Versteckte Kosten erkennen

Frequenzumrichter - Viele Automatisierungsaufgaben, die bisher Sache von EC- und DC-Motoren waren, übernehmen heute aus Kostengründen Drehstrom-Normmotoren zusammen mit Frequenzumrichtern. Doch auch diese Lösungen kosten.

09. Oktober 2006

Frequenzumrichter reduzieren die Kosten der Antriebskomponenten im Vergleich zu den Servoantrieben erheblich. Der monetäre Gewinn scheint jedoch den Blick auf mögliche weitere Kostensenkungen für Antriebe mit Frequenzumrichtern zu versperren. Untersuchungen des Antriebsspezialisten Kimo zeigten, dass besonders bei Anwendungen mit hoher Schalthäufigkeit der Antriebe noch ein großes Einsparungspotenzial sowohl für den Anlagenbauer als auch für den Betreiber der Anlagen besteht. Denn nicht immer sind Kosten der Antriebe mit Frequenzumrichtern auf den ersten Blick erkennbar. Die Anschaffungskosten sind sofort klar. So hat z.?B. ein 1,1-kW-Frequenzumrichter eines Anbieters seinen Preis, der mit anderen Anbietern zu vergleichen ist. Doch Vorsicht! Bei einem Anbieter sind einige oder alle erforderlichen Baugruppen bzw. Aggregate im Preis enthalten, ein anderer Anbieter nennt nur den Preis für den Frequenzumrichter. Die zusätzlich erforderlichen Filter am Eingang (EMV-Filter) und am Ausgang (du/dt-Filter), Schnittstellenbaugruppe, Bedienkonsole, Brems-Chopper, Bremswiderstände, Lüfter usw. erscheinen zunächst nicht.

Platz- und Klimatisierungskosten

Automatisierte Anlagen, die z.?B. ausgestattet sind mit Robotern, Handlingsgeräten und anderen reversierenden Arbeitsmaschinen, sind oft mit einer Vielzahl von Antrieben ausgerüstet. In der Regel werden die zugehörigen Frequenzumrichter in Schaltschränke eingebaut. Jeder Frequenzumrichter und seine zusätzlichen Aggregate erfordern in Abhängigkeit vom Hersteller deutlich unterschiedlich große Montageflächen im Schaltschrank. So hat ein typischer 4-kW-Frequenzumrichter einen Bedarf an Grundfläche der Montageplatte von ca. 6 dm², einschließlich des Bedarfes an Abstandsfläche zum nächsten Frequenzumrichter zur Wärmeabführung. Hinzu kommt eine Fläche in der gleichen Größenordnung für die Eingangs- und Ausgangsfilter sowie für die Bremswiderstände. Je nach Erfordernissen an Aggregaten können in einen 1x2 m²-Schaltschrank 10 bis 20 Frequenzumrichter einschließlich Klemmleisten eingebaut werden, wenn die Wärmebilanz dies zulässt.

Bei großer Schalthäufigkeit der reversierenden Antriebe der Automatisierungstechnik wird vom Brems-Chopper und von den Bremswiderständen im Schaltschrank soviel Wärmeenergie abgegeben, dass dieser Wärme Rechnung getragen werden muss. Entweder es werden weniger Frequenzumrichter in einen Schaltschrank eingebaut oder ein zusätzliches Klimagerät mit entsprechend großer Nennleistung zur Wärmeausleitung muss installiert werden. Die Klimageräte verursachen zusätzliche Energiekosten und sie sind erfahrungsgemäß wartungsabhängig.

Wärmemanagement

Um eine große Packungsdichte an Frequenzumrichtern in einem Schaltschrank zu erreichen, ist ein aufwändiges Wärmemanagement erforderlich. Neben den bekannten Schaltschrank-Kühlgeräten werden hierfür auch wassergekühlte Montageplatten, Heat-Pipes, forcierte Fremdluft-Kühlungen u.?a. verwendet. Die Lastkabel vom Frequenzumrichter zum Motor müssen aus Gründen der Störstrahlung abgeschirmt werden. Dabei ist auf sorgfältigen Anschluss der Schirme zur Erzielung der notwendigen HF Eigenschaften zu achten. Bei der Inbetriebnahme von digitalisierten Frequenzumrichtern sind eine Reihe von Parametern einzugeben und auf Richtigkeit zu testen, was neben speziellem Wissen des Inbetriebnehmers auch Inbetriebnahmezeit kostet. Oft kommt noch hinzu, dass Anfangsprobleme der Datenübertragung über einen seriellen Feldbus zu beheben sind.

Montage- und Wartungskosten

Einfacher ist die Inbetriebnahme der Frequenzumrichter, die mit analogen und diskreten digitalen Ein-/Ausgängen mit der Steuerungselektronik der Anlage kommunizieren. Im Fehlerfalle kann die Analyse mit einfachen Messgeräten und ohne Softwarekenntnisse schnell durchgeführt werden. Über Wartungsaufwand wird bei Frequenzumrichtern selten gesprochen. Kurzfristig ist dies auch richtig. Doch langfristig unterliegt der typische Frequenzumrichter einem Verschleiß, mindestens des schwächsten Gliedes, nämlich des Elektrolytkondensators im Zwischenkreis. Die Alterung erfolgt mit zunehmender Umgebungstemperatur zunehmend schneller. So ist bei Dauerbetrieb und bei einer Arbeitstemperatur von typischen 90?°C am Kondensator im Inneren des Frequenzumrichters mit einer Lebensdauer von nur drei bis fünf Jahren, je nach Qualität des Elektrolytkondensators, zu rechnen. Besonders im unteren Leistungsbereich ist eine Reparatur meist unrentabel. Es muss dann nach Ablauf der Garantie ein neuer Frequenzumrichter angeschafft und eingebaut werden. All die Erkenntnisse über die gesamten Kosten von Antrieben mit Frequenzumrichtern waren zugleich die Aufgabenstellung für die Entwickler von Kimo. Als Ergebnis steht ab sofort die U2-Serie von 4 bis 200 kW zur Verfügung. Als kompletter Frequenzumrichter sind keine zusätzlichen Filter am Eingang und Ausgang, keine Bremswiderstände oder Brems-Chopper erforderlich. Die Steuerung erfolgt über analoge Norm­signale und digitale Ein-/Ausgänge. Durch die nicht erforderlichen zusätzlichen Aggregate wird zudem wenig Grundfläche benötigt. Wegen der nicht benötigten Bremswiderstände, die Wärme erzeugen würden, können mehrere Frequenzumrichter dicht gepackt in Schaltschränke oder einzeln in Kleingehäuse mit hoher Schutzart zur Dezentralisierung eingebaut werden. Die Bremsenergie wird nützlich in das Netz zurückgespeist. Sie heizt den Schaltschrank nicht auf, was keine zusätzlichen Kosten zur Klimatisierung erfordert. Weiter sind keine abgeschirmten Leitungen zum Motor erforderlich.

Kein Elektrolytkondensator für die Zwischenkreisspannung ergibt eine lange Lebensdauer des Frequenzumrichters. Weitere Vorteile für den Anwender sind: Ohne Verzögerung ein- und ausgangsseitig schaltbar, nahezu sinusförmiger Primärstrom, Einhaltung der Vorschriften nach EN 61000-3-12, geringe Lagerströme und kein Kurzschluss bei Momentenwechsel oder Wechselrichterkippen wie bei Gleichstromantrieben.

Diese Lösungen setzten dort an, wo der größte Kundennutzen besteht. Auf eine komplexe Realisierung mit noch mehr Parametern und Steuerungsfunktionen, die einen erhöhten Zeitbedarf mit zusätzlicher Einarbeitung des Anwenders erfordern würden, wurde bewusst verzichtet.

FAKTEN

- U2 Frequenzumrichter sind für den Anlauf, das Bremsen, die Drehzahlverstellung, das Regeln und Positionieren von Drehstrommotoren ausgelegt.

- Sie arbeiten nach dem Prinzip eines Umrichters mit fester Zwischenkreisspannung und eines Wechselrichters mit Pulsbreitenmodulation.

Erschienen in Ausgabe: 07/2006