Dank der Weiterentwicklung von Transistor-, Gleichrichter- und Wechselrichtertechnologien ist der Einsatz von Frequenzumrichtern zur Drehzahlregelung von Wechselstrommotoren heute weit verbreitet. Frequenzumrichter sind in der Praxis äußerst zuverlässig und präzise und ermöglichen die Drehzahlregelung von Motoren mit unterschiedlichen Genauigkeitsstufen in verschiedenen Anwendungssituationen. Die Drehzahlregelung mit variabler Frequenz wird die Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren zunehmend ablösen. Die Entwicklung von Frequenzumrichtern umfasste die Phasen der direkten U/F-Regelung, der Hochleistungs-U/F-Regelung sowie der Vektorregelung und der direkten Drehmomentregelung. I. Funktionsprinzip des ABB ACS400 Frequenzumrichters : Das allgemeine U/F-Regelprinzip: Die Synchrondrehzahl eines Asynchronmotors, d. h. die Drehzahl des rotierenden Magnetfelds, beträgt n1 = 60f/p, wobei n1 die Synchrondrehzahl (U/min), f die Netzfrequenz (Hz) und p die Polpaarzahl ist. Die Wellendrehzahl des Asynchronmotors beträgt n = 60f * (1-s)/p, wobei s die Schlupfzahl des Asynchronmotors ist, s = (n1-n)/n1. Durch Ändern der Netzfrequenz lässt sich die Synchrondrehzahl des Asynchronmotors und somit die Drehzahl regeln. Bei der Drehzahlregelung eines Asynchronmotors ist es wünschenswert, den Hauptmagnetfluss des Motors konstant auf seinem Nennwert zu halten. Ist der Magnetfluss zu schwach, wird der Eisenkern nicht vollständig genutzt, was zu einem geringen elektromagnetischen Drehmoment und einer reduzierten Belastbarkeit des Motors bei gleichem Rotorstrom führt. Ist der Magnetfluss hingegen zu stark, gerät der Motor in einen übererregten Zustand mit übermäßigem Erregerstrom und Störungen, was eine nichtlineare Drehzahlregelung zur Folge hat. Daher muss sichergestellt werden, dass der Luftspaltmagnetfluss während des Drehzahlregelungsprozesses konstant bleibt. Der Effektivwert der elektromotorischen Kraft pro Phase des Stators eines Drehstrom-Asynchronmotors beträgt E₁ = 4,44f₁N₁øm, wobei E₁ die durch den Luftspaltmagnetfluss pro Phase des Stators induzierte elektromotorische Kraft, f₁ die Statorfrequenz (Hz), N₁ die Windungszahl der Statorwicklung und øm der magnetische Fluss pro Pol (Wb) ist. Wie aus der obigen Formel ersichtlich, wird der Wert von øm sowohl durch E₁ als auch durch f₁ bestimmt. Durch geeignete Regelung von E₁ und f₁ kann der Luftspaltmagnetfluss øm auf seinem Nennwert konstant gehalten werden. Es gibt zwei Fälle: 1. Drehzahlregelung mit konstantem Fluss und variabler Frequenz unterhalb der Grundfrequenz. Dies betrachtet den Fall der Drehzahlregelung von der Grundfrequenz (Nennfrequenz des Motors). Um einen konstanten Hauptmagnetfluss im Luftspalt des Motors aufrechtzuerhalten, muss die induzierte elektromotorische Kraft (EMK) bei gleichzeitiger Reduzierung der Netzfrequenz verringert werden, wobei das Verhältnis E1/f1 konstant gehalten wird, d. h. ein konstantes Verhältnis von EMK zu Frequenz für die Regelung gewährleistet ist. Dieses Regelungsverfahren ist auch als Drehzahlregelung mit konstantem Fluss und variabler Frequenz bekannt und gehört zur Drehzahlregelung mit konstantem Drehmoment. E1 ist jedoch schwer direkt zu erfassen und zu regeln. Bei hohen Werten von E1 und f1 ist der Spannungsabfall an der Statorstreuimpedanz relativ gering und kann vernachlässigt werden. Daher kann das Verhältnis von Statorphasenspannung U1 zu Frequenz f1 annähernd konstant gehalten werden, d. h. U1 = E1, und U1/f1 kann konstant gehalten werden. Bei niedrigen Frequenzen hingegen werden sowohl U1 als auch E1 kleiner, und der Spannungsabfall an der Statorstreuimpedanz (hauptsächlich der Spannungsabfall am Statorwiderstand) kann nicht mehr vernachlässigt werden. In diesem Fall kann die Statorspannung künstlich erhöht werden, um den Effekt des Spannungsabfalls am Statorwiderstand zu kompensieren, wobei der Magnetfluss im oberen Luftspalt im Wesentlichen unverändert bleibt. Wie in Abbildung 1 dargestellt, repräsentiert 1 die Spannungs-Frequenz-Kennlinie bei U1/f1 = C und 2 die Kennlinie bei Spannungskompensation (annähernd E1/f1 = C). Dies ist die Regelungsmethode mit konstantem Spannungs-Frequenz-Verhältnis, eine Näherung der Konstantflussregelung. 2. Feldschwächungs-Drehzahlregelung oberhalb der Grundfrequenz: Hierbei wird die Drehzahlregelung ausgehend von der Grundfrequenz betrachtet. Die Frequenz steigt schrittweise vom Nennwert an, die Spannung U1 ist jedoch durch die Nennspannung begrenzt und bleibt konstant. Dies führt zwangsläufig zu einer Abnahme des Hauptflusses mit steigender f1, was der Feldschwächungs-Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors entspricht und eine Näherung der Konstantleistungs-Drehzahlregelung darstellt. Siehe Abbildung 1. Aus der obigen Erläuterung geht hervor, dass die Frequenzregelung eines Asynchronmotors die gleichzeitige Änderung von Statorspannung und -frequenz nach einer bestimmten Regel erfordert. Das heißt, es muss über einen Frequenzumrichter eine Stromversorgung mit einstellbarer Spannung und Frequenz erhalten, um die sogenannte VVVF-Drehzahlregelung (Variable Voltage Variable Frequency) zu realisieren. Dies ist das Prinzip der allgemeinen U/F-Regelung von Frequenzumrichtern. II. Anwendung des ABB ACS400 Frequenzumrichters im Stromverteilerraum der Granulationsanlage: Der Sanju PM501-Motor wird mit einem ABB ACS400 Frequenzumrichter gesteuert. Beim Starten oder Stoppen des Motors wird das Start-/Stopp-Signal von der Feldbedieneinheit ausgegeben. Dieses Signal durchläuft das Zwischenrelais des Instruments und wird dann über den normalerweise offenen Kontakt des Zwischenrelais an den Frequenzumrichter weitergeleitet. Der Ausgang des Frequenzumrichters steuert anschließend das Starten/Stoppen des Motors. Entsprechend den Anforderungen wird die Motordrehzahl durch eine elektrische Potentiometersteuerung anstelle der üblichen 4-20-mA-Analogsignal-Eingangsmethode simuliert. Daher verwendet der ACS400 die elektrische Potentiometersteuerung, die durch das Öffnen und Schließen zweier digitaler Schalter simuliert wird. (1) Hardware-Verdrahtung des Frequenzumrichters: Das Betriebs- und Drehzahlsignal des Frequenzumrichters kann auf zwei Arten gesteuert werden: entweder direkt über die Tastatur oder extern durch Anlegen externer Signale an den Eingang des Frequenzumrichters. Da für die Drehzahlregelung des PM501-Motors eine externe Steuerung erforderlich ist, ist die externe Hardware-Verdrahtung von großer Bedeutung, da sie den Betrieb des Frequenzumrichters direkt beeinflusst. Der Eingang der externen Verdrahtung ist in der Abbildung unten dargestellt. Wie aus der Abbildung ersichtlich, wird die spezifische Funktion des Eingangssignals und des Beschleunigungs-/Verzögerungssignals für die Steuerung des Frequenzumrichters im praktischen Betrieb durch die eingestellten Frequenzumrichterparameter bestimmt. (2) Einstellen der Wechselrichterparameter: Nach dem Anschluss der Hardware-Verdrahtung müssen die Parameter korrekt eingestellt werden, damit der Wechselrichter ordnungsgemäß funktioniert. Der ACS400 bietet verschiedene Steuerungsmöglichkeiten: Werks-Makro: geeignet für allgemeine industrielle Anwendungen. Neben der Steuerung des Wechselrichters über die Tastatur kann der Betrieb auch über einen externen Eingang gesteuert werden. Manuelles/Automatisches Makro: für den lokalen und Fernbetrieb. Neben der Steuerung des Wechselrichters über die Tastatur kann dessen Betrieb auch über zwei externe Eingänge (nah und fern) gesteuert werden. Dazu gehören das PID-Makro für Regelungsprozesse im geschlossenen Regelkreis und die Drehmomentregelung für Prozesse, die eine präzise Drehmomentregelung erfordern. Die Parametereinstellungen variieren je nach Makro. Sie umfassen die Festlegung der Startdaten, der Betriebsdaten und der Schutzeinstellungen. In der Praxis sind die Festlegung der Start- und Betriebsdaten besonders wichtig. Bei der Festlegung der Startdaten werden das Anwendungsmakro für die Steuerung sowie die Nennspannung, der Leistungsfaktor usw. des Motors angegeben. Die Festlegung der Betriebsdaten ist besonders wichtig. Hier werden die Steuereingangspunkte für Start, Stopp und Drehrichtung, der Bereich, das Verhältnis und die Beschleunigungs-/Verzögerungszeit des Analogeingangs usw. angegeben. Im Folgenden finden Sie eine Liste und Erläuterung einiger wichtiger Parametereinstellungen für den Motor P501. 1. Parametertabelle für die Inbetriebnahme: In den Feldern 9902, 9905, 9906, 9907, 9908, 9909 und 9910 der Parametertabelle finden Sie die Nennwerte des Motors. Diese Werte werden anhand der Angaben auf dem Typenschild des Motors manuell in den Frequenzumrichter eingegeben. Die Nennparameter des Motors sind für den ordnungsgemäßen Betrieb des Frequenzumrichters von großer Bedeutung. Daher muss bei der Eingabe dieser Daten sichergestellt werden, dass sie mit den Werten auf dem Typenschild des Motors übereinstimmen. 2. Parametertabelle für den Betrieb: Die Bedeutung der einzelnen Felder ist wie folgt: —EXT1-BEFEHLE 2: Parameter 2 gibt an, dass Start, Stopp und Drehrichtung des Motors über DI1 und DI2 gesteuert werden. Bei DI1=1 läuft der Motor; bei DI1=0 steht der Motor still. DI1 wird vom Zwischenrelais K2 des Geräts gesteuert. Bei DI2=1 kehrt der Motor die Drehrichtung um. Wenn DI2=0 ist, dreht sich der Motor vorwärts. Da DI2 nicht tatsächlich angeschlossen ist, ist DI2 immer null, und der Motor kann sich nur bei Fernsteuerung vorwärts drehen. —EXT1/EXT2 SEL 6 Parameter 6 zeigt an, dass EXT1 zur Steuerung ausgewählt ist. Das Steuersignal von EXT1 wird durch die Parameter 1001 und 1103 bestimmt. —EXT REF1 SELECT 6 Parameter 6 = DI3U,4D(R). Dieses Signal simuliert ein elektrisches Potentiometer als Drehzahlsollwert. DI3 geschlossen = Drehzahl erhöhen, „U“ bedeutet Drehzahl erhöhen. DI4 geschlossen = Drehzahl verringern, „D“ bedeutet Drehzahl verringern. (R) zeigt an, dass der Sollwert auf 0 zurückgesetzt wird, wenn ein Stoppsignal empfangen wird. Die Änderungsrate der Solldrehzahl wird durch Parameter 2204 ACCELER TIME 2 gesteuert. —RELAY OUTPUT 1 3 Parameter 3 = FAULT(-1) (Fehler). Das Relais ist im Normalbetrieb eingeschaltet und im Fehlerfall ausgeschaltet. —RELAISAUSGANG 2 2 Parameter 2 = RUN (Betrieb). Das Relais schaltet, wenn der ACS400 läuft. —AO CONTENT 102 zeigt die Ausgangsdrehzahl des Frequenzumrichters an. —FEHLERRÜCKSETZUNG SEL 0 Parameter 0 = TASTENFELD (nur Tastatur), setzt den Fehler über die Tastatur zurück. Basierend auf den obigen Parametereinstellungen und Hardwareverbindungen lässt sich folgende Analyse durchführen: Aus den Eigenschaften des manuellen/automatischen Makros geht hervor, dass DI1=1 bedeutet, dass der Umrichter unter der Steuerung der externen Steuerung 1 arbeitet. In diesem Fall wird das Start-/Stoppsignal durch DI1 bestimmt. Da der Motor P501 seine Drehrichtung nicht ändern muss, ist DI2 nicht angeschlossen. Die Motordrehzahl wird durch EXT REF1 SELECT bestimmt. In den Parametereinstellungen wird EXT REF1 SELECT durch DI3U,4D(R) dargestellt. Der Wert von DI3U,4D(R) bestimmt die Motordrehzahl. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Motor PM501 unter der Steuerung von EXT1 arbeitet, wobei Start/Stopp über DI1 und die Drehzahl über DI3 und DI4 geregelt werden. Im Betrieb läuft er einwandfrei und weist eine gute Drehzahlregelung auf. III. Bestehende Mängel und Verbesserungsvorschläge: Der Frequenzumrichter verwendet zwei digitale Ausgänge: Relais 1 liefert dem Gerät ein Signal für einen „Frequenzumrichterfehler“, Relais 2 ein Signal für einen „Frequenzumrichterbetrieb“. Diese beiden Signale werden dem SPS-Eingangsmodul des Geräts zugeführt. Aktuell wird das Fehlersignal als Öffnerkontakt bereitgestellt, und Parameter 1401 (RELAISAUSGANG 1) ist in den Parametereinstellungen auf 3 gesetzt. Dies bedeutet: Im Normalbetrieb des Frequenzumrichters ist Relais 1 angesteuert und sein Öffnerkontakt geschlossen; im Fehlerfall ist Relais 1 abgeschaltet und sein Öffnerkontakt geöffnet. Wenn der Frequenzumrichter normal funktioniert, wird dem Gerät ein normalerweise geschlossener Kontakt zugewiesen, und die Kontrollleuchte für den Eingang „Frequenzumrichterfehler“ am SPS-Eingangsmodul des Geräts leuchtet dauerhaft. Bei einem Fehler des Frequenzumrichters wird dem Gerät ein normalerweise offener Kontakt zugewiesen, und die Kontrollleuchte ist aus. Darüber hinaus muss beim Programmieren der SPS für das Gerät das Signal „Frequenzumrichterfehler“ negiert werden, um die korrekte Logik zu gewährleisten. Daher weist diese Signalübertragung sowohl hinsichtlich der Programmierung als auch der intuitiven Darstellung gewisse Mängel auf. Laut Handbuch des Umrichters gibt Parameter 1401 = 4 an, dass im Normalbetrieb des Umrichters Relais 1 stromlos ist, sein normalerweise offener Kontakt geöffnet ist und die Fehlerkontrollleuchte nicht leuchtet. Umgekehrt wird bei einer Störung des Umrichters Relais 1 bestromt, sein normalerweise offener Kontakt geschlossen, und die Fehlerkontrollleuchte zeigt einen Fehler an. Dies ist das Gegenteil von Parameter 1401 = 3 und kompensiert somit die oben genannten Mängel. Darüber hinaus ist der Korrekturprozess sehr einfach und erfordert keine Änderungen an der Hardwareverdrahtung, sondern lediglich Anpassungen der Parametereinstellungen. Daher ist diese Verbesserung problemlos realisierbar. Zweitens wird empfohlen, den Hauptstromkreis und den sekundären Steuerstromkreis anzupassen, um zu verhindern, dass Wechselrichterausfälle den Gerätebetrieb beeinträchtigen. Bei einer Wechselrichterstörung sollte ein Netzfrequenz-/Wechselrichterschalter verwendet werden, um den Hauptstromkreis auf Netzfrequenz umzuschalten, den Wechselrichter zu trennen und so den kontinuierlichen Motorbetrieb sicherzustellen. Alternativ kann der Hauptstromkreis auf Netzfrequenz umgeschaltet werden, um den Wechselrichter zu Testzwecken zu trennen. Sobald die einwandfreie Funktion des Wechselrichters bestätigt ist, kann wieder auf Wechselrichtersteuerung umgeschaltet werden. Dies gewährleistet den kontinuierlichen und stabilen Betrieb des Geräts. IV. Zusammenfassung: Mit der Weiterentwicklung von Frequenzumrichtern wird deren Einsatz bei Wechselstrommotoren immer üblicher, und ihre Drehzahlregelungsleistung verbessert sich stetig. Experten prognostizieren, dass die Drehzahlregelung mit variabler Wechselstromfrequenz die Drehzahlregelung mit Gleichstrom schrittweise ersetzen wird. Daher werden Frequenzumrichter zukünftig weit verbreitet sein, und ein korrektes Verständnis ihrer Funktionsweise und Anwendung ist von entscheidender Bedeutung. Bei Sanju werden viele Motoren mit Frequenzumrichtern zur Drehzahlregelung betrieben. Der Frequenzumrichter der Serie ACS400 bietet eine hervorragende Drehzahlregelung, seine Parametereinstellungen sind jedoch etwas komplex. Diese Einstellungen können vereinfacht werden, um den Regelungsanforderungen gerecht zu werden. Einige Vorschläge wurden bereits gemacht; wir freuen uns über Ihr Feedback und Ihre Korrekturen. Referenzen: Moderne elektrische Steuerungstechnik – Chongqing University Press, Gu Leguan Benutzerhandbuch für den Frequenzumrichter ACS 400 – Beijing ABB Electric Drive Systems Co., Ltd.