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IE2-Motoren mit Sinus-Frequenzumrichtern verhalten sich EMV-neutral

Energiesparen ohne Nebenwirkungen

29. Juni 2012, 13:01 Uhr | Andreas Knoll

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Drehzahlregelung mit Frequenzumrichter ohne PWM

Aus Sicht der Prozess- und Anlagensicherheit wären also Frequenzumrichter ohne PWM eine geeignete Lösung. Unter dem Begriff »Sinus-Frequenzumrichter« gibt es mittlerweile Frequenzumrichter wie etwa den »ISA-Drive Sinus« von Igel Electric, die anstatt dem bis heute gängigen PWM-Ausgangssignal einen reinen Sinus zur Verfügung stellen. »Diese Technik eliminiert konsequent die Störungsursache, so dass die angeschlossenen Motoren, beispielsweise Energiesparmotoren der Klasse IE2, mit einem in der Frequenz veränderbaren Sinussignal versorgt werden«, formuliert Westhoff. »Im elektrotechnischen Sinn stellt das aus einer Drehbewegung erzeugte Sinussignal die ideale Signalform dar; es enthält keine Transienten und somit auch keine Oberwellen.«

Die »ISA-Drive-Sinus«-Frequenzumrichter beruhen auf zwei Patenten: Schaltung von Halbleitern im Nulldurchgang: Diese Technik bildet die Grundlage der Sinusumrichter. Bei der Schaltung der Halbleiter im Nulldurchgang werden im Gegensatz zur normalen PWM keine Störungen produziert, weil keine Schaltflanken (Transienten) entstehen. Natürliche Feldorientierung: Das zweite Patent setzt auf dem ersten auf und realisiert die »Nulldurchgangsschaltung« in der Umrichtertechnik. Die entsprechende Hardware erzeugt ein dreiphasiges Drehfeld, und die dazugehörige Software gewährleistet mit einem speziellen Algorithmus die optimale Frequenzanpassung und ein maximales Ausgangsmoment am Motor.

Die Kombination Sinus-Frequenzumrichter und IE2-Motor lässt sich unter dem Motto »Energiesparen ohne Nebenwirkungen« zusammenfassen: »Mit einfachen Mitteln können Anwender Prozessoptimierungen auf Basis der Drehzahlanpassung implementieren und so Energie sparen«, führt Westhoff aus. Der eingebaute PI-Regler erfasst direkt Daten von einem Messaufnehmer (Druck, Fluss, Temperatur) und setzt sie gemäß Sollwert in eine entsprechende Drehzahl um. Aufbauten mit einer vorhandenen SPS und einem entsprechenden PID-Regler sind ebenfalls möglich.

Bei der nachträglichen Umrüstung von Anlagen, um deren Energieverbrauch zu optimieren, eröffnen sich somit neue Chancen. »Weil ein Sinus- anstatt eines PWM-Signals erzeugt wird, gibt es keine besonderen Anforderungen an die vorhandene Anlagenstruktur«, stellt Westhoff fest. »So brauchen Motorleitungen nicht getauscht werden, die Leitungslängen zum Motor sind nicht begrenzt, und der Installationsort des Umrichters ist von der Umgebung unabhängig. Die Anlage muss gemäß EMV nicht neu eingemessen werden, alte Motoren ohne Speziallager für PWM lassen sich weiter verwenden, und Mess- und Regeleinrichtungen können im Schrank bleiben.« Generell ließe sich also sagen, dass Sinus-Frequenzumrichter ohne zusätzliche Peripheriearbeiten einsetzbar sind.

Ein Beispiel für den Einsatz der Produktreihe »ISA-Drive Sinus« befindet sich im Chemiepark Leuna. Hier hat ein auf Agrarprodukte spezialisiertes Unternehmen Maßnahmen zur energierelevanten Prozessoptimierung umgesetzt. Im ersten Schritt wurden Antriebe mit herkömmlichen Frequenzumrichtern ausgestattet, um durch geringere Drehzahlen Energie zu sparen. »Direkt nach erfolgter Umrüstung traten aber neben dem gewünschten Energiespareffekt auch andere Phänomene auf«, erzählt Westhoff. »Die komplizierte Mess- und Regeleinrichtung der chemischen Anlage lieferte nicht mehr die vorher gewohnte Performance.« Durch erste EMV-Maßnahmen ließen sich diese »Nebenwirkungen« auf ein erträgliches Maß reduzieren.

Kurz darauf bekam das Unternehmen aber eine Aufforderung vom Gesamtbetreiber des Chemieparks, den Ursachen erhöhter Oberwellenbelastungen in seinem Anlagenteil nachzugehen. Die Chemiepark-übergreifenden Grenzwerte in puncto Oberwellenbelastungen wurden an den Übergabepunkten deutlich überschritten. Mit einem ganzen Maßnahmenpaket wurde jetzt versucht, die geforderten Grenzwerte zu unterschreiten, um die Anlage maßgabenkonform zu betreiben. »Der zweite und ein anschließender dritter Umbau der Anlage reichten aber ebenfalls nicht aus, um die Oberwellenbelastung unter den gewünschten Grenzwert zu bringen«, ergänzt Westhoff. »Nach mehreren Versuchen wurde die Anlage auf Sinus-Umrichter der Serie ‚ISA-Drive Sinus‘ umgerüstet. Die geforderten Grenzwerte wurden dann nicht nur unterschritten, sondern es ließen sich keine messtechnisch erfassbaren Veränderungen gegenüber der ursprünglichen Situation nachweisen.« Als Konsequenz wurde die Betriebsmittelvorschrift des Unternehmens dahingehend geändert, dass bei Maßnehmen zur Energieoptimierung durch veränderbare Drehzahlen nur noch Frequenzumrichter mit Sinusausgang eingesetzt werden dürfen.