Energieeffizienz plus Kostenreduzierung

Energieeffizienz plus Kostenreduzierung

Über die versteckten Kosten von Frequenzumrichtern

 

Frequenzumrichter gewinnen in der Automatisierungstechnik zunehmend an Bedeutung. Viele Automatisierungsaufgaben, die bisher von EC und DC Motoren sowie von diversen Servo­motoren realisiert wurden, übernehmen mehr und mehr Drehstrom-Normmotoren zusammen mit Frequenzumrichtern. Dies reduziert 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 jedoch, dass besonders bei Anwendungen mit hoher Schalthäufigkeit der Antriebe noch ein großes Einsparungspotential sowohl für den Anlagenbauer als auch für den Betreiber der Anlagen besteht.

 

Die nicht auf den ersten Blick erkennbaren weiteren Kosten der Antriebe mit Frequenzum­richtern werden nachfolgend beschrieben:

Autor: Engelbert Reitter, Entwicklungsleiter der Firma KIMO, Antriebstechnik Erlangen.

 

Anschaffungskosten:

Die Anschaffungskosten sind sofort klar erkennbar. 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. Sie können zusammen jedoch die Kosten des Frequenzumrichters erreichen oder sogar übersteigen.

 

Projektierungskosten, Konstruktionskosten:

Im günstigsten Falle ist nur der Elektro-Schaltplan zu entwerfen. Damit ist die Konstruktion bei Frequenzumrichtern mit analogen und digitalen Steuersignalen über Ein/Ausgänge der Steuerung abgeschlossen. Bei Frequenzumrichtern mit Datenschnittstellen muss in der Regel neben der Konstruktionsabteilung auch die Softwareabteilung eingeschaltet werden, um die Programme für die Kommunikation zu planen, zu re­alisieren und zu testen. Dies ist mit entsprechendem Mehraufwand verbunden.

 

Raumkosten:

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. Dies geht direkt in die Gesamtkosten einer Schaltanlage ein. Die Nase hat natürlich der Anbieter vorn, der möglichst wenig oder noch besser keine zusätzlichen Aggregate für seine Frequenzumrichter benötigt. Bei mehreren Antrieben mit den üblichen zusätzli­chen Aggregaten können schnell ein oder mehrere Schaltschränke zusätzlich erforderlich werden.

So hat ein typischer 4 kW Frequenzumrichter einen Bedarf an Grundfläche der Montageplatte von ca. 6 dm², dies 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 1 x 2 m² Schaltschrank 10 bis 20 Frequenzumrichter ein- schließlich Klemmleisten eingebaut werden, wenn die Wärmebilanz dies zulässt.

 

Klimatisierungskosten:

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. Beide Maß­nahmen erhöhen die Kosten für die Antriebe erheblich. Die Klimageräte verursachen zusätzliche Energiekosten und sie sind erfahrungsgemäß wartungsabhängig.

Berechnungen an typischen An­wendungsbeispielen zeigen auf, wie groß die Energie ist, die durch Bremswiderstände zusätzlich zur allgemeinen Verlustenergie des Frequenzumrichters und der Verlustenergie der Filter in den Schaltschrank eingetragen wird, und können bei KIMO angefordert werden.

Der Wirkungsgrad eines Frequenz­umrichters beträgt für 400 V Nenn­spannung 90 bis 95 %. Dies sind bei einem 1,1 kW Frequenzum­richter 50 Watt bis 100 Watt bei Nennlast. An den Ein- und Ausgangsfiltern beträgt die Verlustleistung jeweils ca. 30 W, so dass insgesamt eine als Wärme abzu­führende Leistung von ca. 110 W bis 160 Watt je Frequenzumrichter zusätzlich zur Bremsenergie ab­zuführen ist. Bei hoher Schalthäu­figkeit überwiegt jedoch die Brems­energie.

Um eine große Packungsdichte an Frequenzumrichtern in einem Schaltschrank zu erreichen, ist ein aufwändiges Wärmemanagement erforderlich. Neben den bekannten Schaltschrank-Kühlgeräten werden auch wassergekühlte Montageplat­ten, Heat-Pipes, forcierte Fremdluft-Kühlungen u.a. verwendet.

Ein anderer Weg zur Reduzierung des Schalt- schrank-Raumbedarfes wird durch Auslagerung der Fre­quenzumrichter aus dem Schalt­schrank an den von sich aus schon warmen Motor beschritten. Spezial­motoren mit großen Gehäusen für die Frequenzumrichter und mit großen Kühlrippen kennzeichnen diesen Weg, der für diese Kombi­nation mit erheblichen Kosten ver­bunden ist. Meist besteht dann eine Abhängigkeit vom Lieferanten des kombinierten Motors und Frequenzumrichters. Dies führt in der Regel zu nicht wettbewerbsfähi­gen Kosten.

 

Montage- und Inbetriebnahme­kosten:

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 Eigen- schaften zu achten. Die be­sonderen Kabel einschließlich ihre schwierigere Verlegung und die speziellen Anschlüsse sind zu den weiteren Kosten des gesamten Antriebes zu zählen.

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.

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 einfachsten Messgerä­ten und ohne Softwarekenntnisse schnell durchgeführt werden. Allein eine zusätzlich erforderliche Reise eines Softwarespezialisten, die nicht geplant war, kann jede Kalku­lation der Antriebskosten schnell zur Fehlkalkulation werden lassen.

 

Wartungskosten:

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 typisch 90°C am Kondensator im Inneren des Frequenz­umrichters mit einer Lebens­dauer von nur 3 bis 5 Jahren je nach Qualität des Elektrolytkonden­sators zu rechnen. Die abnehmen­de Kapazität führt zur Leistungsmin­derung oder zum völligen Ausfall des Frequenz­umrichters. Beson­ders im unteren Leistungs­bereich ist eine Reparatur meist unrenta­bel. Es muss dann nach Ablauf der Garantie ein neuer Frequenzum­richter an­geschafft und eingebaut werden.

 

Energiekosten:

Die Wirkleistung zum Beschleuni­gen und zum Antreiben der Ar­beitsmaschine ist bei allen Fre­quenzumrichtern auf­zu­bringen. Zu­sätzlich treten in Abhängigkeit vom Wirkungs­grad des jeweiligen Fabri­kates unterschiedlich große Verlust­leistungen auf, die ebenfalls zu bezahlen sind.

Hierzu gehören auch die Kosten für den Blindstrom oder für eine Blindstrom­kompensation bei einem cos φ kleiner 1.

Des weiteren fallen die Kosten für die Verlustleistungen an den zusätz­lichen Aggregaten und für die allge­meine Verlustleistung im Frequenz­umrichter an. Nicht zuletzt sind die Kosten zur Entwärmung des Schalt­schranks durch die Klima­anlage zu nennen, die besonders dann hoch sind, wenn bei großer Schalthäufig­keit die Bremswiderstände eine große Wärmequelle darstellen.

 

Die KIMO Frequenzumrichter der U2-Serie:

Die Erkenntnisse über die gesam­ten Kosten von Antrieben mit Fre­quenz­umrichtern waren zugleich die anspruchsvolle Aufgabenstel­lung für die Entwickler des Antriebs­ spezialisten KIMO. Als Ergebnis wartet jetzt die U2-Serie von zur Zeit 4 … 200 kW für den Anwender mit überraschenden neuen techni­schen Lösungen der beschriebenen Problemfelder auf. Als besonderer Vorteil ist zu erwähnen, dass die genannten verdeckten Kosten voll­kommen oder weitgehend entfallen.

 

In Kurzform werden nachfolgend die Highlights der U2-Serie mit ihren Ersparnissen in den aufgelisteten Problemfeldern beschrieben:

Anschaffungskosten :

Kompletter Frequenz­umrichter. Keine zusätzlichen Filter am Eingang und Ausgang erforderlich. Keine Bremswiderstände oder Brems-Chopper erforderlich.

Projektierungskosten, Konstruktionskosten:

Steuerung bevorzugt über analoge Normsignale und digitale Ein-/Ausgänge.

Raumkosten:

Durch die nicht erforderlichen zu­sätzlichen Aggregate wird 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.

Klimatisierungskosten:

Die Bremsenergie wird nützlich in das Netz zurück gespeist. Sie heizt den Schaltschrank nicht auf, was keine zusätzlichen Kosten zur Kli­matisierung erfordert.

Montage- und Inbetriebnahmekosten:

Keine abgeschirmten Leitungen zum Motor erforderlich.

Wartungskosten:

Kein Elektrolytkondensator für die Zwischenkreisspannung ergibt eine lange Lebensdauer des Frequenz­umrichters.

Energiekosten:

Keine Blindstromkosten durch cos φ ≈ 1. Niedriger bis kein zusätzli­cher Kühlaufwand, nicht zuletzt weil die Bremswiderstände entfallen und die Bremsenergie nutzbringend in das Netz zurück gespeist wird.

So logisch diese Antworten auf die versteckten Kosten der Frequenz­umrichter auch sind, so stellten sie zu ihrer Kosten neutralen Realisie­rung von hoch dynamischen Antrie­ben als weitere vorgegebene Aufgabenstellungen eine große Herausforderung selbst für die auf dem Gebiet der elektrischen Antriebe und der modernen Leistungselek­tronik sehr erfahrenen Entwickler der Firma KIMO dar.

Die konsequenten und kompromiss­losen 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.

Die Konzentration auf das Wesent­liche für den Praktiker und auf die ge­samten Antriebskosten stellt die neue U2-Serie der Firma KIMO dar, die mit weiteren bemerkenswerten Vorteilen für den Anwender aufwartet:

Rückspeisefähige Frequenzumrichter TRANSOMIK ® U2
  • Ohne Verzögerung ein- und ausgangsseitig schaltbar
  • Weiter AC und DC Eingangsspan­nungsbereich
  • Für den Einsatz von Fehlerstrom­schaltern geeignet
  • Nahezu sinusförmiger Primärstrom
  • Geringe Netzharmonische / Einhaltung der Vorschriften nach EN 61000-3-12
  • Geringe Lagerströme
  • Kein Kurzschluss bei Momentenwechsel oder Wechselrichterkippen wie
    bei Gleichstromantrieben
  • Hervorragende Rundlaufeigenschaften auch bei sehr kleiner Drehzahl.
  • Zur Dezentralisierung in Gehäusen mit Schutzart bis zu IP 65 verfügbar

 

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