Kann der Frequenzumrichter Strom sparen? Und wie viel wird gespart?

Das Prinzip der Energieeinsparung durch Frequenzumrichter entspricht dem einer klugen Haushaltsführung und reguliert den Stromverbrauch im Haushalt geschickt. In manchen Fällen lassen sich bis zu 40 Prozent einsparen, in anderen Fällen verbraucht er jedoch bei unsachgemäßer Verwendung mehr Strom als ein nicht angeschlossener Umrichter. Der Frequenzumrichter spart hauptsächlich Energie durch die Reduzierung des Drucks bei geringer Last. Bei längerer Last ist der Energiespareffekt aufgrund der geringen Drehzahländerung selbst bei reduzierter Spannung relativ gering. Im Lüfterbetrieb hingegen reduziert sich bei geringem Luftvolumenbedarf die Drehzahl, wodurch der Energieverbrauch des Lüfters proportional zur 1,7-fachen Drehzahl ist. Dadurch verringert sich die Motordrehzahl deutlich, was den Energiespareffekt deutlich macht.

Wenn zwei identische Motoren mit 50 Hz betrieben werden, nutzt einer einen Frequenzumrichter, der andere nicht. Erreichen Drehzahl und Drehmoment den Nennwert des Motors, kann der Frequenzumrichter zwar keine Energie sparen, aber den Leistungsfaktor verbessern. Unterschreitet das Motordrehmoment den Nennwert, kann der Frequenzumrichter bei aktiviertem automatischen Energiesparbetrieb durch Herunterregeln einen Teil der Energie einsparen, allerdings ist diese Einsparung unbedeutend. Im Leerlauf ist der Energiespareffekt der Schlepplast nicht erkennbar.

Das Konzept der Regelung verdient meiner Meinung nach eine eingehendere Betrachtung. Die Regelung erscheint zu eng gefasst und beschränkt sich auf die Rückmeldung des Drehzahlsensors. Tatsächlich deckt die Regelung einen größeren Bereich ab, einschließlich der Frequenzregelung bei der Vektorregelung, die eine geräteinterne Regelung darstellt. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei der V/F-Regelung um eine offene Regelung. Auch die Rückkopplungsregelung physikalischer Größen wie Temperatur, Druck und Durchflussrate durch PID-Regler gehört zur Kategorie der Regelung und kann über einen Frequenzumrichter angepasst werden. Daher sollte das Konzept der Regelung nicht auf einen engen Bereich beschränkt werden.

Unter welchen Umständen kann ein Frequenzumrichter wirklich Strom sparen? Zunächst einmal ist klarzustellen, dass es sich nicht um einen energiesparenden Wechselrichter handelt, der in allen Fällen eingesetzt werden kann. Tatsächlich bringt der Einsatz eines Frequenzumrichters in manchen Fällen möglicherweise keinen signifikanten Energiespareffekt. Darüber hinaus verbraucht der Frequenzumrichter als Teil der elektronischen Schaltung selbst eine gewisse Menge Strom, die in der Regel etwa 3–5 % seiner Nennleistung ausmacht.

Im Energiesparmodus arbeitet der Konverter jedoch mit der Netzfrequenz. Dafür müssen jedoch drei Voraussetzungen erfüllt sein: Erstens muss das Gerät leistungsstark sein und hauptsächlich für Lüfter-/Pumpenlasten eingesetzt werden; zweitens muss das Gerät selbst über eine Energiesparfunktion verfügen, die in der Regel softwaregestützt ist; und drittens muss das Gerät dauerhaft betriebsbereit sein. Nur unter diesen Voraussetzungen kann der Energiespareffekt des Frequenzumrichters wirklich genutzt werden.

Wie hoch sind Anlaufstrom und Anlaufdrehmoment des Motors bei Verwendung eines Frequenzumrichters? Beim Starten des Motors über den Frequenzumrichter steigen mit der Beschleunigung auch Frequenz und Spannung an. Dadurch wird der Anlaufstrom auf weniger als 150 % des Nennstroms begrenzt (spezifische Werte können zwischen 125 % und 200 % variieren). Beim direkten Starten mit der Netzfrequenz kann der Anlaufstrom hingegen das 6- bis 7-fache des Nennstroms erreichen, was erhebliche mechanische und elektrische Auswirkungen haben kann. Mit dem Frequenzumrichterstart ist ein sanfter Startvorgang möglich (obwohl die Startzeit länger ist), und Anlaufstrom und Anlaufdrehmoment sind stabiler. Der Anlaufstrom beträgt üblicherweise das 1,2- bis 1,5-fache des Nennstroms und das Anlaufdrehmoment 70–120 % des Nenndrehmoments. Bei Frequenzumrichtern mit automatischer Drehmomenterhöhung kann das Anlaufdrehmoment sogar über 100 % liegen, wodurch der Motor unter Volllast anlaufen kann.

Darüber hinaus kann es in derselben Anlage vorkommen, dass der Start eines großen Motors dazu führt, dass der benachbarte Frequenzumrichter ausfällt. Der Grund hierfür ist, dass der Motor einen seiner Leistung entsprechenden Anlaufstrom erzeugt, der zu einem Spannungsabfall im Transformator auf der Statorseite des Motors führt. Bei hoher Motorleistung sind die Auswirkungen dieses Spannungsabfalls deutlicher. Daher kann der an denselben Transformator angeschlossene Wechselrichter fälschlicherweise als Unterspannung oder als sofortiger Stopp erkannt werden, was die Schutzfunktion (IPE) auslöst und den Betrieb des Wechselrichters stoppt.

Schließlich gibt es einige Einschränkungen hinsichtlich der Einbaurichtung des Frequenzumrichters. Da die Innen- und Rückseite des Wechselrichters auf optimale Kühlwirkung ausgelegt ist, ist auch die Belüftung zwischen Ober- und Unterseite sehr wichtig. Der Frequenzumrichter sollte, egal ob in der Platte eingebaut oder an der Wand hängend, vertikal installiert werden und möglichst vertikal bleiben. Dies gewährleistet eine gleichmäßige Wärmeableitung im Frequenzumrichter und einen stabilen Betrieb.

Unter welchen Umständen kann ein Frequenzumrichter Strom sparen? Läuft der Motor unterhalb der Nennfrequenz, passt der Wechselrichter die Drehzahl des Motors an die tatsächliche Last an, um Energieverschwendung zu vermeiden. Ist es also in Ordnung, den Motor direkt auf eine feste Frequenz einzustellen, ohne einen Sanftanlauf durchzuführen? Bei niedrigen Frequenzen ist dies möglich. Ist die Frequenz jedoch zu hoch, also nahe an einem direkten Anlauf der Netzfrequenz, kann der zu hohe Anlaufstrom die Tragfähigkeit des Frequenzumrichters überschreiten, wodurch der Motor nicht mehr starten kann.

Welche Probleme sind bei Motordrehzahlen über 60 Hz zu beachten? Zunächst muss die Durchführbarkeit des Maschinen- und Gerätebetriebs bei dieser hohen Drehzahl bewertet werden, wobei Faktoren wie mechanische Festigkeit, Geräuschentwicklung und Vibration zu berücksichtigen sind. Zweitens erreicht der Motor den Bereich konstanter Leistungsabgabe, und sein Ausgangsdrehmoment muss den Arbeitsbedarf decken, insbesondere wenn die Ausgangsleistung von Lüfter und Pumpe proportional zur kubischen Drehzahl ist. Darüber hinaus kann der Hochdrehzahlbetrieb die Lagerlebensdauer beeinträchtigen, was ebenfalls berücksichtigt werden muss. Abschließend werden Motoren mit höherer Leistung, insbesondere zweipolige Motoren, bei Drehzahlen über 60 Hz besprochen.

Kann der Wechselrichter einen Getriebemotor antreiben? Die Antwort ist nicht eindeutig. Sie muss anhand der Struktur und der Schmierung des Getriebes beurteilt werden. Die maximale Grenzfrequenz des Getriebes liegt im Allgemeinen bei 70–80 Hz. Dauerbetrieb mit niedriger Drehzahl kann das Getriebe bei Ölschmierung beschädigen. Kann der Wechselrichter einen einphasigen Generator antreiben? Ist die Verwendung einer einphasigen Stromversorgung sinnvoll? Die Antwort ist nicht empfehlenswert. Bei einem einphasigen Startgerät mit Drehzahlregler kann die Hilfswicklung unterhalb des Betriebspunkts durchbrennen. Bei einem Kondensatorstarter oder einem Kondensatorbetriebsmotor kann es zu einer Kondensatorexplosion kommen. Natürlich gibt es auch Frequenzumrichter mit kleiner Kapazität, die mit einer einphasigen Stromversorgung betrieben werden können.

Der Stromverbrauch des Wechselrichters selbst hängt vom Wechselrichtertyp, dem Betriebszustand, der Nutzungshäufigkeit und anderen Faktoren ab. Ein genauer Wert lässt sich nur schwer verallgemeinern. Generell liegt der Wirkungsgrad eines Frequenzumrichters unter 60 Hz bei etwa 94–96 %. Bei einem Wechselrichter mit interner Rekuperationsbremse steigt der Stromverbrauch, wenn der Bremsverlust berücksichtigt wird. Dies erfordert besondere Aufmerksamkeit bei der Auslegung der Bedienplatte.

Warum läuft der Motor nicht durchgehend im gesamten Frequenzbereich von 6–60 Hz? Das liegt daran, dass herkömmliche Motoren zur Kühlung einen externen Lüfter an der Welle oder ein Rotorblatt am Rotorendring verwenden. Bei reduzierter Drehzahl nimmt die Kühlwirkung ab, wodurch der Motor die gleiche Wärmebelastung wie bei hohen Drehzahlen nicht mehr verträgt. Um dieses Problem zu lösen, muss das Lastdrehmoment bei niedriger Drehzahl reduziert, eine größere Kapazität des Frequenzumrichters und der Motorkombination verwendet oder sogar ein Spezialmotor eingesetzt werden.

Bei Verwendung eines Motors mit Bremse muss die Stromversorgung des Bremsenerregerkreises vom Eingang des Frequenzumrichters erfolgen. Bewegt sich die Bremse, während der Umrichter Strom abgibt, wird der Überstrom abgeschaltet. Daher muss die Bremse erst bewegt werden, nachdem der Frequenzumrichter den Ausgang abgeschaltet hat.

Wenn Sie den Motor mit dem Kondensator verwenden möchten, um den Leistungsfaktor zu verbessern, der Motor jedoch nicht starten kann, kann dies daran liegen, dass der Strom des Konverters in den Kondensator fließt, um den Leistungsfaktor zu verbessern, was zu einem Ladestrom des Kondensators und einem Überstrom des Konverters führt. Die Lösung besteht darin, den Kondensator nach dem Entfernen zu betreiben oder auf die Wechselstromdrossel auf der Eingangsseite des Wechselrichters zuzugreifen, um den Leistungsfaktor zu verbessern.

Was die Lebensdauer des Frequenzumrichters betrifft, so handelt es sich zwar um ein statisches Gerät, es gibt jedoch auch Filterkondensatoren, Kühllüfter und andere Verbrauchsgeräte. Durch regelmäßige Wartung und Instandhaltung dieser Geräte wird eine Lebensdauer des Wechselrichters von mehr als 10 Jahren erwartet.