Zusammenfassung: Dieser Artikel analysiert die Probleme der Oberwellenbildung, der Lastanpassung und der Wärmeentwicklung beim Betrieb von Frequenzumrichtern und schlägt entsprechende Lösungsansätze vor. Schlüsselwörter: Frequenzumrichter, Oberwellenbildung, Lastanpassung, Wärmeentwicklung [Chinesische Bibliotheksklassifikationsnummer] TM921 [Dokumentenidentifikationscode] B Artikelnummer 1561-0330(2002)03-0027-03 1 Einleitung Seit der Einführung von Universal-Frequenzumrichtern auf dem chinesischen Markt in den 1980er Jahren haben sie sich innerhalb von nur etwas mehr als einem Jahrzehnt weit verbreitet. Heutzutage erfreuen sich Universal-Frequenzumrichter aufgrund ihrer Vorteile wie Intelligenz, Digitalisierung und Vernetzung zunehmender Beliebtheit. Mit der Erweiterung des Anwendungsbereichs von Universal-Frequenzumrichtern sind vermehrt Probleme aufgetreten, insbesondere in folgenden Bereichen: ① Oberwellenbildung ② Lastanpassung ③ Wärmeentwicklung Diese Probleme haben die Aufmerksamkeit relevanter Behörden, Fabriken und Bergwerke auf sich gezogen, und es wurden entsprechende technische Normen formuliert. Beispielsweise hat mein Land im Hinblick auf Oberwellenprobleme 1984 und 1993 die „Vorläufigen Vorschriften zum Oberwellenmanagement in Stromversorgungssystemen“ sowie die Norm GB/T-14549-93 verabschiedet, um die Oberwellenbelastung in Stromversorgungssystemen und elektrischen Geräten zu begrenzen. Diese Arbeit analysiert und schlägt Lösungen und Gegenmaßnahmen für die genannten Probleme vor. 2 Oberwellenprobleme und Gegenmaßnahmen Der Hauptstromkreis eines allgemeinen Frequenzumrichters besteht im Allgemeinen aus drei Teilen: Gleichrichter, Wechselrichter und Filter. Der Gleichrichter ist ein dreiphasiger, ungesteuerter Brückengleichrichter, der Wechselrichter ein dreiphasiger IGBT-Brückenwechselrichter mit PWM-Ausgangssignal. Die Ausgangsspannungswellenform eines bipolar modulierten Frequenzumrichters ergibt sich wie folgt: (1) Dabei gilt: n – Oberwellenordnung (n = 1, 3, 5, …); a1 – Schaltwinkel (i = 1, 2, 3, …, N/2); Ed – Gleichspannung des Frequenzumrichters; N – Trägerfrequenzverhältnis. Wie aus Gleichung (1) ersichtlich, beträgt die Amplitude jeder Harmonischen (2). Für n = 1 ergibt sich die Grundwellenamplitude der Wechselrichter-Ausgangsspannung zu (3). Aus den Gleichungen (1), (2) und (3) geht hervor, dass die Ausgangsspannung des Universalwechselrichters neben der Grundwelle weitere Harmonische enthält. Niedrigere Harmonische beeinflussen die Motorlast in der Regel stärker und verursachen Drehmomentpulsationen, während höhere Harmonische den Leckstrom im Wechselrichter-Ausgangskabel erhöhen und somit die Motorleistung verringern. Daher müssen sowohl hohe als auch niedrige Harmonische der Wechselrichter-Ausgangsspannung unterdrückt werden. Wie bereits erwähnt, verwendet der Gleichrichter des Universalwechselrichters eine diodenungesteuerte Brückengleichrichterschaltung und der Zwischenfilter einen großen Kondensator als Filter. Der Eingangsstrom des Gleichrichters entspricht somit dem Ladestrom des Kondensators und stellt eine relativ steile Impulswelle mit einem hohen Anteil an Harmonischen dar. Zur Eliminierung der Harmonischen können folgende Maßnahmen ergriffen werden: ① Erhöhung der Innenimpedanz des Wechselrichter-Netzteils. Unter normalen Umständen kann die Innenimpedanz der Stromversorgungseinrichtung die Blindleistung des DC-Filterkondensators des Wechselrichters puffern. Diese Innenimpedanz entspricht der Kurzschlussimpedanz des Transformators. Ist die Leistung der Stromversorgung im Verhältnis zur Leistung des Wechselrichters geringer, ist der Wert der Innenimpedanz relativ höher und der Oberwellengehalt geringer; ist die Leistung der Stromversorgung im Verhältnis zur Leistung des Wechselrichters höher, ist der Wert der Innenimpedanz relativ höher und der Oberwellengehalt höher. Bei Wechselrichtern der Mitsubishi FR-F540-Serie lässt sich mit einem Innenwiderstand der Stromversorgung von 4 % eine gute Oberwellenunterdrückung erzielen. Daher ist bei der Auswahl des Stromversorgungstransformators für den Wechselrichter ein Transformator mit hoher Kurzschlussimpedanz zu bevorzugen. 2. Einbau von Drosseln: Der Einbau von Drosseln erhöht die Innenimpedanz der Stromversorgung des Wechselrichters von außen. Der Einbau von AC-Drosseln auf der AC-Seite des Wechselrichters oder von DC-Drosseln auf der DC-Seite, oder auf beiden Seiten, unterdrückt Oberwellenströme. Tabelle 1 vergleicht den Oberwellengehalt von Mitsubishi FR-A540-Wechselrichtern mit und ohne Drosseln. ③ Mehrphasenbetrieb des Transformators: Der Gleichrichter eines Allzweckwechselrichters ist ein Sechspulsgleichrichter und erzeugt daher relativ hohe Oberschwingungen. Durch den Mehrphasenbetrieb des Transformators, bei dem die Phasenwinkel der beiden Transformatoren um 30° versetzt sind (z. B. in Stern-Dreieck- oder Dreieck-Dreieck-Schaltung), lässt sich die Wirkung von 12 Pulsen erzielen. Dadurch kann der Strom niederfrequenter Oberschwingungen um 28 % reduziert werden, was eine sehr gute Oberschwingungsunterdrückung ermöglicht. ④ Anpassung des Trägerverhältnisses des Frequenzumrichters: Aus den Gleichungen (1), (2) und (3) geht hervor, dass niederfrequente Oberschwingungen effektiv unterdrückt werden können, solange das Trägerverhältnis ausreichend groß ist. Insbesondere treten keine ungeraden Oberschwingungen unterhalb der 13. Ordnung mehr auf, wenn die Referenzamplitude und die Trägeramplitude kleiner als 1 sind. ⑤ Spezieller Filter Dieser spezielle Filter dient der Erfassung von Amplitude und Phase des Oberwellenstroms des Frequenzumrichters. Er erzeugt einen Strom mit gleicher Amplitude und entgegengesetzter Phase, der dem Oberwellenstrom zugeführt wird und diesen somit effektiv absorbiert. 3 Lastanpassungsproblem und Gegenmaßnahmen Es gibt viele Arten von Produktionsmaschinen mit unterschiedlichen Leistungs- und Prozessanforderungen. Ihre Drehmomentcharakteristik ist komplex und lässt sich grob in drei Typen unterteilen: Lasten mit konstantem Drehmoment, Lüfter- und Pumpenlasten sowie Lasten mit konstanter Leistung. Für unterschiedliche Lasttypen sind unterschiedliche Frequenzumrichter erforderlich. ① Last mit konstantem Drehmoment: Eine Last mit konstantem Drehmoment ist eine Last, deren Drehmoment drehzahlunabhängig ist; das Drehmoment bleibt bei jeder Drehzahl konstant. Lasten mit konstantem Drehmoment werden weiter in Reibungslasten und Lasten mit potenzieller Energie unterteilt. Reibungslasten erfordern im Allgemeinen ein Anlaufdrehmoment von etwa 150 % und ein Bremsdrehmoment von etwa 100 % des Nenndrehmoments. Daher sollten Umrichter mit konstantem Drehmoment, hohen Anlauf- und Bremsmomenten, langer Überlastzeit und hoher Überlastfähigkeit, wie beispielsweise die Umrichter der Mitsubishi FR-A540-Serie, ausgewählt werden. Potenzielle Energielasten erfordern im Allgemeinen ein hohes Anlaufdrehmoment und Energierückkopplungsfunktionen und ermöglichen einen schnellen Vorwärts- und Rückwärtslauf. Hierfür eignen sich Umrichter mit Vierquadrantenbetrieb, wie beispielsweise die Umrichter der Mitsubishi FR-A241-Serie. ② Lüfter- und Pumpenlasten: Lüfter- und Pumpenlasten zählen zu den am weitesten verbreiteten Anlagen in der Industrie. Obwohl Pumpen und Lüfter unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, sind Kreiselpumpen und Kreiselventilatoren die Hauptanwendungen. Für diese Lastarten werden üblicherweise Universalumrichter eingesetzt. Lüfterpumpenlasten sind Drehmomentlasten mit quadratischem Kennfeld. Ihre Drehzahl n und Fördermenge Q sowie ihr Drehmoment T und die Pumpenwellenleistung N stehen in folgendem Zusammenhang: (4) Diese Lastart stellt keine hohen Anforderungen an die Leistung des Frequenzumrichters. Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit genügen. Daher kann ein Frequenzumrichter mit U/f = const-Regelung gewählt werden. Beispielsweise der Frequenzumrichter der Mitsubishi-Serie FR-F540(L). Im Betrieb weist die Windkraftanlage ein hohes Trägheitsmoment auf, weshalb die Beschleunigungs- und Verzögerungszeit des Frequenzumrichters von großer Bedeutung ist. Sie lässt sich nach folgenden Formeln berechnen: (5) (6) Dabei gilt: t_ACC – Beschleunigungszeit (s); t_DEC – Verzögerungszeit (s); G_D2 – auf die Motorwelle umgerechnetes Trägheitsmoment (N·m²); g – Erdbeschleunigung, g = 9,81 m/s²; TM – elektromagnetisches Drehmoment des Motors (Nm); TL – Lastdrehmoment (Nm); n_AS – Anfangsdrehzahl der Systembeschleunigung (U/min); n_AE – Enddrehzahl der Systembeschleunigung (U/min); n_DS – Anfangsdrehzahl der Systemverzögerung (U/min); n_DE – Enddrehzahl der Systemverzögerung (U/min). Wie aus den obigen Formeln hervorgeht, ist die Berechnung des Systemträgheitsmoments der Windkraftanlagenlast von großer Bedeutung. Bei der Auslegung des Frequenzumrichters müssen die Berechnungsergebnisse der obigen Formeln entsprechend angepasst werden. Dabei ist die kürzeste Zeit zu wählen, die sicherstellt, dass beim Anlaufen des Frequenzumrichters keine Überstrom- und beim Abbremsen keine Überspannungsauslösung auftritt. Pumpenlasten neigen im Betrieb zu Pulsationen, Druckanstiegen und Wassereinbrüchen. Daher ist es bei der Auswahl eines Frequenzumrichters unerlässlich, einen für Pumpenlasten geeigneten Umrichter zu wählen. Die Funktionseinstellungen des Umrichters müssen speziell auf folgende Probleme abgestimmt sein: Pulsationen: Messen Sie die Frequenzpunkte, an denen Pulsationen wahrscheinlich auftreten, und legen Sie die Sprungfrequenzen und -breiten fest, um Systemresonanzen zu vermeiden. Druckanstieg: Bei niedrigen Pumpendrehzahlen kann ein Druckanstieg zu einem Abfall des Förderstroms auf null und damit zum Ausfall der Pumpe führen. Durch Begrenzung der minimalen Frequenz des Frequenzumrichters wird die minimale Systemdrehzahl am kritischen Punkt des Pumpenförderstroms begrenzt und dieses Phänomen somit verhindert. Wassereinbruch: Bei plötzlichem Stromausfall kann die Flüssigkeit in der Pumpenleitung aufgrund der Schwerkraft zurückfließen. Ist das Rückschlagventil undicht oder fehlt es, dreht sich der Motor rückwärts, was zu Fehlfunktionen und im Generatorbetrieb zum Ausfall des Frequenzumrichters führen kann. Bei der Auslegung von Wechselrichtersystemen sollte der Wechselrichter gemäß der Bremskurve abschalten. Die Hauptstromversorgung sollte erst nach vollständigem Stillstand des Motors getrennt werden. Alternativ kann eine Funktion für automatisches Abschalten mit Bremsfunktion implementiert werden, um dieses Phänomen zu vermeiden. ③ Konstantleistungslast: Eine Konstantleistungslast ist eine Last, deren Drehmoment annähernd umgekehrt proportional zu ihrer Drehzahl ist, wie beispielsweise eine Wickelmaschine oder ein Abwickler. Beim Betrieb einer Konstantleistungslast mit einem Wechselrichter muss die Drehzahl innerhalb eines bestimmten Bereichs liegen. Unterhalb eines bestimmten Drehzahlpunktes wird üblicherweise die Drehzahlregelung mit konstantem Drehmoment, oberhalb die Drehzahlregelung mit konstanter Leistung eingesetzt. Dieser Drehzahlpunkt wird als Basisfrequenz bezeichnet, die zugehörige Spannung ist die Nennausgangsspannung des Wechselrichters. Theoretisch müssten für eine echte Konstantleistungsregelung die Ausgangsfrequenz f und die Ausgangsspannung U des Wechselrichters der Regelung U²/f = const folgen. Dies ist im praktischen Betrieb jedoch nicht möglich, da die Ausgangsspannung des Wechselrichters oberhalb der Grundfrequenz nicht mit der Ausgangsfrequenz ansteigen kann; sie kann lediglich die Nennspannung halten. Daher ist nur eine annähernde Konstantleistungsregelung möglich. 4. Wärmeentwicklung und Gegenmaßnahmen: Die Wärmeentwicklung des Wechselrichters wird durch interne Verluste verursacht. In einem Frequenzumrichter entfallen ca. 98 % der Verluste auf den Hauptstromkreis, während der Steuerstromkreis 2 % ausmacht. Um einen normalen und zuverlässigen Betrieb des Frequenzumrichters zu gewährleisten, ist eine effektive Wärmeabfuhr unerlässlich. Gängige Methoden sind: ① Lüfterkühlung: Der interne Lüfter des Frequenzumrichters führt die Wärme aus dem Gehäuse ab. Bei einem Lüfterausfall muss der Frequenzumrichter sofort abgeschaltet werden. ② Reduzierung der Umgebungstemperatur: Da ein Frequenzumrichter ein elektronisches Gerät mit elektronischen Bauteilen und Elektrolytkondensatoren ist, beeinflusst die Temperatur seine Lebensdauer erheblich. Die allgemeine Betriebstemperatur für Frequenzumrichter liegt zwischen -10 °C und -50 °C. Eine möglichst niedrige Betriebstemperatur verlängert die Lebensdauer und verbessert die Leistungsstabilität. Zwei Methoden kommen zum Einsatz: Zum einen kann ein separater Niederspannungsraum für den Frequenzumrichter eingerichtet werden, der mit einer Klimaanlage ausgestattet ist und eine Temperatur zwischen +15 °C und +20 °C hält. Zum anderen muss sichergestellt werden, dass der Aufstellungsort den Anforderungen der Bedienungsanleitung des Frequenzumrichters entspricht. Die oben genannte Wärmeentwicklung des Frequenzumrichters bezieht sich auf die Verluste im Normalbetrieb innerhalb seines Nennbereichs. Verluste durch anormalen Betrieb (z. B. Überstrom, Überspannung, Überlast) müssen durch eine geeignete Auswahl vermieden werden. Bei Lüfter- und Pumpenlasten beträgt die Überlastfähigkeit des Mitsubishi FR-F540-Frequenzumrichters 120 %/60 Sekunden und die Überlastzyklusdauer 300 Sekunden. Das bedeutet, dass bei einer Überlastung des Frequenzumrichters mit 120 % seiner Nennlast die Dauer 60 Sekunden beträgt und eine zweite Überlastung innerhalb von 300 Sekunden nicht zulässig ist. Bei Überlastung erhitzt sich das Netzteil aufgrund des durchfließenden Überlaststroms, was zu einer Überhitzung des Frequenzumrichters führt. Dieser muss schnellstmöglich abgekühlt werden, damit der Überhitzungsschutz aktiviert wird und die Überhitzung beseitigt werden kann. Dieser Kühlvorgang ist der Überlastzyklus des Frequenzumrichters. Unterschiedliche Frequenzumrichter weisen unterschiedliche Überlastfaktoren, Überlastzeiten und Überlastzyklen auf. Ein höherer Überlastfaktor entspricht einer kürzeren Überlastzeit (siehe Tabelle 2). Von Frequenzumrichtern angetriebene Motoren lassen sich anhand ihrer Betriebsbedingungen in zwei Kategorien einteilen: Dauerbetrieb und Kurzzeitbetrieb. Motoren, die für den Dauerbetrieb ausgelegt sind, können gemäß den Angaben auf ihrem Typenschild kontinuierlich betrieben werden. Für diese Lastart kann der Frequenzumrichter anhand der Daten auf dem Typenschild des Motors ausgewählt werden. Beispielsweise kann für eine kontinuierlich laufende Ölpumpe mit einer Motorleistung von 22 kW ein Frequenzumrichter vom Typ FR-F540-22k gewählt werden. Motoren mit repetitiver Kurzzeit-Betriebsart zeichnen sich durch einen wiederholten Kurzzeitbetrieb aus, d. h. die Arbeits- und Ruhezeiten des Motors wechseln sich ab und sind jeweils relativ kurz. Die Summe dieser beiden Perioden darf gemäß nationalen Vorschriften 60 Sekunden nicht überschreiten. Motoren mit repetitiver Kurzzeit-Betriebsart dürfen überlastet werden und eine gewisse Temperaturerhöhung aufweisen. In diesem Fall führt die alleinige Auswahl eines Frequenzumrichters anhand der Daten auf dem Typenschild des Motors unweigerlich zu Schäden am Frequenzumrichter. Für diese Art von Last sollte der Frequenzumrichter unter Berücksichtigung der Daten auf dem Typenschild des Motors anhand des Motorlastdiagramms und der Überlastkennlinie, der Überlastzeit und der Überlastzyklus des Frequenzumrichters ausgewählt werden. Beispielsweise kann für einen Aufzug mit repetitiver Kurzzeit-Betriebsart und einer Motorleistung von 18,5 kW ein Frequenzumrichter vom Typ FR-A540-22k gewählt werden. 5. Fazit Diese Arbeit analysiert die Probleme im Betrieb von Allzweck-Frequenzumrichtern und schlägt praktische Lösungen vor. Durch die kontinuierliche Anwendung neuer Technologien und Theorien im Bereich der Frequenzumrichter wird erwartet, dass diese Probleme durch die Funktionen und die Kompensation des Frequenzumrichters selbst gelöst werden können. Da die Anforderungen industrieller Anlagen und des gesellschaftlichen Umfelds an Frequenzumrichter stetig steigen, werden schon bald wirklich „grüne“ Frequenzumrichter verfügbar sein, die den tatsächlichen Bedürfnissen entsprechen. 6. Literaturverzeichnis (1) Han Anrong. Allzweck-Frequenzumrichter und ihre Anwendungen. Peking: Maschinenbauverlag, 2000. (2) Mitsubishi FR-A500 Drehzahlregler – Benutzerhandbuch. (3) Mitsubishi FR-F500 Drehzahlregler – Benutzerhandbuch.