1. Im Folgenden wird die Verbesserung der Zuverlässigkeit von Drehzahlregelungssystemen mit variabler Frequenz aus drei Perspektiven erörtert. (1) Verbesserung der Qualität und Zuverlässigkeit des Frequenzumrichters selbst. Wie Frequenzumrichterhersteller Produkte mit stabiler Leistung, zuverlässigem Betrieb und angemessenem Preis fertigen können, um den hohen Zuverlässigkeitsanforderungen der Anwender gerecht zu werden, ist entscheidend für die Weiterentwicklung dieses Produkts und der gesamten Branche. Die konkreten Anforderungen sind: ① Die Schaltungsstruktur des Frequenzumrichters sollte so einfach und zuverlässig wie möglich sein. a. Bevorzugt wird ein direkter AC-DC-AC-Frequenzumrichter. b. Je weniger Leistungseinheiten benötigt werden, desto besser. Die Reihenschaltung von Leistungseinheiten und Leistungselektronikgeräten sollte vermieden werden, da die Zuverlässigkeit in Reihenschaltungen um den Faktor N sinkt, während die Ausfallrate um den Faktor N steigt. Obwohl Parallelschaltungen die Zuverlässigkeit verbessern, die Ausfallrate senken und die durchschnittliche Lebensdauer der Geräte erhöhen, kann der Strom der Leistungselektronikgeräte 3–4 kA erreichen, sodass auf Parallelschaltung verzichtet werden kann. Das Hauptproblem besteht derzeit darin, dass nach einer weiteren Verbesserung der Spannungsfestigkeit der Leistungselektronik diese ohne Reihen- oder Parallelschaltung betrieben werden kann, was die Zuverlässigkeit des Frequenzumrichters erheblich steigern würde. 2. Auswahl der Leistungselektronikmodule in Frequenzumrichtern: Die Spannungs- und Stromfestigkeit muss ausreichend dimensioniert sein. Ein ausländischer Frequenzumrichterhersteller sagte einmal: „Die vollständige Reduzierung der Nennleistung der Leistungsmodule gewährleistet die Zuverlässigkeit des Geräts.“ Umgekehrt: Liegen die Parameter der ausgewählten Leistungsmodule nahe an den berechneten Werten und bieten keine ausreichende Reserve, entsteht ein gewisses Risiko, das zum Durchbrennen der Leistungsmodule im Frequenzumrichter führen kann. Die Gründe hierfür sind im Wesentlichen zwei Aspekte: (1) Die Spannungs- und Stromfestigkeit der ausgewählten Leistungsmodule ist zu gering. (2) Sind die gekauften Leistungsmodule Originalprodukte? Stammen sie von namhaften Herstellern? Derzeit erfüllen inländische IGBT-Leistungsmodule nicht die Anforderungen von Hochspannungs-Frequenzumrichtern, während die Qualität importierter IGBTs unzureichend ist. Erstens ist es unmöglich, Militärgüter (Militärprodukte) und erstklassige Produkte (Originalprodukte) zu erwerben. Die meisten Produkte wurden aussortiert, weil ein oder zwei Indikatoren nicht den Standards entsprechen. Zweitens gibt es in China generell keine strengen dynamischen Prüfgeräte. Die nicht aussortierten Leistungsmodule wurden keiner elektrothermischen Alterungsprüfung unterzogen. Es ist daher verständlich, dass minderwertige Leistungsmodule im Gesamtgerät zu Fehlfunktionen oder sogar zum Durchbrennen führen. ③ Die Leistungselektronikmodule im Frequenzumrichter müssen ausreichend belüftet und gekühlt werden. Der Betrieb muss innerhalb der zulässigen Sperrschichttemperatur erfolgen; je niedriger die Sperrschichttemperatur, desto höher die Zuverlässigkeit des Umrichters. Zu den Kühlmethoden für Leistungsmodule gehören Luftkühlung, Wasserkühlung und moderne Wärmerohrtechnologie. Unabhängig von der Methode muss die durch die Verluste des Gleichrichtertransformators und des Umrichters entstehende Wärme abgeführt werden, um die zulässige Sperrschichttemperatur zu halten. Der Hersteller gibt das erforderliche Belüftungsvolumen basierend auf der Leistung und den Verlusten des Geräts an. [Anmerkung: 1) Frische, kühle Luft sollte von unten in das Frequenzumrichtergehäuse eingespeist und von oben abgeführt werden.] Luftströmung in umgekehrter Richtung (von oben nach unten) ist nicht zulässig. 2) Am Lufteinlass an der Unterseite des Frequenzumrichtergehäuses muss ein Filter installiert sein, um das Eindringen von Staub, Ölnebel und anderen Verunreinigungen zu verhindern. Die erforderliche Belüftungsmenge (m³/min oder CFM) für den Frequenzumrichter dient der Wärmeabfuhr und Kühlung, dem ordnungsgemäßen Betrieb der Leistungsmodule und der Einhaltung der zulässigen Sperrschichttemperatur. Darüber hinaus befinden sich einige Industrie- und Bergbaugebiete in Küstennähe, an Flüssen und Seen oder in Umgebungen mit Salznebel, Feuchtigkeit und korrosiven Gasen. Daher sind Maßnahmen zum Schutz vor Feuchtigkeit und Korrosion erforderlich. Um beispielsweise zu verhindern, dass das Wechselrichtergehäuse nach mehrtägiger oder mehrwöchiger Außerbetriebnahme feucht wird und die Isolierung sich verschlechtert, was einen reibungslosen Start beeinträchtigen könnte, ist das Wechselrichtergehäuse mit einer Niederspannungs-Elektroheizung (elektrische Heizdrahtheizung, Infrarot-Elektroheizung oder Ferninfrarot-Elektroheizung) ausgestattet. Wenn der Wechselrichter nicht in Betrieb ist, schaltet sich die Elektroheizung automatisch ein, um die Entfeuchtung und Trockenheit im Inneren des Gehäuses zu gewährleisten. ④ Der Wechselrichter muss hochwertig verarbeitet sein und die Verbindungen müssen zuverlässig sein. Spezielle Anforderungen: a. Minimieren Sie die Anzahl der Verbindungselemente, vermeiden Sie Steckverbindungen so weit wie möglich (sie lösen sich leicht und sind unzuverlässig), verwenden Sie Lötverbindungen anstelle von Klemmenblöcken und minimieren Sie den Einsatz von Potentiometern. b. Verwenden Sie großflächige, massive Leiterplatten. c. Verwenden Sie Leistungselektronikmodule mit einzigartiger, drahtfreier Struktur, um die Produktzuverlässigkeit zu verbessern. d. Optimieren Sie die Anordnung. Zum Beispiel: Wärmeisolierung und Maßnahmen zur Vermeidung elektromagnetischer Störungen zwischen Gleichrichtertransformator und Umrichter; optische Trennung zwischen Hoch- und Niederspannung und Verwendung von Glasfaserkabeln. ⑤ Der Wechselrichter muss vor Auslieferung einem strengen Lasttest und einer 48- bis 72-stündigen Leistungsbewertung unterzogen werden. Ein Frequenzumrichter besteht aus einer Vielzahl elektrischer Bauteile. Neben der Auswahl von Marken- und Originalkomponenten, die den technischen Anforderungen entsprechen, und deren Prüfung und Aussortierung zur Eliminierung unzuverlässiger Komponenten, muss der Frequenzumrichter vor Auslieferung unter Spannung getestet werden. Im Allgemeinen ist ein 48- bis 72-stündiger Dauerbetriebstest erforderlich. Für Anwendungen mit besonders hohen Zuverlässigkeitsanforderungen wird ein 7-tägiger Test (24 × 7 = 168 Stunden) durchgeführt. Die Testbedingungen sind: a. Lasttest (kein Leerlauf oder Teillast) b. Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit entsprechend der tatsächlichen Einsatzumgebung. Frequenzumrichter, die die technischen Spezifikationen erfüllen und den Langzeittest bestehen, weisen nach der Inbetriebnahme eine hohe Zuverlässigkeit auf. 2. Der Frequenzumrichtertyp und die passende Kapazität müssen entsprechend den Lastanforderungen der Produktionsmaschine und den Motorspezifikationen ausgewählt werden. Ist der Frequenzumrichter selbst zwar zuverlässig, seine Auswahl und Kapazität jedoch ungeeignet, kann das resultierende Drehzahlregelungssystem keine hohe Zuverlässigkeit erreichen und sogar ausfallen. Daher ist Folgendes zu beachten: Erstens muss der Frequenzumrichtertyp entsprechend der Lastart ausgewählt werden. Grundsätzlich müssen die Lasteigenschaften mit den Eigenschaften des Frequenzumrichters übereinstimmen. (1) Produktionsanlagen mit konstantem Drehmoment: Innerhalb des Drehzahlregelbereichs ist das Lastdrehmoment im Wesentlichen konstant. Hier ist ein Frequenzumrichter mit Konstantdrehmoment-Eigenschaften zu wählen. Die Überlastfähigkeit beträgt 150 % des Nennstroms für 1 Minute. (2) Geräte mit quadratischem Drehmomentverlauf: Innerhalb des Drehzahlregelbereichs ist das Lastdrehmoment proportional zum Quadrat der Drehzahl, d. h. M ∝ n². Typische Beispiele sind Radialventilatoren und Wasserpumpen. Frequenzumrichter mit M ∝ n²-Kennlinie weisen eine geringere Überlastfähigkeit von 110–120 % des Nennstroms für 1 Minute auf. (3) Geräte mit konstanter Lastleistung: Innerhalb des Drehzahlregelbereichs ist das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen hoch und bei hohen Drehzahlen niedrig, d. h. M ∝ N (konstant). Typische Geräte sind Werkzeugmaschinen und Wickelmaschinen. Einige Frequenzumrichterhersteller unterscheiden nicht zwischen Lasten mit konstantem und quadratischem Drehmoment; ihre Produkte sind universell einsetzbar. Beide Lastarten können verwendet werden. Die Kennlinie für konstante Lastleistung wird durch das Verhältnis von Spannung zu Drehzahl (V/f) erreicht; es gibt keinen Frequenzumrichter mit rein konstanter Leistungscharakteristik. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das gewählte Frequenzumrichtermodell mit dem Lastdrehmoment kompatibel sein muss. Für Lüfter- und Pumpenlasten kann ein Frequenzumrichter mit konstanter Drehmomentkennlinie eingesetzt werden. Umgekehrt ist ein Frequenzumrichter mit quadratischer Drehmomentkennlinie für Lasten mit konstanter Drehmomentkennlinie ungeeignet. Zweitens muss die Leistung des Frequenzumrichters an die Nennparameter des Motors angepasst werden. Üblicherweise gilt folgendes Prinzip: PEINV ≥ PEmotor (kW) IEINV ≥ 1,1 - 1,2 IEmotor (A). Der Stromparameter ist zu beachten, da die Leistungsaufnahme des Leistungselektronikmoduls IXΔU (Produkt aus Strom und Spannungsabfall) beträgt und nicht direkt mit der Ausgangsspannung des Frequenzumrichters zusammenhängt. Die Ausgangsleistung des Frequenzumrichters ist proportional zum Produkt aus Ausgangsspannung und Ausgangsstrom. In der Praxis überschreitet der Ausgangsstrom häufig den Grenzwert, während die Ausgangsleistung diesen nicht überschreitet, was zum Durchbrennen des Leistungselektronikmoduls führen kann. Daher sollte der Stromparameter im Vordergrund stehen. Die Anwendungsformen der Hauptschaltungsstruktur für die Drehzahlregelung mittels Frequenzumrichtern sind vielfältig. Wie wählt man die passende Konfiguration aus? (1) Drehzahlregelung eines einzelnen Motors mittels Frequenzumrichter. Da der Frequenzumrichter über einen Sanftanlauf verfügt (Anlauf mit niedriger Spannung und niedriger Frequenz – allmählicher Anstieg von Spannung, Frequenz und Drehzahl), tritt kein Einschaltstrom auf. Wählen Sie daher einen Motor mit IEINV ≥ (1,1–1,2)IE. Suchen Sie anhand des ermittelten IEINV-Stromwerts im Produktkatalog nach einem geeigneten Frequenzumrichter. (2) Drehzahlregelung mehrerer Motoren mittels Frequenzumrichter (mehrere Motoren teilen sich einen großen Frequenzumrichter). Beispiel: N Motoren mit gleichen Parametern. Die gleichzeitig anlaufenden Motoren sind K Motoren. Der maximale Strom tritt auf, wenn die Motoren (NK) angelaufen sind und mit hoher Frequenz und hoher Spannung arbeiten. Schließlich starten die restlichen K Motoren direkt (der Anlaufstrom ist sehr hoch, 5–7 Mal so hoch wie bei Asynchronmotoren und 10–14 Mal so hoch wie bei Permanentmagnet-Synchronmotoren; diese Motoren werden als IQ Motoren bezeichnet). Die hinreichenden und notwendigen Bedingungen für die Auswahl eines Frequenzumrichters sind: a) IEINV a≥(1,1-1,2)[N•IE Motor> b) IEINV b≥(1,1-1,2)[(NK)•IE Motor +K•IQ Motor> Wählen Sie den größeren Stromwert zwischen IEINV und IE INV und überprüfen Sie dann den Produktkatalog, um die Spezifikationen des Frequenzumrichters zu ermitteln. (3) Drehzahlregelung mit mehreren Wechselrichtern und mehreren Motoren über eine gemeinsame Gleichstromversorgung (Wechselrichter und Motor arbeiten weiterhin im 1:1-Betrieb). Mit dem Fortschritt der Frequenzumrichtertechnologie gibt es nun auch die Möglichkeit, mehrere Motoren mit kleinen Frequenzumrichtern zu betreiben (im Wesentlichen ähnlich der Drehzahlregelung über eine 1:1-Frequenzumrichtersteuerung) und eine gemeinsame Gleichstromversorgung zu nutzen (mehrere Wechselrichter teilen sich eine Gleichstromversorgung, jeder Wechselrichter treibt einen Motor an). Berechnungsformel für den Strom der gemeinsamen Gleichstromversorgung: IE_con ≥ (1,1 - 1,2) [IE_Motor1 + … + IE_Motorn > oder (1,1 - 1,2) • N • IE_Motor]. 3. Der Frequenzumrichter benötigt eine gute Betriebsumgebung und regelmäßige Wartung. Selbst bei Auswahl eines hochwertigen Frequenzumrichters und korrekter Abstimmung des Frequenzumrichter-Antriebssystems ist für einen langfristig sicheren und stabilen Betrieb eine gute Betriebsumgebung und eine sorgfältige Wartung der Anlage unerlässlich. (1) Betriebsumgebung für Frequenzumrichter: Fast alle Hersteller von Frequenzumrichtern geben an, dass ihre Geräte bei einer Temperatur von 0–40 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von ≤ 95 % (nicht kondensierend) betrieben werden können. Für einen effizienteren Betrieb empfiehlt sich jedoch der Einsatz in einer klimatisierten Umgebung mit einer Temperatur von 25 ± 3 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von ≤ 70–75 %. Erfahrungsgemäß ist die Ausfallrate von Umrichtern in klimatisierten Umgebungen deutlich geringer als in nicht klimatisierten, wodurch die Systemzuverlässigkeit erheblich steigt. Idealerweise sollte eine separate Klimaanlage für den Umrichter verwendet werden. Werkstatt- oder zentrale Klimaanlagen sollten vermieden werden, da diese Öl, Staub und korrosive Gase aus der Luft in das Umrichtergehäuse einbringen und die Leistungselektronik und die mikroelektronischen Bauteile (integrierte Schaltkreise) des Umrichters beschädigen können. (2) Regelmäßige Inspektion und Wartung sind unerlässlich. ① Tägliche Betriebsprüfung: Achten Sie auf etwaige Anomalien. Dazu gehören beispielsweise ein fehlerhaftes Kühlsystem, Überhitzung, Verfärbungen, Gerüche, ungewöhnliche Geräusche und Vibrationen. Dokumentieren Sie regelmäßig, ob die elektrischen Eingangs- und Ausgangsparameter des Wechselrichters im Normbereich liegen. ② Regelmäßige Wartung: Führen Sie nach dem Abschalten des Wechselrichters Wartungsarbeiten durch. Neben der Reinigung und dem Festziehen der Anschlüsse sind folgende Punkte zu beachten (d. h. Schwachstellen des Wechselrichters): a. Sind die dielektrischen Kondensatoren verformt oder tritt dielektrische Flüssigkeit aus? Korrodieren sie die Leiterplatte, was zu einer Verringerung des Isolationswiderstands und damit zu IC-Fehlern führen kann? Ausländische Hersteller empfehlen, dielektrische Kondensatoren nach 3–5 Betriebsjahren auszutauschen. b. Reinigen Sie die Lüfter und Filter. Die Lüfter sollten ebenfalls nach 2–3 Betriebsjahren ausgetauscht werden. c. Ist die Leiterplatte korrodiert oder beschädigt? Eine Beschichtung, die Korrosion verhindert und die Isolationsleistung verbessert, ist empfehlenswert. In unserem Chemiefaserwerk wurden die Leiterplatten von Yaskawa-Wechselrichtern gereinigt, getrocknet und beschichtet, wodurch Dutzende beschädigter Wechselrichter repariert werden konnten. Diese Beschichtungstechnologie wurde auch erfolgreich bei über zehn Toshiba-Wechselrichtern eingesetzt – nach der Reparatur traten keine ähnlichen Fehler mehr auf. Selbstverständlich ist bei der Beschichtung besondere Sorgfalt geboten, um alle Steckverbinder zu schützen und zu verhindern, dass die Schutzfolie aufgesprüht wird, um Kontaktprobleme zu vermeiden. Konkret können die Steckverbinder vor der Beschichtung mit Abdeckmittel oder Kunststoffband abgedeckt werden. 4. Fazit: Die Einführung der AC-Frequenzumrichtersteuerung verfolgt zwei Ziele: Erstens die Erfüllung der Produktionsanforderungen durch Steigerung von Leistung und Qualität; zweitens die Energieeinsparung durch Drehzahlregelung von Lüftern und Wasserpumpen. Die Verbesserung der Zuverlässigkeit des Frequenzumrichtersystems ist entscheidend. Dies erfordert einerseits die Verbesserung der Qualität des Frequenzumrichters selbst, die Sicherstellung der Qualitätskontrolle bei Konstruktion, Komponentenauswahl, Fertigung, Installation und Prüfung; andererseits die korrekte Abstimmung des Frequenzumrichters und die Durchführung regelmäßiger Wartungsarbeiten.