ABB Drezahlgeregelte Antriebe

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Technische Anleitung 4Technische Anleitung 4

Drehzahlgeregelte Antriebe

3Technische Anleitung 4 - Drehzahlgeregelte Antriebe

Inhalt

1 Einleitung ................................................................ 5

Allgemeines............................................................... 5

2 Prozesse und ihre Anforderungen ......................... 6Warum wird die Drehzahlregelung verwendet? .......... 6Industriezweige, in denen die Drehzahlregelungverwendet wird .......................................................... 7Einflussgrößen in Prozess-Systemen ....................... 8Maschinen ändern Materialeigenschaften... .............. 9

Genau vorgegebene Form .................................... 9Unbestimmte Form .............................................. 9...und Maschinen für den Materialtransport ........ 10Feste Materialien ............................................... 10Flüssigkeiten ...................................................... 10Gase .................................................................. 10

3 Das Arbeitspferd der Industrie: der Elektromotor ......... 11Die meisten Maschinen werden von Elektro-motoren angetrieben ................................................ 11Motoren wandeln elektrische Energie inmechanische Energie um ........................................ 12Frequenzumrichter regeln elektromagnetischeInduktion ................................................................. 13Die Effizienz des Antriebssystems ......................... 14Manchmal sind Drehrichtungsumkehr odereine Änderung der Momentenrichtung erforderlich .. 15Die Last, die Reibung und das Trägheitsmomentbremsen die Drehung .............................................. 16Der Motor muss das Lastmoment überwinden ........ 17Antriebsmoment und Lastmoment sind bei Nenn- .......drehzahl gleich ........................................................ 18

4 Variable Mengen benötigen eine Regelung ........ 19Veränderlicher Materialfluss und Eingangs-/Ausgangsanforderungen .......................................... 19Einfachere Regelungsverfahren ............................... 20Das beste Regelverfahren ist der drehzahlgeregelteAntrieb ..................................................................... 21Mechanische, hydraulische und elektrischedrehzahlgeregelte Antriebe ...................................... 22

Hydraulikkupplung .............................................. 22DC-Antrieb .......................................................... 22AC-Antrieb .......................................................... 22

Elektrische drehzahlgeregelte Antriebe haben dengrößten Marktanteil ................................................. 23

4 Technische Anleitung 4 - Drehzahlgeregelte Antriebe

Wartungskosten ................................................. 23Produktivität ....................................................... 23Energieersparnis ................................................ 23Höhere Qualität .................................................. 23

Der Markt der AC-Antriebe wächst schnell .............. 24

5 Der AC-Antrieb: das führende Regelverfahren ..... 25Die Grundfunktionen eines AC-Antriebs .................. 25Die Belastbarkeitskurven eines Motorsmit AC-Antrieb ........................................................ 26Merkmale des AC-Antriebs für eine bessereProzessregelung ..................................................... 27Drehrichtungsumkehr .............................................. 28Drehmomentregelung .............................................. 28Verhinderung mechanischer Schwinungen .............. 28Netzausfallregelung ................................................. 29Blockiert-Meldung ................................................... 29Schlupfkompensation .............................................. 30Fliegender Start ....................................................... 30Umwelteinflüsse ...................................................... 31EMV ........................................................................ 31

6 Kostenvorteile der AC-Antriebe ............................ 34Technische Unterschiede zwischen anderenSystemen und AC-Antrieben ................................... 33Keine mechanischen Teile erforderlich ..................... 34Kostenfaktoren ........................................................ 35Investitionskosten: Mechanische undelektrische Komponenten ........................................ 36Der Motor ................................................................ 36Der AC-Antrieb ........................................................ 36Installationskosten: Drosselregelung zumAC-Antrieb ............................................................... 37Betriebskosten: Wartung und Energie des Antiebs .. 38Gesamtkostenvergleich ........................................... 39

7 Index ....................................................................... 40


Mit diesem Band, in dem die verschiedenen drehzahlgeregeltenAntriebe und ihre Verwendung in industriellen Prozessenbeschrieben werden, setzt ABB die Reihe der TechnischenAnleitungen fort. Die besondere Aufmerksamkeit gilt hier denAC-Antrieben.

Dieses Handbuch orientiert sich so nahe wie möglich an derPraxis. Spezielle Kenntnisse über drehzahlgerelgelter Antriebesind nicht erforderlich, obwohl technische Grundkenntnissezum vollständigen Verständnis erforderlich sind.

Kapitel 1 - Einleitung

Allgemeines


Um die Notwendigkeit der Drehzahlregelung zu erkennen,müssen wir zuerst die Anforderungen der verschiedenen Pro-zesse verstehen. Diese Prozesse können in zwei Hauptfunk-tionen unterteilt werden; Materialbehandlung und Materialtrans-port, obwohl es eine Vielzahl weiterer Unterteilungen dieserbeiden Funktionen gibt.

Die Notwendigkeit der Prozessanpassung ist der gemeinsa-me Aspekt dieser beiden übergeordneten Funktionen. DiesesZiel wird mit drehzahlgeregelten Antrieben erreicht. In diesemKapitel werden die wesentlichen Prozesse in der Industrie undanderen Bereichen beschrieben, in denen drehzahlgeregelteAntriebe eigesetzt werden.

Kapitel 2 - Prozesse und ihre Anforderungen

Warum wirddie Drehzahl-regelungverwendet?


Hier einige Beispiele!

Chemische Industrie

Werkstätten

Kunststoffindustrie Textil

Nichtindustrieller Bereich:

HKL Wasserwirtschaft

Industrie:

Zellstoff-, Papier-, Druckindustrie

Nahrungsmittel, Getränke

Kraftwerke

BergbauMetallindustrie

Es gibt eine Vielzahl industrieller Prozesse mit Drehzahlrege-lung. Die oben aufgelisteten Industriezweige stellen nur eini-ge Beispiele dar. Allen gemeinsam ist die Notwendigkeit einerProzessführung unter Einsatz der Drehzahlregelung.

Bei der Klimatisierung als Teil einer HKL-Einrichtung ändernsich die Bedingungen für den Luftstrom entsprechend der indem Raum herrschenden Feuchtigkeit und Temperatur. DieseBedingungen können durch entsprechende Einstellungen derZuluft- und Abluftgebläse erfüllt werden.

Lüfter werden auch in Kraftwerken und in der chemischenIndustrie eingesetzt. In beiden Fällen müssen die Lüfter aufden Hauptprozess abgestimmt werden. In Kraftwerken ist derHauptprozess dem unterschiedlichen Leistungsbedarf zu denverschiedenen Zeiten im Jahr, der Woche oder am Taganzupassen. Der Einsatz der drehzahlgeregelten Antriebe hängtvom jeweiligen Prozess ab.

Industriezweige,in denen dieDrehzahl-regelungeingesetztwird

Prozesse und ihre Anforderungen


Energie-zufuhr

Material-zufuhr

Verarbeitungsanlage

Materialbehandlung durch

mechan. Leistung

elektromagn. Leistung

thermische Leistung

chemische und biologische Reaktionen

Kernenergie

Fertiges Produkt oder Material

Energiefluss

Materialfluss

Energie-verlust

Material-verlust

In dieser Abbildung sind die Größen dargestellt, die ein Pro-zess-System beeinflussen. Diese Größen können in Energie-und Materialgrößen unterteilt werden. Im Prozess-Systemselbst werden Material oder Energie durch mechanische, elek-tromagnetische, thermische Leistung, chemische und biologi-sche Reaktionen oder sogar durch Kernenergie verarbeitet.

Damit ein Prozess durchgeführt werden kann, müssen Mate-rial und Energie zugeführt werden. Das Produkt oder der End-zustand des Materials sind das Ergebnis des Prozesses. Injedem Prozess jedoch entsteht auch Abfall in Form von Ener-gie und/oder Material.

Im Arbeitsprozess wird die mechanische Leistung der einzel-nen, am Prozess beteiligten Maschinen über VSD-Antriebegeregelt.

Auch bei der Materialbearbeitung können drehzahlgeregelteAntriebe eingesetzt werden. Ein gutes Beispiel hierfür sindTrocknungsanlagen, in denen die Temperatur der warmen Luftkonstant sein muss. Der Prozess wird durch die Verstellungder Drehzahl der Heissluftgebläse mittels drehzahlgeregelterAntriebe geregelt.

Einflussgrößenin Prozess-Systemen

Prozese und ihre Anforderungen


Umfassende Behandlung

Bearbeitungs-maschinen

Vorgegeb. Form

Unbest. Form

Maschinen Anlagen

Schneidemaschine

Formmaschine

WalzwerkeDruck-, Textil-, Holz-,Papiermaschinen

Roboter

Mischer, RührwerkeZentrifugenExtruderDruckkesselBrechwerke

_

_ _

_

__

____

Verarbeitungseinrichtung

_ Mühlen

Wie bereits erwähnt, können die Prozesse von Arbeits-maschinen in zwei Kategorien unterteilt werden. Die ersteKategorie ist die Materialbearbeitung, die mit verschiedenenBearbeitungsmaschinen erfolgt, um die Eigenschaften desMaterials zu verändern.

Die Verarbeitungsgeräte können nach der Form des Materialsin zwei Bearbeitungsgruppen unterteilt werden. Die Form kannentweder genau festgelegt oder unbestimmt sein. Materialienmit einer festgelegten Form, wie Papier, Metall und Holz werdenmaschinell verarbeitet. Beispiele sind Papiermaschinen,Walzstrassen und Sägelinien.

Materialien in unbestimmter Form (Schüttgut) wie Lebensmittel,Kunststoffe usw. werden in Anlagen verarbeitet. Beispiele fürsolche Anlagen sind Margarinerührwerke, sowie verschiedeneZentrifugen und Extruder.

MaschinenändernMaterial-eigenschaften ...


Genauvorgegebene

Form

UnbestimmteForm


�

�

Walzwerke

�

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Bearbeitungs- maschinen

�

Energet. Behandlung Materialfl., Druck, Position

Material- zustand

vorgegebene Form

Materialtypfest

flüssig (gemischt)

gasförmig (gemischt)

Maschinen Anlagen Förder-mittel

Pumpen Lüfter und Kompressoren

Schneidemaschine

Formmaschine

Druck-, Textil-, Holz-, Papiermaschinen

Roboter

Mischer, RührwerkeZentrifugen

Extruder

DruckkesselBrechwerke

Hebezeuge und KraneRollenförderer

Bandförderer

Aufzüge

Rolltreppen

Saugpumpen

Vakuumpumpen

LüfterGebläseKompressorenKlimaanlagen

Umfassende Behandlung der Materialeigensch. (Zusammensetzg., Form, ...)

Verarbeitungs- einrichtung

Transport-, Dosier-, Druck-wechsel- Einrichtungen

_ Mühlen

unbestimmte Form

Die zweite Kategorie bilden die Maschinen zum Transport desMaterials an den gewünschten Ort. Diese Gruppe besteht ausFörder-, Dosier und Druckänderungseinrichtungen. DieseMaschinen können nach Art des zu verarbeitenden Materials- feste Materialien, Flüssigkeit, Gas - in drei Untergruppenunterteilt werden.

Feststoffe, wie Frachtcontainer, Metall, Holz, Mineralien undauch Personen werden mit Fördereinrichtungen transportiert.Derartige Einrichtungen sind Krane, Förderer und Aufzüge.

Flüssigkeiten z.B Wasser, Öl oder flüssige Chemikalien werdenmit Pumpen transportiert.

Gase, wie Luft, werden mit Lüftern, Kompressoren oder Ge-bläsen transportiert. Die Klimatisierung stellt eine Sonderan-wendung dieser Maschinen dar.

In der Abbildung oben werden fünf verschiedene Typen vonMaschinen dargestellt. Diese Maschinen geben dem Materialentweder eine andere Form oder transportieren es. Alle dieseMaschinen können mit drehzahlgeregelten Antrieben verwendetwerden.

...undMaschinenfür denMaterial-transport

Feste Materialien

Flüssigkeiten

Gase



____________

Endprodukt od. endg. Material-zustand

Material-zufuhr (u. Energie/Signal)Energiezufuhr:

Öl, Gas, Druck, Elektrizität

Energie- steuerung:Umwandlung bzw. Regelung der zugef. Energie

Der Motor:Umwandlung d. Energie in mech. (Dreh)- Energie

Übertragung:Umwandlung d. Energie bzw. Regelung d. mech. Energie

Arbeits- maschine: Verarb. d. Materials (u. d. Energie/ Signale) mit. mechanisc her EnergieStellen für eine mögliche Drehzahlregelung

Antriebssystem

EnergieflussFluss der mechanischen Energie

_______________

Alle zuvor bereits erwähnten Maschinen werden von Elektro-motoren angetrieben. Man kann sagen, dass der Elektromo-tor das Arbeitspferd der Industie ist. In diesem Kapitel wer-den die Elektromotoren - besonders der Drehstromkäfigläu-fermotor - näher betrachtet. Dieser Motor ist der am häufig-sten in der Industrie verwendete Motor.

Kapitel 3 - Das Arbeitspferd derIndustrie: der Elektromotor

Jede Maschine besteht, wie oben dargestellt, aus vierKomponenten. Diese Komponenten sind Energieregelung,Motor, Kraftübertragung und Arbeitsmaschine. Die drei erstenbilden zusammen das sogenannte “Antriebssystem”. Mit demAntriebssystem kann Energie, normalerweise elektrischeEnergie, in mechanische Energie umgewandelt werden, diedann von der Arbeitsmaschine verwendet wird. DasAntriebssystem wird über die Einspeisug mit Energie versorgt.

Die Drehzahlregelung kann z.B. durch einen Frequenzumrichterals Energie-Regelungskomponente, einen Motor mit zweiDrehzahlen als Motorkomponente und einem Getriebe alsÜbertragungskomponente realisiert werden.

Wie bereits erwähnt, werden die meisten Maschinen vonElektromotoren angetrieben. Elektromotoren können in AC- undDC-Motoren unterteilt werden. AC-Motoren, insbesondereKäfigläufermotoren, sind die in der Industrie am weitestenverbreiteten Motoren.

Die meistenMaschinenwerden vonElektromotorenangetrieben


Frequenzumrichter Motor

Gleich-richter

DC-Kreis Wechselrichter-einheit

Die Fähigkeit des AC-Motors, elektrische Energie in mechani-sche Energie umzuwandeln, basiert auf dem Prinzip der elek-tromagnetischen Induktion. Die Spannung in den Statorwick-lungen bildet den Strom und den Magnetfluss. Die Richtungdieses Flusses kann mit der Korkenzieherregel aus dem Sta-torstrom bestimmt werden.

Durch Änderung der Spannungsrichtung in der Statorwicklung,kann auch die Flussrichtung geändert werden. durch Ände-rung der Spannungsrichtung in der Wicklung des Drehstrom-motors in der richtigen Reihenfolge bewirkt der Magnetflussdie Motorrotation. Der Rotor des Motors folgt dann diesem Flussmit einem bestimmten Schlupf. Dies ist das Grundprinzip, dasbei der Regelung der AC-Motoren verwendet wird.

Diese Regelung kann mit Hilfe eines Frequenzumrichters rea-lisiert werden. Wie der Name schon sagt, ändert ein Frequenz-umrichter die Frequenz und die Spannung des Stroms. EinFrequenzumrichter besteht aus drei Teilen. Ein 3-phasigerStrom mit 50Hz wird in den Gleichrichterteil eingespeist, woer in einen Gleichstrom umgewandelt wird. Die DC-Spannungwird in den DC-Zwischenkreis eingespeist, in dem die pulsie-rende Spannung gefiltert wird. Der Wechselrichter verbindetdann in einer definierten Reihenfolge die einzelnen Motorpha-sen entweder mit der negativen oder der positiven DC-Sam-melschiene.

Um die in der Abbildung dargestellte Flussrichtung zu erhal-ten, müssen die Schalter V1, V4 und V5 geschlossen sein.Damit der Fluss links herum dreht, muss der Schalter V6 ge-schlossen und der Schalter V5 geöffnet sein. Wenn der SchalterV5 nicht geöffnet ist, entsteht ein Kurzschluss. Der Fluss hatsich um 60° nach links gedreht.

MotorenwandelnelektrischeEnergie inmechanischeEnergie um

Das Arbeitspferd der Industrie: der Elektromotor


Im Wechselrichter gibt es acht verschiedene Schalterstellungen.In zwei Stellungen ist die Spannung Null, d.h. alle Phasensind entweder negativ oder positiv an dieselbe DC-Sammel-schiene angeschlossen. Somit liegt bei den übrigen sechsSchalterstellungen Spannung in der Motorwicklung an, die denMagnetfluss erzeugt.

In der Abbildung sind diese sechs Schalterstellungen und dieRichtungen des Magnetflusses dargestellt, die die Spannungin der Wicklung erzeugen. Spannung erzeugt auch Strom inder Wicklung, die Stromrichtung wird für jede Phase mit Pfeilenangegeben.

In der Praxis ist die Regelung natürlich nicht so einfach, wiehier dargestellt. Der Magnetfluss erzeugt Ströme im Rotor.Diese Rotorströme machen die Sache komplizierter. ExterneEinflüsse wie die Temperatur oder Laständerungen könnenebenfalls zu Problemen bei der Regelung führen. Mit derheutigen Technik und dem heutigen Wissen kann diesenSchwierigkeiten wirksam begegnet werden.

Elektrische drehzahlgeregelte Antriebe bieten auch noch weitereVorteile, wie Energieersparnis, da der Motor nicht mehrelektrische Energie verbraucht als notwendig. Außerdem istdie Regelung besser als mit herkömmlichen Methoden, daelektrische drehzahlgeregelte Antriebe auch die Möglichkeitder stufenlosen Regelung besitzen.

Frequenz-umrichterregeln elektro-magnetischeInduktion



Antriebs-verluste (therm.)

Eingangs-leistung (elektrisch)

Motor-verluste (therm.)

Ausgangsleistung

Eingangsleistung

Leistungs- Abgabe(mechanisch)

M

Der Gesamtwirkungsgrad des Antriebssystems hängt von denVerlusten im Motor und seiner Regelung ab. Sowohl die Verlustedes Antriebs als auch des Motors sind thermisch, das heißt,sie treten in Form von Wärme auf. Die Eingangsleistung desAntriebssystems ist elektrisch, während die Ausgangsleistungmechanisch ist. Deshalb sind für die Berechnung desWirkungsgrades (h) sowohl Kenntnisse in Elektrotechnik alsauch Maschinenbau notwendig.

Die elektrische Eingangsleistung Pin hängt von der Spannung

(U), dem Strom (I) und der Leistungsfaktor ab (cosf). DerLeistungsfaktor sagt aus, welcher Anteil der gesamtenelektrischen Leistung die Wirkleistung ist. Für die Erzeugungder erforderlichen mechanischen Leistung ist die Wirkleistungmaßgebend. Die Blindleistung wird zur Erzeugung derMagnetisierung im Motor benötigt.

Die mechanische Ausgangsleistung Pout

hängt von dem Pro-dukt aus erforderlichem Drehmoment (M) und der Drehzahl(n) ab. Je höher die erforderliche Drehzahl oder das erforderli-che Drehmoment ist, desto höher muss die Leistung sein. Dieswirkt sich direkt auf die Leistungsaufnahme des Antriebssy-stems aus. Wie bereits erwähnt, regelt der Frequenzumrichterdie Spannung, die in den Motor eingespeist wird und bestimmtauf diese Weise direkt den Leistungsverbrauch des Motorsund des geregelten Prozesses.

Die elektrische Schaltung mit Transistoren ist sehr wirkungs-voll, so dass sich ein sehr hoher Wirkungsgrad des Frequenz-umrichters von 0,97 bis 0,99 ergibt. Der Wirkungsgrad des Mo-tors liegt üblicherweise zwischen 0,82 und 0,97 je nach Motor-größe und Nenndrehzahl. Man kann sagen, dass der Gesamt-wirkungsgrad im Nennarbeitspunkt des Antriebssystems beieiner Regelung mit Frequenzumrichtern immer über 0,8 liegt.

Die Effizienzdes Antriebs-systems



BeschleunigenVerzögern

Beschleunigen Verzögern

M M

M M

In manchen Fällen ist eine Umkehr der Drehrichtung erfor-derlich. Damit kann auch die Änderung der Momentenrich-tung notwendig werden. Diese Faktoren zusammen bildeneinen sogenannten “Vier-Quadranten-Antrieb”. Der Namestammt von den vier verschiedenen Quadranten (I bis IV),die in der Abbildung dargestellt sind.

Quadrant I: Im ersten Quadrant dreht der Motor im Uhrzeiger-sinn. Da das Drehmoment die gleiche Richtung wie die Dreh-zahl hat, arbeitet der Motor motorisch, d.h. er wandelt elektri-sche Energie in mechanische um.

Quadrant II: Im zweiten Quadrant dreht der Motor immer nochim Uhrzeigersinn, das Drehmoment hat jedoch die entgegen-gesetzte Richtung, jetzt arbeitet der Motor generatorisch, d.h.er wandelt mechanische Energie in elektrische um.

Quadranten III und IV: Im dritten und vierten Quadrant drehtder Motor gegen der Uhrzeigersinn und der Antrieb verhältsich umgekehrt wie in Quadrant I und II.

Bei Einsatz eines Frequenzumrichters können Änderungender Momentenrichtung unabhängig von der Drehrichtung rea-lisiert werden. Damit der vier-Quadranten-Antrieb effizientläuft, ist eine Bremseinrichtung notwendig. Diese Art derRegelung ist besonders bei Kranapplikationen notwendig, beidenen sich die Drehrichtung ändern kann, die Momentenrich-tung aber gleich bleibt.

Manchmal sindDrehrichtungs-umkehr odereine Änderungder Momenten-richtungerforderlich



mDas Motormoment M muss größer als das Lastmoment Msein, damit der Kasten angehoben wird

l

MM

Der Motor muss das notwendige Drehmoment erzeugen, umdas Lastmoment zu überwinden. Das Lastmoment besteht ausder Reibung, dem Trägheitsmoment der beweglichen Teile undder Last selbst, abhängig von der Applikation. In der in derAbbildung dargestellten Anwendung muss, wenn der Kastennach oben gezogen werden soll, das Motormoment größer seinals das Lastmoment, das von der Masse des Kastens ab-hängt.

Die Lastfaktoren ändern sich entsprechend der Anwendung.Bei einer Zerkleinerungsmaschine beispielsweise hängt dasLastmoment nicht nur von der Reibung und dem Trägheitsmo-ment ab, sondern auch von der Härte des zu zerkleinerndenMaterials. Bei Lüftern und Gebläsen wirken sich Luftdruckän-derungen auf das Lastmoment aus usw.


Die Last, dieReibung unddas Trägheits-momentbremsen dieDrehung


MM

M MM M

MM MM MM

Auf jeden Fall muss vor Auswahl des Motors das Lastmomentbekannt sein. Außerdem muss die erforderliche Drehzahlbekannt sein. Nur dann kann für die Applikation ein geeigneterMotor ausgewählt werden.

Wenn der Motor zu klein ist, werden die Anforderungen nichterfüllt werden und es können schwerwiegende Problemeentstehen. Bei Kranapplikationen z.B. ist ein zu kleiner Motoreventuell nicht in der Lage, die Last schnell genug auf dieerforderliche Höhe zu heben. Die Last kann sogar, wie in derAbbildung dargestellt. ganz herunterfallen. Dies wäre fürPersonen, die im Hafen oder auf einer Baustelle arbeiten, wodieser Kran eingesetzt wird, verhängnisvoll. Folgende Formelwird zur Berechnung des Motornennmoments verwendet:

M[Nm]=9550 x P[kW]n[1/min]

Der Motormuss dasLastmomentüberwinden

Das Arbeitstier der Industrie: der Elektromotor


MMotor

MLast

istn

Mist

M

Die Drehmoment/Drehzahlkurve eines Motors ist einmaligund muss für jeden Motortyp separat berechnet werden. Einetypische Drehmoment/Drehzahlkurve ist in dem Diagrammals M

Motor dargestellt. Wie zu sehen ist, wird das maximale

Lastmoment knapp unterhalb der Nenndrehzahl erreicht.

Das Lastmoment MLast

erhöht sich normalerweise mit derDrehzahl. Die Erhöhung kann anwendungsabhängig linear oderquadratisch sein. Der Motor beschleunigt automatisch solange,bis das Lastmoment und das Motormoment gleich sind. DerPunkt ist in der Abbildung als Schnittpunkt von M

Motor und M

Lastdargestellt. Das Istmoment (MIst) wird auf der y-Achse und dieIstdrehzahl (n

Ist) auf der x-Achse dargestellt.

Nach diesen Prinzipien arbeitet ein herkömmlicher Käfigläu-fermotor. Mit einem Frequenzumrichter ergibt sich eine opti-male Regelleistung für den Motor und das gesamte Antriebs-system. Dies wird noch an anderer Stelle in diesem Handbuchbehandelt.

Antriebs-moment undLastmomentsind bei Nenn-drehzahl gleich



Störung

Materialhärte

Wasserfluss

ProzessEingangAusgang

StörungenTypische Anwendungsfälle

Applikation Eingang Ausgang

Tauchpumpe

Pumpenapplikation

Lüfter

Sägelinie

Schneckenförderer

Fülleinrichtung

Mahlwerk

Wasserstand

Wasserstand

Wärmebedarf

Stammdurchm.

Druck

Härte des Holzes

Verschleiß

Materialvolumen

Last

Bei den meisten Prozessen gibt es mindestens eine Variable.Aufgrund dieser Variablen ist eine Prozessverstellung notwen-dig. Deshalb erfordern veränderliche Prozesse und variableMaterialmengen eine Regelung.

In diesem Kapitel werden Prozesse und ihre Variablen behan-delt. Außerdem werden die verschiedenen Regelverfahren dar-gestellt.

Kapitel 4 - Variable Mengenbenötigen eine Regelung

An einem Prozess können viele verschiedene Parameterbeteiligt sein. Die am häufigsten vorkommenden sind Eingabe,Ausgabe und Störung. Diese Parameter müssen entwederkonstant sein oder müssen sich nach einem vorgegebenenMuster ändern. Wie im ersten Kapitel bereits erläutert, gibt esimmer Eingaben und Ausgaben in einem Prozess und fastimmer auch Störungsgrößen.

Bei manchen Prozessen gibt es keine Störung und die Einga-be ist konstant. Diese Art von Prozess arbeitet ohne Dreh-zahlregelung. Wenn sich die Ausgangsparameter jedoch än-dern müssen, ist der Eingang variabel oder es liegt eine Stö-rung vor, dann kann die Drehzahlregelung die Lösung zur Er-füllung der Prozessanforderungen sein.

In der Tabelle sind einige Prozesse aufgeführt, die eine Dreh-zahlregelung erfordern. Dort sind auch die Gründe für die Re-gelung angegeben: Eingabe, Störung oder Aufgabe.

VeränderlicherMaterialflussund Eingangs-/Ausgangs-anforderungen


Pumpenbeispiel

Drosselregelung Bypass-Steuerung Ein/Aus-Steuerung

Einfacher Aufbau

Optimale Kapazität schwer erreichbar

Eine Erhöhung der Kapazität bedeutet einen Umbau der AnlageSteuerung durch Drosselregelung, Rückführung oder Start und Stopp

Gefahr einer Beschädigung beim Anlauf. Hohe Betriebskosten

Es gibt eine Vielzahl einfacherer Regelungsverfahren wie dieDrossel- oder Bypassregelung. Der Aufbau solcher Einrich-tungen ist normalerweise sehr einfach und scheint auf denersten Blick kostengünstig zu sein.

Es gibt jedoch viele Nachteile. Die optimale Prozesskapazität,beispielsweise, die die beste Qualität liefert, ist nur sehr schwermit einer einfachen Regelung zu erreichen. Eine Steigerungder Produktionskapazität erfordert normalerweise einen Umbaudes gesamten Prozesses und bei jedem direkten Einschaltenbesteht die Gefahr eines Schadens an der Elektrik und/oderMechanik.

Die einfachen Regelungsverfahren sind auch energieinten-siv, damit sind die Gesamtbetriebskosten höher als beimEinsatz drehzahlgeregelter Antriebe, außerdem belasten siedie Umwelt stärker z.B. durch CO

2-Emissionen aus Kraftwer-

ken. Deshalb sind über die gesamte Betriebsdauer gerech-net die Investitions- und Betriebskosten bei einfachen Rege-lungsverfahren deutlich höher als bei drehzahlgeregeltenAntrieben.

EinfachereRegelungs-verfahren

Variable Mengen benötigen eine Regelung


Was würden Sie in dieser Situation tun?

1. Den Fuß auf dem Gas lassen und die Geschwindigkeit durch Bremsen regulieren.

2. In einen niedrigeren Gang schalten und die Drehzahl des Motors verringern.

Für die meisten Systeme ist VSD das beste Regelungsver-fahren. Stellen Sie sich vor, Sie fahren Auto. Wenn Sie von derAutobahn kommen und in ein Wohngebiet einbiegen, müssenSie die Geschwindigkeit reduzieren.

Das beste Weg ist natürlich, die Drehzahl des Motors zu ver-mindern, indem Sie den Fuss vom Gaspedal nehmen und even-tuell in einen niedrigeren Gang schalten. Eine andere Möglich-keit ist, in demselben Gang zu bleiben, den Fuss auf demGas zu lassen und die Geschwindigkeit einfach durch Brem-sen zu reduzieren. Dieses Vorgehen würde nicht nur zu einemVerschleiß des Motors und der Bremsen führen, sondern auchviel Kraftstoff verbrauchen und die Kontrolle über das Fahr-zeug vermindern. Darüber hinaus wäre das eigentliche Ziel,wäre nur bedingt erreicht.


Das besteRegelverfahrenist derdrehzahlge-regelteAntrieb


Mechanische Regelung

Hydraulikkupplung

DC-Antrieb

Frequenzumrichter

Elektroraum Prozess

Oben sind vier der am häufigsten in der Industrie eingesetztendrehzahlgeregelte Antriebe dargestellt. Bei der mechanischenDrehzahlregelung werden normalerweise Riemenantriebeverwendet und die Regelung erfolgt durch die Verschiebungkegelförmiger Rollen. Die Verschiebung erfolgt manuell oderdurch Stellmotoren.

Bei der Hydraulikkupplung wird das Turbinenprinzip verwendet.Durch Veränderung der Ölmenge in der Kupplung ändert sichdie Drehzahldifferenz zwischen der Antriebswelle und derangetriebenen Welle. Die Ölmenge wurd durch Pumpen undVentile geregelt.

Beim DC-Antrieb wandelt ein Gleichrichter die Energie aus derSpannung in einen Gleichstrom um. Im Motor wandelt einmechanischer Wechselrichter, ein Kommutator, den Gleich-strom in Wechselstrom um.

Im Frequenzumrichter oder im AC-Antrieb wird ein Standard-Käfigkäufermotor verwendet, so dass keine mechanischeKummutation erforderlich sind. Die Drehzahl des Motors wirddurch einen Frequenzumrichter geregelt, der, wie zuvor bereitsbeschrieben, die Frequenz der Motorspannung ändert. DerFrequenzumrichter selbst wird über elektrische Signalegeregelt.

In der Abbildung wird für die einzelnen drehzahlgeregeltenAntriebstypen die Anordnung der Regeleinrichtungen darge-stellt. Bei den mechanischen und hydraulischen Antrieben istdie Regeleinrichtung zwischen Motor und Arbeitsmaschineeingebaut, wodurch die Wartung erschwert wird.

Bei den elektrischen Antrieben sind alle Regelungssystemeim Elektroraum installiert und nur der Antriebsmotor befindetsich am Prozess. dies ist nur einer der Vorteile der elektrischenDrehzahlverstellung. Weitere Vorteile werden nachfolgenddargestellt.


Mechanische,hydraulischeund elektrischedrehzahlgeregelteAntriebe

Hydraulik-kupplung

DC-Antrieb

AC-Antrieb


Optimale Drehzahl

2. Produktionsanstieg

4. Höchste Qualität

Elek. Drehzahlgeregelte Antriebe

Drehzahl

3. Energieeinsparung

1. Einsparung bei der Wartung Zeit

Markt der Drehzahlgeregelten AntriebeIm Jahr 2000: Europa (geschätzt)

Drehz.-geregelte Antriebe

Marktgröße(Mio. USD)

AC-Antriebe

Marktanteil(%)

DC-Antriebe

Mechanisch

Hydraulisch

Gesamt

____________________

_________ __________

Quelle: Frost&Sullivan, 1996

Dies sind die vier wichtigsten Argumente für den Einsatzelektrischer drehzahlgerergelter Antriebe, die zusammen mit dengeschätzten Marktanteilen auf dem europäischen Markt im Jahr2000 aufgeführt werden. Die vier wichtigsten Vorteile derelektrischen Drehzahlverstellung werden an den Wendepunktender Drehzahlkurve verdeutlicht.

Das direkte Einschalten belastet den Motor und die Elektrik.Bei elektrischen Regelantrieben ist ein Sanftanlauf möglich, dersich direkt auf die Wartungskosten auswirkt.

Bei der Auslegung eine Anlage wird normalerweise eine Reservefür künftige Produktivitätssteigerungen berücksichtigt. DerAustausch der Einrichtungen mit konstanter Drehzahl, mit demZiel, ein höheres Produktionsvolumen zu erreichen, kostet Zeitund Geld. Bei einem AC-Antrieb sind Drehzahlerhöhungen von5 bis 20 Prozent in der Regel kein Problem und die Produktionkann ohne Zusatzinvestitionen gesteigert werden.

Bei vielen Prozessen schwankt das Produktionsvolumen. Einemechanische Änderung zur Anpassung des Produktions-volumens ist wenig effizient. Bei elektrischen drehzahlgeregeltenAntrieben kann eine Änderung des Produktionsvolumens durchÄnderung der Motordrehzahl erreicht werden. Hierdurch wirdbesonders bei Pumpen- und Lüfterapplikationen viel Energiegespart, da die Wellenleistung proportional zur dritten Potenzder Durchflussrate ist.

Die mit elektrischen Antrieben erreichbare Genauigkeit derDrehzahlregelung führt zu einer Optimierung des Prozesses.Die optimale Prozessregelung ergibt die beste Qualität desendproduktes, d.h. den höchsten Gewinn für den Kunden.

Aufgrund dieser Vorteile haben die elektrischen Antriebe einemarktbeherrschende Stellung, wie aus der Tabelle oben ersichtlichist. AC- und DC-Antriebe machen im Jahr 2000 zusammen mehrals 75% und AC-Antriebe mehr als 50% des gesamten VSD-Marktes in Europa aus.


ElektrischedrehzahlgeregelteAntriebe habenden größtenMarktanteil

Wartungskosten

Produktivität

Höhere Qualität

Energieersparnis


Weltmarkt 1995: 3500 Mio. USDJährliche Wachstumsrate 7 %

Quelle: Frost & Sullivan & ARC - 1993

In diesem Diagramm werden die Wachstumserwartungen aufdem Markt der elektrischen drehzahlgeregelten Antriebe fürdas Jahr 2000 dargestellt. Es wird deutlich, dass der Marktder AC-Antriebe um etwa 10 % pro Jahr wächst und somitzum Wachstum des gesamten Marktes der elektrischen Anla-gen und Antriebe beiträgt. Der DC-Markt bleibt relativ kon-stant.

Wie in diesem Handbuch bereits erläutert, hat der AC-Antriebviele Vorteile gegenüber anderen Verfahren der Prozessrege-lung. Ein wesentlicher Unterschied zwischen AC- und DC-An-trieben besteht in der aufwendigen Art, hohe Schutzarten beiDC-Motoren zu realisieren.

Der Markt derAC-Antriebewächst schnell



Motor-regelung

Stromzufuhr

BenutzerschnittstelleProzessschnittstelle

ProzessMotor

In diesem Kapitel werden die einzelnen Merkmale des AC-Antriebs und die Leistungsmöglichkeiten des Antriebs näherbetrachtet.

Kapitel 5 - Der AC-Antrieb: das führendeRegelverfahren

In dieser Abbildung werden die Grundfunktionen eines AC-Antriebs dargestellt. Die Motorregelung besteht bei einem AC-Antrieb aus vier Komponenten. Diese Komponenten sind dieBenutzerschnittstelle, der Motor, die Stromversorgung und dieProzess-Schnittstelle.

Der Antrieb wird über eine Einspeisung mit dem notwendigenStrom versorgt. Kriterien für die Auswahl des Antriebs sind dieEinspeisespannung und ihre Frequenz. Der AC-Antrieb wan-delt die Frequenz und die Spannung um und versorgt den Motor.Dieser Umwandlungsprozess wird über Signale vom Prozessoder vom Benutzer über die Prozess- und Benutzerschnitt-stellen geregelt.

Über die Benutzerschnittstelle kann der AC-Antrieb beobach-tet und verschiedene Prozessinformationen über den AC-An-trieb gewonnen werden. Hierdurch kann der Antrieb leicht inandere Prozessführungseinrichtungen und übergeordnete Leit-systeme integriert werden.

Die Grund-funktioneneines AC-Antriebs


Kurve 2

Kurve 1

Kurve 1

Kurve 2 &3

Kurve 3

Last

Last

M/Mn

Wenn der Motor nicht mit einem Frequenzumrichter betriebenwird, können seine Belastbarkeitskurven nicht verändertwerden. Er wird bei einem festgelegten Drehmoment einebestimmte Drehzahl erzeugen und das maximale Drehmomentkann nicht überschritten werden.

Bei einem Antrieb mit Frequenzumrichter gibt es verschiede-ne Belastungsmöglichkeiten. Die Standardkurve, Kurve 1 inder Abbildung, stellt die Dauerbelastungskennlinie dar. AndereKurven können nur für bestimmte Zeiten verwendet werden,da das Kühlsystem des Motors nicht für diesen Schwerlast-betrieb ausgelegt ist.

Diese erhöhte Belastbarkeit kann z.B. beim Start notwendigsein. Bei bestimmten Applikationen ist beim Start das zweifa-che Drehmoment erforderlich. Bei einem Frequenzumrichterist dies möglich, d.h. dass ein Motor für den normalen Ge-brauch ausgelegt werden kann. Hierdurch werden die Investiti-onskosten reduziert.

Um diese Möglichkeiten nutzen zu können, ist es sehr wichtig,dass Last, AC-Antrieb und Motor zueinander passen. Andernfallskommt es zu einer Überhitzung und Beschädigung des Motorsoder des Wechselrichters.

AC-Antrieb: das führende Regelverfahren

DieBelastbarkeits-kurven einesMotors mitAC-Antrieb


AC-Antriebe haben noch weitere interne Merkmale und Funk-tionen, die in manchen Fällen für eine Verbesserung der Pro-zessführung erforderlich sind. Beispiele für diese Merkmalesind oben aufgelistet. Bei den Eingaben und Ausgaben bei-spielweise können verschiedene Prozessinformationen in denAntrieb eingegeben werden und der Motor wird entsprechendgeregelt. Alternativ kann die Last begrenzt werden. Die Lastkann so begrenzt werden, dass die Arbeitsmaschine und dasgesamte Antriebssystem geschützt werden.

In den folgenden Abschnitten werden diese Merkmale im Detailvorgestellt.

Merkmale desAC-Antriebsfür einebessereProzessregelung


Wichtige Merkmale:• Eingaben und Ausgaben• Reversierfunktion• Rampenzeiten-Beschleunigung/Verzögerung• Variable Drehmoment V/Hz-Einstellungen• Drehmomenterhöhung• Ausschluss mechanischer Schwingungen• Drehmomentgrenzwerte• Netzausfallregelung• Stillstandfunktion• Schlupfkompensation• Fliegender Start


Drehrichtungsumkehr mit Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen

Einstellungen der Drehmomentregelung

VerzögerungszeitBeschleunigungszeit

Drehmomenterhöhung

variable Drehmomenteinstellungen

Beseitigung mech. Vibrationen

nM

Mit einem AC-Antrieb kann die Drehrichtung des Motors aufeinfache Weise umgekehrt werden. Bei den Frequenzumrich-tern von ABB geschieht dies einfach per Knopfdruck. Außer-dem können unterschiedliche Beschleunigungs- und Verzöge-rungszeiten eingestellt werden. Darüber hinaus kann die Formder Rampe auch nach den Wünschen des Kunden gestaltetwerden. In dem Diagramm oben links wird eine S-Rampe darge-stellt. Eine andere Möglichkeit ist ein linearer Verlauf.

Die Drehmomentregelung ist mit einem AC-Antrieb relativeinfach. Die zuvor bereits vorgestellte Drehmomenterhöhungist notwendig, wenn ein sehr hohes Startmoment erforderlichist. Variable Einstellungen von Drehmoment bedeuten, dass dasmaximale Drehmoment bei einer niedrigeren Drehzahl alsnormalerweise üblich erreicht werden kann.

Mechanische Schwingungen können durch Umgehung der kriti-schen Drehzahlen verhindert werden. Das bedeutet, wenn einMotor nahezu auf die kritische Drehzahl beschleunigt wird,verhindert der Antrieb, dass die Istdrehzahl des Motors demDrehzahl-Sollwert folgt. Nach Überschreiten des kritschen Punk-tes kehrt der Motor sehr schnell zu der normalen Kurve zurückund überschreitet so den kritischen Drehzahlbereich.

AC-Antrieb das führende Regelverfahren

Drehrichtungs-umkehr

Drehmomentregelung

Verhinderungmechanischer

Schwingungen


Blockierbereich

Netzausfallregelung Blockier-Funktion

Drehmoment

Zwischenkreisspannung (U )

Ausgangsfrequenz (f)

Motormoment (M )

Blockier-frequenz

rete

dc

m

dc

M

M

Die Funktion Netzausfallregelung wird bei einem Wegfall derEinspeisespannung verwendet. In einer derartigen Situation läuftder AC-Antrieb mit der kinetischen Energie des drehenden Motorsweiter. Der Antrieb bleibt voll funktionsfähig, solange der Motordreht und Energie in den Umrichter über den Motor fließt.

Mit einem AC-Antrieb kann ein festgebremster Motor geschütztwerden. Überwachungsgrenzen können eingestellt und dieReaktion des Motors auf das Festbremsen können eingestelltwerden. Der Schutz wird aktiviert, wenn drei Bedingungengleichzeitig erfüllt sind.

1. Die Antriebsfrequenz muss unterhalb der voreingestelltenBlockiert-Frequenz liegen.

2. Das Motormoment muss über den zulässigen Höchstwert,der von der Antriebssoftware errechnet wurde, steigen. DieserWert ändert sich ständig in Abhängigkeit verschiedener Fak-toren z.B. der Motortemperatur. Wenn die Bedingungen 1 und2 erfüllt sind, befindet sich der Motor in dem in der Abbildungmarkierten Blockiert-Bereich.

3. Die letzte Bedingung ist die, dass sich der Motor länger alsdie vom Benutzer festgelegte Zeit im Blockiert-Bereich befundenhat.


Netzausfall-regelung

Blockiert-Meldung


Schlupfkompensation Fliegender Start

Drehmoment

SchlupfMotordrehzahl (n)

Umrichterfrequenz (f)

Wird das Lastmoment des Motors erhöht, vermindert sich dieDrehzahl des Motors, wie in der Abbildung oben links dargestellt.Um diesen Schlupf zu kompensieren, kann die Drehmoment/Drehzahl-Kurve mit dem Frequenzumrichter so geändertwerden, dass die Erhöhung des Drehmoments ohne Einbruchder Drehzahl erfolgt.

Die Eigenschaft fliegender Start wird benötigt, wenn ein Motoran ein Schwungrad oder eine Maschine mit großem Massen-trägheitsmoment angeschlossen ist. Wird ein Umrichter auf einrotierendes System aus Motor und Schwungrad geschaltet,wird der Motor durch die Funktion fliegender Start exakt mitder richtigen Spannung und Frequenz gespeist. Ohne die Ei-genschaft fliegender Start würden in einer solchen SituationProbleme auftreten.


Schlupf-kompensation

Fliegender Start


Motor

Stör-festigkeit

Störungen

StörungenStör-festigkeit

Einspeisung

Schaltschrank

Jedes Antriebssystems muss in der Lage sein, mit verschie-denen Umweltbelastungen wie Feuchtigkeit oder elektrischenStörungen fertig zu werden. Der Käfigläufermotor ist sehr kom-pakt und kann unter extremen Bedingungen eingesetzt wer-den. Die Schutzart IP 54 gewährleistet den Einsatz in einerstaubigen Umgebung und schützt vor Spritzwasser aus unter-schiedlichen Richtungen.

Der Frequenzumrichter hat normalerweise die Schutzart IP 21.Das heißt, die spannungsführenden Teile können nicht berührtwerden und von oben herunter tropfendes Wasser verursachtkeine Schäden. Wenn eine höhere Schutzart erforderlich ist,kann der Antrieb in einen Schrank mit der erforderlichen Schutz-art eingebaut werden. In solchen Fällen muss sichergestelltsein, dass die Temperatur im Schrankinneren die zulässigenGrenzwerte nicht überschreitet.

Ein weiteres, wichtiges Umweltmerkmal ist die elektromagne-tische Verträglichkeit (EMV). Es ist sehr wichtig, dass einAntriebssystem die EMV-Richtlinien der Europäischen Unionerfüllt. EMV bezieht sich sowohl auf die leitungsgebundenenals auch die abgestrahlten Störungen.

Weitere Informationen über die EMV-Richtlinien und ihre Aus-wirkungen auf Antriebe finden Sie in ABB Technische Anlei-tung Nr. 2, EMV-Handbuch.

Umwelteinflüsse


EMV


OhneAC-Antrieb 97%

Drehstrommotoren mit und ohne Umrichter

MitAC-Antrieb 3%

Zusätzlich zu ihren technischen Vorteilen bieten AC-Antriebeauch kostenmäßige Vorteile. Dieses Kapitel befasst sich mitdiesen Vorteilen, die nach Investitions-, Installations- und Be-triebskosten unterteilt werden.

Kapitel 6 - Kostenvorteile der AC-Antriebe

Gegenwärtig werden immer noch viele Motoren ohne AC-Antriebe mit Drehzahlregelung verkauft. Dieses Diagramm zeigt,wie viele Motoren kleiner als 2.2 kW mit Frequenzumrichternund ohne Frequenzumrichter verkauft werden. Nur 3% derMotoren in diesem Leistungsbereich werden pro Jahr mit Fre-quenzumrichter ausgeliefert; 97% werden ohne Umrichter ver-kauft.

Dies ist erstaunlich, wenn man das zuvor Gesagte bedenkt.Dies gilt umso mehr bei einer näheren Betrachtung der Kosteneines ACAntriebs verglichen mit konventionellen Regelungs-verfahren. Zunächst soll ein kurzer Überblick über die AC-An-triebs-Technik im Vergleich zu anderen Regelungsverfahrengegeben werden.


Kostenvorteile der AC-Antriebe

Die AC-Antriebs-Technologie unterscheidet sich fundamentalvon anderen, einfacheren mechanischen Regelverfahren. Siekann mit dem Unterschied zwischen einem Luftschiff und ei-nem modernen Flugzeug verglichen werden.

Man kann die AC-Antriebs-Technologie mit der Entwicklungvon der Diskette zur CD-ROM vergleichen. Obwohl eine Dis-kette das einfachere Speichermedium ist, kann sie nur einenBruchteil der Informationen einer CD-ROM speichern.

Die Vorteile dieser beiden Innovationen sind allgemein bekannt.Ähnlich ist es bei der AC-Antriebs-Technik, die auch auf einervöllig anderen Technik beruht wie die früheren Regelverfahren.In diesem Handbuch wurden die Vorteile des AC-Antriebs ver-glichen mit einfacheren Regelmverfahren dargestellt.

TechnischeUnterschiedezwischenanderenSystemen undAC-Antrieben


Direktstart + Drosselung

Direktstart + Ein/Aus

Frequenz-umrichter

Elektronik

Mechanik

Herkömmliche Verfahren AC-Antriebsregelung

TANK

Um einen richtigen Kostenvergleich vornehmen zu können,müssen die Konfigurationen der verschiedenen Regelverfah-ren untersucht werden. Eine Pumpenapplikation soll als Bei-spiel dienen. Bei den herkömmlichen Verfahren gibt es immermechanische und elektrische Teile.

Bei der Drosselregelung werden Sicherungen, Schütze undDrosselspulen auf der elektrischen Seite und Ventile auf dermechanischen Seite benötigt. Bei der Ein/Aus-Regelung wer-den die gleichen elektrischen Komponenten sowie ein Druck-tank auf der mechanischen Seite benötigt. Der AC-Antrieb bieteteine neue Lösung. Eine Mechanik wird nicht benötigt, da dieRegelung immer auf der elektrischen Seite erfolgt.

Ein weiterer Vorteil im Hinblick auf die Kosten kann darin be-stehen, dass mit einem AC-Antrieb ein herkömmlicher drei-phasiger Motor verwendet werden kann, der erheblich billigerist als einphasige Motoren, wie sie häufig in anderen Regel-verfahren eingesetzt werden. Die einphasige 220V Einspei-sung kann bei Leistungen unter 2,2 kW weiterhin verwendetwerden.

KeinemechanischenTeileerforderlich



In dieser Auflistung werden die Merkmale der konventionellenRegelverfahren mit denen des AC-Antriebs verglichen sowieihren Einfluss auf die Kosten. Bei konventionellen Verfahren gibtes sowohl elektrische als auch mechanische Komponenten, diein der Regel einzeln gekauft werden müssen. Die Kosten sindnormalerweise höher als ein Gesamtpaket.

Außerdem haben mechanische Teile einen höheren Verschleiß.Dies wirkt sich direkt auf die Wartungskosten aus und auf lan-ge Sicht ist die Wartung ein wichtiger Kostenfaktor. Bei her-kömmlichen Verfahren gibt es auch noch viele elektrischenKomponenten. Die Installationskosten sind mindestens dop-pelt so hoch, wenn es mehrere verschiedene Komponententy-pen gibt.

Abschließend bleibt noch zu erwähnen, dass eine mechani-sche Regelung sehr viel mehr Energie verbraucht, wohinge-gen AC-Antriebe praktisch Energie sparen. Hierdurch werdennicht nur Kosten gespart, sonder n aufgrund der vermindertenEimissionen aus Krafwerken auch die Umwelt entlastet.

Kostenfaktoren


Konventionelles Verfahren: AC-Antrieb:- elektrische und - alles in einem

mechanische Teile- viele elektrische Teile - nur eine elektrische

Komponente- mech. Teile benötigen - keine mech. Teile,

regelmäßige Wartung verschleißfrei- mechanische Regelung - energiesparend

ist energieintensiv


Preisvergleich bei Pumpen

DM

Mechanik

Elektronik

Motor

Drossel- regelung (Ind.)

Drossel-regelung (Haus.)

Ein/Aus AC-Antrieb

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

In dieser Grafik werden die Struktur der Investitionen und derGesamtpreis der einzelnen Verfahren der Pumpenregelungdargestellt. Nur die Pumpe selbst wird nicht zu den Kostenhinzugerechnet, da ihr Preis gleich bleibt, unabhängig davon,ob sie mit einem AC-Antrieb oder Ventilen eingesetzt wird. Beider Drosselung gibt es entsprechend der Verwendung - in derIndustrie oder im Haudhalt - zwei Möglichkeiten. Für den indu-striellen Einsatz gelten für Ventile strengere Vorschriften, wo-durch sich die Kosten erhöhen.

Es wird deutlich, dass der Motor bei herkömmlichen Regelver-fahren wesentlich teuerer ist als beim AC-Antrieb. Der Grundist der beim AC-Antrieb verwendete dreiphasige Motor im Ge-gensatz zu dem bei anderen Regelverfahren verwendeten ein-phasigen Motor.

Der AC-Antrieb benötigt keine mechanischen Teile, so dasssich die Kosten drastisch reduzieren. Die mechanischen Teileselbst sind in den meisten Fällen kostengünstiger als einFrequenzumrichter, jedoch werden zusätzlich elektrische Teilebenötigt, die die Gesamtinvestitionskosten erhöhen.

Nach Berücksichtigung sämtlicher Kosten ist ein AC-Antriebimmer die kostengünstigste Investition verglichen mit ande-ren Regelverfahren. Nur die in privaten Haushalten verwende-te Drosselregelung ist günstiger als der AC-Antrieb. Dies sindjedoch nicht die Gesamtkosten. In Zusammehang mit den In-vestitionskosten müssen auch die Installations- und Betriebs-kosten betrachtet werden.


Investitions-kosten:Mechanischeund elektrischeKomponenten

Der Motor

Der AC-Antrieb


Nun werden die Installations- und Betriebskosten der Drossel-regelung mit denen des AC-Antriebs verglichen. Wie bereitserwähnt, gehören zur Drosselung sowohl elektrische als auchmechanische Komponenten. Das heißt, es wird das Doppeltean Montagematerial benötigt.

Der Installationsaufwand ist bei der Drosselregelung minde-stens doppelt so hoch wie beim AC-Antrieb. Der Einbau einesmechanischen Ventils in ein Rohr ist nicht so einfach und ko-stet Zeit. Ein mechanisches Ventil einsatzbereit zu machen,dauert normalerweise fünf Stunden. Für einen AC-Antrieb wirdnur eine Stunde benötigt. Durch Multiplikation dieser Stunden-zahl mit dem Stundensatz eines Monteurs ergeben sich dieGesamtinstallationkosten.

Für die Inbetriebnahme eines auf Drosselung basierendenSystems wird normalerweise nicht mehr Zeit benötigt als fürdie Inbetriebnahme eines Systems auf Basis eines AC-Antriebs. In beiden Fällen wird normalerweise eine Stundebenötigt. Nun können die Gesamtinstallationskosten addiertwerden. Dabei zeigt sich, dass bei einem AC-Antrieb bis zuDM 540 pro Installation gespart werden. Selbst wenn dieInvestitionskosten für die Drosselung niedriger sind als derPreis eines einphasigen Motors (ca. DM 400), macht sich derAC-Antrieb schon bezahlt, bereits bevor er auch nur eineSekunde eingeschaltet ist.


Installations-kosten:Drosselregelungim Vergleichzum AC-Antrieb

Drosselung AC-Antrieb

Installationsmaterial 40 DM 20 DM

Installationsarbeiten 5h x 130 DM = 1h x 130 DM =650 DM 130 DM

Inbetriebnahme- 1h x 130 DM = 1h x 130 DM =arbeiten 130 DM 130 DM

Gesamt 820 DM 280 DM

Einsparungen: 540 DM!


Durch viele Untersuchungen und Experiemte wurde bewiesen,dass eine Energieeinsparung von 50% leicht mit einem AC-Antrieb erreicht werden können. Das heißt, wo für eine Dros-selung ein Leistungsbedarf von 0,75 kW notwendig wäre, ge-nügen bei einem AC-Antrieb 0,37 kW. Wenn eine Pumpe proJahr 4000 Stunden arbeitet, würden für die Drosselung 3000kWh und für den AC-Antrieb 1500 kWh an Energie verbraucht.

Um die Einsprarungen zu berechnen, muss der Energiever-brauch mit dem länderspezifischen Energiepreis multipliziertwerden. In diesem Beispiel werden DM 0,2 pro kWh zu Grun-de gelegt.

Wie zuvor bereits erwähnt, mechanische Teile unterliegen ei-nem hohen Verschleiß. Deshalb müssen sie regelmäßig ge-wartet werden. Es wurde geschätzt, dass bei der Drosselrege-lung pro Jahr DM 80 für die Wartung aufgewendet werden müs-sen. Die Wartungskosten für einen AC-Antrieb würden DM 10betragen. In vielen Fällen ist der Frequenzumrichter jedochwartungsfrei.

Deshalb würden die Einsparungen bei den Betriebskosten DM370 betragen. Dies ist in etwa die Hälfte des Kaufpreises füreinen Frequenzumrichter dieser Größe. Das heißt, der Fre-quenzumrichter amortisiert sich innerhalb von zwei Jahren.Deshalb sollte überlegt werden, ob sich nicht lohnt, anstelleder jährlichen Wartung eines alten Ventils auf ein Regelsystemmit AC-Antrieb umzusteigen. Die Nachrüstung eines beste-henden Drosselsystems amortisiert sich in zwei Jahren.


Betriebskosten:Wartung undEnergie desAntriebs

Drossel- AC-Antriebregelung Ersparnis 50%

Benötigte Leistung 0,75 kW 0,37 kW

Jährl. Energieverbrauch4000 h/Jahr 3000 kWh 1500 kWh

Jährl. Energiekostenbei 0,1 USD/kWh 600 DM 300 DM

Wartungskosten/Jahr 80 DM 10 DM

Gesamtkosten/Jahr 680 DM 310 DM

Einsparungen in einem Jahr: 370 DM! (DM = Deutsche Mark)


Preisvergleich bei Pumpenincl. Betriebs- und Installationskosten

DM

Betriebskosten

InstallationskostenGesamtkosten

Drosselregelung

* Betriebskosten werden mit den aktuellen Werten angegeben (10% Zinsen über 10 Jahre)

AC-Antrieb

Gesamteinsparungen über 10 Jahre - DM 3124!

7000

6000

5000

4000

3000

2000

1000

0

Die Gesamtkosten sind in der oben stehenden Grafik zusam-mengefasst. Der übliche Zeitraum für eine Berechnung derBetriebskosten einer derartigen Investition sind zehn Jahre.Die Betriebskosten werden hier als Barwert bei einem Zins-satz von 10% angegeben.

Auf lange Sicht ist das konventionelle Verfahren mehr alszweimal so teuer wie ein Frequenzumrichter. Den größten Teilan den Einsparungen haben beim AC-Antrieb die Betriebsko-sten und insbesondere die Energiekosten. Das höchste indivi-duelle Einsparungspotential liegt bei der Installation und dieseEinsparungen werden erzielt, sobald der Antrieb installiert ist.

Unter Berücksichtigung der Gesamtkosten ist es sehr schwerzu verstehen, warum nur 3% der Motoren mit einem Frequen-zumricher verkauft wurden. In diesem Handbuch haben wirversucht, die Vorteile des AC-Antriebs darzustellen und zuerläutern, warum ABB der Auffassung ist, dass der AC-An-trieb die absolut beste Möglichkeit zur Prozess-Steuerung ist.


Gesamtkosten-vergleich

39Technical Guide No.4- Guide to Variable Speed Drives


A

ABB 31, 39, 42AC-Antrieb 5, 22 - 39AC-Antriebsmarkt 3, 24AC-Motor 11, 12

B

Blindleistung 14Blockierfunktion 27

C

CD-ROM 33

D

DC-Antrieb 22, 23, 24DC-Motor 11, 22, 24DC-Sammelschiene 12, 13Drehmoment 15, 27, 28Drehzahlgeregelter Antrieb 39Drehzahlregelung 21, 22, 23, 24

E

Eingangsleistung 14elektromagnetische Induktion12, 13elektromagnetische Verträglichkeit31EMV 31Energie 8, 11, 12, 23, 35, 38Extruder 9

F

Fliegender Start 30

H

Hydraulikkupplung 22

I

IP 21 31IP 54 31

M

Magnetfluss 13Maschine 9Materialbehandlung 6Materialtransport 6mechanische Vibrationen 28Motor-Wirkungsgrad 14

Kapitel 7 - Index

S

Schlupf 27

W

Wartung 23, 38

Cop

yrig

ht©

AB

B A

utom

atio

n G

roup

Ltd

, 200

03B

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DE

17.

3.20

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ABB Drezahlgeregelte Antriebe