Stromquelle zurücklaufen und Spannungsverzerrungen verursachen, die andere Ausrüstung beschädigen können. Andere Geräte, die zur Reduzierung von Oberwellen in Frequenzumrichtern eingesetzt werden, sind DC-Zwischenkreisdrosseln, passive Filter, 12-Puls-Wandler mit Phasenverschiebungstransformatoren, aktive Filter, aktive (regenerative) Wandler und 18-Puls-Wandler. Bei der Installation von Frequenzumrichtern muss auch der Kabeltyp berücksichtigt werden.

Genauigkeit der Start- und Stoppzeit

Softstarter

Softstarter sind lastabhängig und verwenden die programmierten Start- und Stoppeinstellungen. Ein Algorithmus passt die Spannung an, um Strom und Drehmoment zum Starten des Motors zu erhöhen. Basierend auf der gegenelektromotorischen Kraft (EMK) des Motors ermittelt der Softstarter, ob der Motor die Drehzahl erreicht hat. Wenn der Softstarter erkennt, dass der Motor vor dem ausgewählten Startzeitpunkt die Solldrehzahl erreicht, stellt der Softstarter die volle Spannung bereit und zeigt den Betriebsstatus an. Wenn der Motor die Geschwindigkeit nicht in einem festgelegten Zeitrahmen erreicht, stellt der Softstarter volle Spannung bereit (SMC Flex, SMC-50) oder einen Prozentsatz der vollen Spannung (SMC-3), je nach Last. Eine Ausnahme bildet der SMC-50 bei linearer Start- und linearer Stoppregelung. Hier ermöglicht ein spezieller Algorithmus genaue Start- und Stoppzeiten durch die Auswahl einiger weniger Parameter, unabhängig von der Last und ohne die Verwendung eines externen Tachometers.



Frequenzumrichter

Frequenzumrichter bieten eine exakte Drehzahlregelung inklusive Start- und Stoppzeiten, abhängig vom ausgewählten Frequenzumrichter und der Last- und Überlastfähigkeit des Frequenzumrichters.

Abbildung 12 - Voreinstellung für Kriechdrehzahl

Drehzahlregelung

Softstarter

Bei einigen Softstartern ist die Regelung bei Kriechdrehzahl zwischen dem Starten und Stoppen begrenzt (siehe Abbildung 12). Der SMC Flex verfügt über jeweils zwei festgelegte Einstellungen mit Kriechdrehzahl vorwärts (7 % und 15 %) und Kriechdrehzahl rückwärts (10 % und 20 %). Die Drehzahl des SMC-50 kann ohne Einsatz eines Wendeschützes zwischen 1 % und 15 % der vollen Vorwärts- und Rückwärtsdrehzahl angepasst werden. Beispielsweise verfügt ein Motor mit 1800 U/min über Einstellungen für Kriechdrehzahlen von 18–270 U/min sowohl in der Vorwärts- als auch Rückwärtsrichtung. Die Regelung bei Kriechdrehzahl wird – aufgrund des Temperaturanstiegs in SCR und Motor – nach Funktionsdauer in Minuten bemessen. Das Erreichen der Kriechdrehzahl ist vergleichbar mit der Erzeugung von PWM (Pulsweitenmodulation)-Kurvenformen (siehe Abbildung 13).

100 %

Mot

ordr

ehza

hl

Zeit in Sekunden

Vorwärts15 % - hoch

1 % - niedrig

Rückwärts

Start Betrieb

Bremse

Auslaufen

Niedrig



Abbildung 13 - SMC-50-Kurvenform bei Kriechdrehzahl

Frequenzumrichter

Frequenzumrichter sorgen dank der Frequenzanpassung für den gesamten Zeitraum vom Starten bis zum Stoppen für eine gleichmäßige und vollständig regelbare Drehzahl.

Obwohl Frequenzumrichter und Softstarter bei Kriechdrehzahlen betrieben werden können, ist die jeweilige Dauer vom Motor und der Last abhängig. Die beim Motorbetrieb mit Kriechdrehzahl erzeugte Wärme ist zeitabhängig. Zum Schutz von SCRs und Motor erreicht der Softstarter das Wärmelimit, wenn er zu lange bei Kriechdrehzahl betrieben wird. Beim Dauerbetrieb eines Frequenzumrichters unter 5 Hz ist eine Drosselung-erforderlich.

Volles Drehmoment bei Nulldrehzahl

Softstarter

Softstarter arbeiten mit einer Festfrequenz. Das volle Drehmoment wird nur bei voller Spannung erreicht. Das Anfangsdrehmoment ist im Softstarter programmiert. Die Spannung der Drehmomenteinstellung bildet den Startpunkt der Rampe. Das volle Drehmoment ist bei Nulldrehzahl nicht verfügbar.

Frequenzumrichter

Bei Frequenzumrichtern steht bei Bemessungsdrehzahl das volle Drehmoment (100 %) bis zur Netzfrequenz zur Verfügung. Über der Bemessungsdrehzahl des Motors liegt die Leistung (HP) bei 100 %, während das Drehmoment abfällt. Das Haltedrehmoment des Frequenzumrichters verhindert beispielsweise bei Anwendungen mit geneigtem Förderband, dass sich dieses beim Stoppen rückwärts bewegt. Die jeweilige Anwendung bestimmt, ob bei einem Frequenzumrichter zusätzlich zum vollen Drehmoment bei Nulldrehzahl weitere Sicherheitsmaßnahmen erforderlich sind. Bei einem Softstarter ist für die gleiche Funktion eine mechanische Bremse erforderlich.



Anschaffungskosten

Bei geringer Ampere-Zahl besteht kein merklicher Kostenunterschied zwischen Frequenzumrichtern und Softstartern. Mit steigender Ampere-Zahl und Leistung steigen auch die Kosten für Frequenzumrichter. In Abbildung 14 und Abbildung 15 werden die Anschaffungskosten für einen IEC- und NEMA-Starter mit Softstartern und Frequenzumrichtern verglichen.

Abbildung 14 - Kostenvergleich: Softstarter, IEC-Starter und Frequenzumrichter

Abbildung 15 - Kostenvergleich: Softstarter, NEMA-Starter und Frequenzumrichter

0 %

200 %

400 %

600 %

800 %

1000 %

1200 %

4 kW 22 kW 78 kW 170 kW 355 kW 710 kW

% Kosten im Vergleich zu IEC-DOL-Starter

SMC Frequenzumrichter IEC DOL

0 %

50 %

100 %

150 %

200 %

250 %

300 %

3 Hp 30 Hp 100 Hp 250 Hp 500 Hp 800 Hp 1000 Hp

% Kosten im Vergleich zu NEMA-DOL-Starter

SMC Frequenzumrichter NEMA DOL



Abmessungen

In Abbildung 16 und Abbildung 17 werden die relativen Größenunterschiede zwischen einem Frequenzumrichter und einem Softstarter gezeigt, wobei der Softstarter kleiner als der Frequenzumrichter ist. Große Frequenzumrichter müssen in einem Motor Control Center-Schaltschrank montiert werden, da zusätzlich zum Frequenzumrichter andere Geräte (z. B. Isolatoren, Umrichter und EMV-Begrenzer) eingebaut werden müssen.

Abbildung 16 - Größenvergleich: Softstarter, IEC-Starter und Frequenzumrichter bei 400 V AC, dreiphasig

Abbildung 17 - Größenvergleich: Softstarter, NEMA-Starter und Frequenzumrichter bei 480 V AC, dreiphasig

Volumenvergleich mit IEC DOL

0 %200 %400 %600 %800 %

1000 %1200 %1400 %1600 %1800 %2000 %

SMC Frequenzumrichter IEC DOL

4 kW 22 kW 78 kW 170 kW 355 kW

Hp

Volumenvergleich mit NEMA DOL

0 %100 %200 %300 %400 %500 %600 %700 %800 %900 %

1000 %

SMC Frequenzumrichter NEMA DOL

0,5 Hp 30 Hp 100 Hp 250 Hp 500 Hp 800 Hp 1000 Hp



Wartung

Softstarter

Der Wartungsaufwand bei Softstartern ist gering. Lediglich die Lüftungen müssen gereinigt werden.

Frequenzumrichter

Je nach Frequenzumrichter ist eine Wartung höchstens einmal pro Jahr erforderlich. Teile müssen überprüft, gereinigt oder ersetzt werden. Bei Frequenzumrichtern im Dauerbetrieb sollten im 3. Jahr folgende Komponenten ausgetauscht werden (falls zutreffend):

• Gerätelüftermotor• Kleine Gerätelüfter• Deionisierende Filterkassette• Kühlmittel• Elektrolyt-Bus-Kondensatoren• Gleichrichter-Bus-Kondensatoren• Umrichter-Überspannungsschutzkondensatoren• Netzteil für den integrierten Gate-Treiber• AC/DC- und DC/DC-Netzteile• Unterbrechungsfreie Stromversorgungen

Start- und Stoppoptionen

Verschiedene Startprofile

Softstarter

Zwei unterschiedliche programmierte Starts sind möglich. Beispielsweise benötigen Sie eventuell eine Startoption für kalte und eine für warme Tage. Mit dem SMC-50 und der linearen Beschleunigung sind zwei unterschiedliche programmierte Starts nicht erforderlich. Da sich die lineare Beschleunigung der Last anpasst, ist es nicht notwendig, zwei Starts zu programmieren.

Frequenzumrichter

Frequenzumrichter sind sehr vielseitig und bieten mehrere Bremspunkte, mehrere Drehzahleinstellungen und die Möglichkeit zur Regelung von Start bis Stopp.



Einphasiger oder dreiphasiger Betrieb

Softstarter • Integrierte Überlastvorrichtungen bieten Schutz• SCRs steuern alle drei Phasen• In der Regel nur als dreiphasige Konfiguration erhältlich

Frequenzumrichter • Einphasige und dreiphasige Konfigurationen verfügbar• Für einen einphasigen Eingang ist eine erhebliche Herabsetzung der Betriebswerte erforderlich

Zeitlich festgelegte Starts

Softstarter

Startzeiten bis zu 30 Sekunden sind die Regel. Bei einigen Softstartern ist jedoch eine kürzere Startzeit bzw. eine Startzeit von bis zu 999 Sekunden möglich. Lange Startzeiten sind nicht normal. Außerdem muss die thermische Belastbarkeit des Systems inklusive Motor berücksichtigt werden.

Frequenzumrichter

Anlaufzeiten können auf bis zu 3600 Sekunden festgelegt werden. Längere Zeiten sind in der Regel mit höheren Trägheitslasten verbunden. Daher verringert sich die Größe des erforderlichen Frequenzumrichters.

Stoppoptionen

Softstarter• Auslaufen (kein Steuerungsstopp)• Intelligente Motorbremse (Möglichkeit zum schnelleren Stoppen eines Motors als beim Auslaufen ohne Einsatz

einer externen Bremse)• Pumpenstopp (Steuerung des Pumpenstopps, Verhinderung von Wasserschlag)• Lineare Verzögerung (genauer, gesteuerter Stopp in der programmierten Zeit)• Accu-Stop (ermöglicht den Einsatz der Option mit Kriechdrehzahl vor dem vollständigen Stillstand für die

genaue Platzierung des Produkts)• Softstopp (programmierter Stopp für längere Stoppzeiten als beim Auslaufen)

Frequenzumrichter• Auslaufen• Rampe• Rampe bis zum Stillstand• DC-Bremse• Dynamisches Bremsen(1)

• Strombegrenzung• Schnelles Bremsen

(1) Die Verwendung von Bremswiderständen minimiert Überspannungsfehler. Mithilfe eines Digitaleingangs können Sie zwischen zwei Stoppmodi auswählen.



Anwendungen und Motoren

Während bei den meisten Motoren ein Frequenzumrichter oder ein Softstarter verwendet werden kann, sind in Tabelle 2 einige Ausnahmen aufgeführt.

Tabelle 2 - Anwendungsausnahmen für Softstarter und Frequenzumrichter

Ê Ermitteln Sie mithilfe des SMC E-Tool-Schätzassistenten, ob ein Softstarter eingesetzt werden kann.Ë Verwendet für die volle Drehzahl Wendeschütze. Kriechdrehzahl wird ohne Schütze erreicht.Ì Im einstellbaren Spannungsmodus.

Anwendungsbeispiele

Leistungsgrenzen

Oftmals sind Leistungsgrenzen in Betracht zu ziehen, beispielsweise bei Anwendungen mit Stromaggregaten. So kann kann es der Fall sein, dass die Leistungsgrenze 200 % unter der Angabe auf dem Motortypenschild liegt. Motoren benötigen jedoch ausreichend Drehmoment, um das Lastdrehmoment bewältigen zu können. Bedenken Sie daher Faktoren wie die Abstimmung der Motorgröße auf die Last sowie den Motortyp.

Ein Softstarter kann den Strom auf 200 % begrenzen. Dadurch verringert sich jedoch auch das Drehmoment. Anhand von weiteren Untersuchungen mithilfe von Assistenten können Sie ermitteln, ob sich der Motor starten lässt, ohne die Leistungsgrenze zu überschreiten.

Frequenzumrichter können höhere Drehmomente liefern, ohne die Leistungsgrenze der Stromversorgung zu überschreiten.

Lüfter

Softstarter eignen sich für praktisch jede Anwendung mit konstanter Betriebsdrehzahl. Ein Beispiel sind große Lüfter in Industriebetrieben, die den ganzen Tag mit konstanter Drehzahl laufen. Der Softstarter kann das Anlaufmoment des Lüfters regeln und gewährleistet so einen sanften Anlauf. Nach Erreichen der Betriebsdrehzahl ist bis zum Stoppbefehl keine weitere Regelung mehr erforderlich.

Für große Lüfter mit wechselnder Drehzahl, z. B. Bei temperaturbasierten Drehzahlanpassungen, sind Frequenzumrichter besser geeignet. Frequenzumrichter können die Drehzahl während des Betriebs jederzeit regeln.

Förderbänder

Wenn Sie DOL-Starter ersetzen, dann ist ein Softstarter besser geeignet, Verschütten von Material oder Schäden beim Starten oder Stoppen eines Förderbands zu verhindern. Der Softstarter startet und stoppt das Förderband ruhig und ohne mechanische Belastung.

Anwendung Softstarter FrequenzumrichterDruckpumpen Möglich Ê JaWendestarter Ja Ë JaLineare Asynchronmotoren Ja JaTransformatoren Ja Ja ÌWiderstandslasten Ja Ja ÌTeilwicklung Ja Ja ÌGewickelter Rotor Ja Ja ÌPermanentmagnetmotoren Nein JaReluktanzmotoren Nein JaHohes Drehmoment, niedrige Stromstärke Nein Ja



Pumpen

Frequenzumrichter und Softstarter eignen sich gleichermaßen für Pumpen. Der Softstart reduziert Wasserschlag beim Starten und Stoppen und ist in der Regel kostengünstiger. Ein Frequenzumrichter kann die gleiche Aufgabe ausführen und darüber hinaus noch die Drehzahl der Pumpe während des Betriebs regeln.

Zusammenfassung

Die Anlassart ist anhängig von der jeweiligen Anwendung. Sowohl Softstarter als auch Frequenzumrichter können einen Motor bei geringerer Spannung und Stromstärke starten. Dies reduziert bei beiden Geräten mechanischem Verschleiß und Wartungsaufwand. Währen der Softstarter über Funktionen für Kriechdrehzahlen verfügt (bis zu ±15 % der Kriechdrehzahl), sind für umfassende Drehzahlregelung und lange Einsatzdauer Frequenzumrichter besser geeignet. Softstarter verfügen über einen Bypass für den Kühlbetrieb, wenn nur das Starten und Stoppen des Motors erforderlich ist. Softstarter anderer Marken verfügen eventuell nicht über die in dieser Publikation beschriebenen Funktionen. Frequenzumrichter können die Drehzahl jederzeit im Betrieb regeln und das Drehmoment bei ordnungsgemäßer Konfiguration einfach bei Bedarf anpassen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Sie Anwendungsanforderungen, Größenbeschränkungen und Ihr Budget kennen sollten, bevor Sie sich für ein Gerät entscheiden.

Tabelle 3 - Zusammenfassung der Anwendung von Softstartern und Frequenzumrichtern

Funktion Softstarter FrequenzumrichterSpannung, Stromstärke und Drehmoment beim Starten reduziert Ja JaFunktionen für Kriechdrehzahlen Eingeschränkt JaStern-Dreieck-Schaltung Ja NeinSind für die Anwendung präzise Start- und Stoppzeiten erforderlich? Eingeschränkt JaGröße der Steuerung Kleiner GrößerAnschaffungskosten Niedriger HöherVolles Drehmoment bei Nulldrehzahl Nein Ja



Notizen:


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Publikation 150-WP007A-DE-P – Oktober 2014 © 2014 Rockwell Automation, Inc. Alle Rechte vorbehalten. Printed in USA.

Wichtige Hinweise für den Anwender

Lesen Sie die in diesem Dokument und in den im Abschnitt „Weitere Informationen“ aufgeführten Dokumenten enthaltenen Informationen, bevor Sie dieses Produkt installieren, konfigurieren, in Betrieb nehmen oder warten. Anwender müssen sich neben den Anforderungen aller anwendbaren Vorschriften, Gesetze und Normen zusätzlich mit den Installations- und Verdrahtungsanweisungen vertraut machen.

Arbeiten im Rahmen der Installation, Anpassung, Inbetriebnahme, Verwendung, Montage, Demontage oder Instandhaltung dürfen nur durch ausreichend geschulte Mitarbeiter und in Übereinstimmung mit den anwendbaren Ausführungsvorschriften vorgenommen werden.

Wenn dieses Produkt nicht gemäß den Anweisungen des Herstellers verwendet wird, können die Schutzfunktionen des Produkts möglicherweise beeinträchtigt sein.

Rockwell Automation ist in keinem Fall verantwortlich oder haftbar für indirekte Schäden oder Folgeschäden, die durch den Einsatz oder die Anwendung dieses Geräts entstehen.

Die Beispiele und Diagramme in diesem Handbuch dienen ausschließlich zur Veranschaulichung. Aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen der jeweiligen Anwendung kann Rockwell Automation keine Verantwortung oder Haftung für den tatsächlichen Einsatz der Produkte auf der Grundlage dieser Beispiele und Abbildungen übernehmen.

Rockwell Automation übernimmt keine patentrechtliche Haftung in Bezug auf die Verwendung von Informationen, Schaltkreisen, Geräten oder Software, die in dieser Publikation beschrieben werden.

Die Vervielfältigung des Inhalts dieser Publikation, ganz oder auszugsweise, bedarf der schriftlichen Genehmigung von Rockwell Automation.

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150-WP007A-DE-P, Einsatzbereiche für Softstarter …...2 Rockwell Automation-Publikation 150-WP007A-DE-P – Oktober 2014 Einsatzbereiche für Softstarter und Frequenzumrichter im