1. Einleitung Die Drehzahlregelung mittels Wechselstrom mit variabler Frequenz findet breite Anwendung in verschiedenen Kransystemen. Die Gleichrichter- und Wechselrichterschaltungen von Frequenzumrichtern verwenden hauptsächlich Halbleiterschalter. Neben der Grundfrequenzkomponente enthalten die Eingangs- und Ausgangsspannungen und -ströme Oberschwingungen. Diese Oberschwingungen können andere im Kran integrierte elektrische Betriebsmittel in unterschiedlichem Maße beeinträchtigen. Im Extremfall können sie zu Fehlfunktionen oder sogar zum fehlerhaften Betrieb dieser Geräte führen und somit die Gesamtzuverlässigkeit des Krans verringern sowie die Sicherheit von Anlagen und Personen gefährden. 2. Auswirkungen von Frequenzumrichtern auf andere elektrische Betriebsmittel Die negativen Auswirkungen der von Frequenzumrichtern erzeugten Oberschwingungen auf andere elektrische Betriebsmittel lassen sich in drei Kategorien einteilen. 2.1 Verursachung von Netzspannungsverzerrungen Die in Kranen üblicherweise verwendeten Spannungsquellen-Frequenzumrichter verfügen auf einer Seite ihres Eingangskreises über eine AC/DC-Gleichrichterschaltung. Da die Gleichspannung des Gleichrichterkreises nach der Filterung durch einen Glättungskondensator an nachfolgende Schaltungen ausgegeben wird, entspricht der dem Frequenzumrichter zugeführte Strom dem Ladestrom des Glättungskondensators (siehe Abbildung 1). Aufgrund der internen Impedanz gilt: Je höher die Leistung des Frequenzumrichters, desto steiler ist der Anstieg des Eingangsstroms und desto geringer die Verzerrung der Eingangsspannung; umgekehrt gilt: Je niedriger die Leistung des Frequenzumrichters, desto glatter der Stromverlauf und desto größer die Verzerrung der Spannung. Diese Verzerrung von Strom und Spannung kann zu Überhitzung, Geräuschen und Vibrationen in Geräten wie dem Hauptmotor des Krans, dem Bremskraftantrieb, Schützen, Relais und der Gleichstromversorgung führen und deren Lebensdauer und Betriebsgenauigkeit beeinträchtigen. 2.2 Entstehung von Funkstörungen (Funkrauschen): Die meisten aktuell verwendeten Frequenzumrichter arbeiten mit Pulsweitenmodulation (PWM). Der Ausgangsstromverlauf des Frequenzumrichters nach der Invertierung ähnelt einer Sinuswelle, was einen ruhigen Motorlauf ermöglicht und Energieverluste durch Drehzahl- und Stromschwankungen reduziert. Da die Halbleiter-Schaltelemente im Wechselrichterkreis bei Verwendung der Pulsweitenmodulation (PWM) mit einer relativ hohen Frequenz (über 4 MHz) arbeiten, treten im Ausgangsspannungs- und -strom des Frequenzumrichters Oberschwingungen auf. Die höchste Frequenz dieser Oberschwingungen kann 20 MHz erreichen und führt durch elektrostatische und elektromagnetische Induktion zu Funkstörungen. Elektromagnetische Störungen lassen sich in leitungsgebundene und abgestrahlte Störungen unterteilen. Erstere breiten sich über die Stromversorgungsleitungen aus, während letztere direkt von den in die Luft abgestrahlten elektromagnetischen Wellen und Magnetfeldern ausgehen. Leitungsgebundene Störungen entstehen durch hochfrequente Spannungsänderungen (dV/dt) der Ausgangsspannung. Sie können die Isolation des Hauptmotors beeinträchtigen, Resonanzen mit dem mechanischen Wellensystem hervorrufen und die Wellenspannung an beiden Enden der Motorrotorwelle sowie zwischen Welle und Lagern erhöhen. Dies kann durch Ölfilmentladung zu vorzeitigem Verschleiß von Welle und Lagern führen. Leitungsgebundene Störungen können den normalen Betrieb der SPS stören, den Fehler des Lastbegrenzers erhöhen und Fehlfunktionen von elektronischen Näherungsschaltern und Lichtschranken verursachen. Die hochfrequenten elektromagnetischen Störungen des Frequenzumrichters konzentrieren sich hauptsächlich im Frequenzband von 150 kHz bis 1,5 MHz. Diese Störungen können Geräte wie Funkgeräte für die Krankommunikation, einige drahtlose Kranfernsteuerungen, drahtlose Hakenwaagen, Fahrerkabinenradios und -verstärker sowie Telefone beeinträchtigen und deren Qualität und Effektivität mindern. 2.3 Es entstehen Probleme wie Motorgeräusche, Rattern, Überhitzung und Drehmomentverlust. Die Ausgangsspannung des Frequenzumrichters ist keine Sinuswelle, und der Motorstrom weist ebenfalls viele Oberschwingungen auf. Bei Drehzahlregelung mit variabler Frequenz vibrieren die Motorwicklungen und der Kern und erzeugen aufgrund dieser Oberschwingungen magnetische Störungen. Im Vergleich zu einem Direktantrieb mit sinusförmiger Netzspannung ist der Geräuschpegel eines frequenzumrichtergesteuerten Motors in der Regel um 5–11 dB höher. Aus denselben Gründen wie bei der Geräuscherzeugung nehmen auch die Systemvibrationen zu, insbesondere das durch die 5. und 7. Harmonische erzeugte pulsierende Drehmoment. Dies führt zu erheblichen Schwankungen im Ausgangsdrehmoment des Frequenzumrichters. Aufgrund dieser Drehmomentschwankungen kann das System zudem mit dem mechanischen System in Resonanz geraten, was die Vibrationen weiter verstärkt. Durch den Einfluss der Harmonischen steigt der Strom des drehzahlgeregelten Motors selbst bei gleicher Last und Frequenz um 5–10 %, und die Motortemperatur steigt höher als im Netzbetrieb. Da herkömmliche Motoren durch Lüfter an der Motorwelle gekühlt werden, kommt es bei kontinuierlichem Betrieb mit niedriger Drehzahl aufgrund unzureichender Kühlleistung zu Überhitzung. 3. Maßnahmen bei Systemauslegung und -konfiguration Bei der Auslegung elektrischer Kransteuerungssysteme hat die Zuverlässigkeit stets oberste Priorität. Neben dem hohen Übersetzungsverhältnis, dem sanften Anfahren und Bremsen sowie den hervorragenden dynamischen und statischen Drehzahlregelungseigenschaften der Frequenzumrichter muss die Gesamtleistung der Maschine berücksichtigt werden. Werden die notwendigen Maßnahmen nicht vor der Systemauslegung ergriffen und Probleme erst nach der Inbetriebnahme des Frequenzumrichtersystems entdeckt, lassen sich Gegenmaßnahmen nicht vollständig umsetzen oder die Kosten für deren Behebung sind zu hoch. Die Berücksichtigung verschiedener Gegenmaßnahmen in der Auslegungsphase ist die einzige Möglichkeit, Probleme präventiv zu vermeiden. 3.1 Maßnahmen zur Unterdrückung von Netzspannungsverzerrungen 3.1.1 Drosseln werden in Reihe in den Haupt-Wechselstrom-Eingangskreis jedes Mechanismus geschaltet. Durch das Hinzufügen von Drosseln kann der Spitzenwert der Stromimpulse reduziert und somit die Stromwellenform verbessert werden. Die Drosseln sollten so gewählt werden, dass der Spannungsabfall 2 % bis 5 % der Nennlastspannung beträgt. Beispielsweise kann eine Drossel mit einem Spannungsabfall von 5 % den Anteil an Oberschwingungen um etwa 30 % reduzieren. 3.1.2 LC- oder RC-Filter werden parallel in den Primär- und Sekundärkreis geschaltet. Durch Begrenzung und Resonanzkreise zur Unterdrückung von Oberschwingungen, die aus Reaktanzkondensatoren bestehen, kann die Absorption von Oberschwingungen erreicht werden. Aus praktischen Gründen und zur Kostenreduzierung verzichten herkömmliche Krane in der Regel auf aktive Filter. 3.1.3 Gleichrichterschaltungen mit technischer PWM-Steuerung sollten möglichst häufig eingesetzt werden. Diese Steuerungsmethode weist die gleiche Schaltungsstruktur wie die PWM-gesteuerte Wechselrichterschaltung auf und kann die Eingangsstromwellenform des Frequenzumrichters so steuern, dass sie sich einer Sinuswelle annähert. Dies führt zu sehr geringen Oberwellenanteilen. Der Nachteil dieser Gleichrichterschaltung liegt jedoch in ihrer komplexen Schaltungsstruktur und den hohen Kosten. 3.2 Maßnahmen zur Unterdrückung elektromagnetischer Störungen 3.2.1 Zur Unterdrückung leitungsgebundener Störungen, die sich über die Stromleitung ausbreiten, können Trennfiltertransformatoren zur Isolierung hochfrequenter Komponenten eingesetzt werden. Gleichstromdrosseln können in Reihe in den Gleichstromkreis geschaltet werden, um die Impedanz gegenüber Oberwellenanteilen zu erhöhen. Außerdem können Netzfilter in Reihe am Eingang des Frequenzumrichters geschaltet werden. 3.2.2 Abgestrahlte Störungen werden hauptsächlich durch verschiedene Faktoren bestimmt, wie z. B. die Schutzstruktur des Frequenzumrichters selbst und die Verkabelung der Motorkabel. Die Unterdrückung abgestrahlter Störungen ist schwieriger als die Unterdrückung leitungsgebundener Störungen. Bei der Implementierung ist die Verdrahtungslänge zu minimieren und die Leiter zur Impedanzreduzierung zu verdrillen. Es ist ein Frequenzumrichter mit Metallgehäuse und Gussgehäuse zu wählen und das Gehäuse zu erden. Die Eingangs- und Ausgangskabel sind in Schutzrohren zu verlegen und zu erden. Am Ausgang des Frequenzumrichters sind eine Ausgangsdrossel und ein Ausgangsfilter zu installieren. 3.3 Maßnahmen zur Reduzierung des Systemgeräuschs 3.3.1 Verwenden Sie einen hochsteifen Frequenzumrichtermotor mit geringer magnetischer Flussdichte, einem Eisenkern mit Anti-Querstrom-Vorkehrungen und einem Gusseisengehäuse. 3.3.2 Wählen Sie geräuscharme Lüfter und Drosseln. 3.3.3 Fügen Sie einen Sinusfilter zwischen Frequenzumrichter und Motor ein, um die Ausgangswellenform in eine Sinuswelle umzuwandeln. 3.4 Maßnahmen zur Dämpfung von Systemschwingungen 3.4.1 Reduzieren Sie das V/f-Verhältnis beim Anlauf. 3.4.2 Ersetzen Sie starre Kupplungen durch flexible Kupplungen. 3.4.3 Fügen Sie eine Drossel zwischen Frequenzumrichter und Motor ein. 3.4.4 Ändern Sie die PWM-Trägerfrequenz. 3.5 Maßnahmen zur Vermeidung von Motorüberhitzung 3.5.1 Stellen Sie den Motor von Eigenkühlung auf externe Kühlung um. 3.5.2 Wählen Sie einen Motor mit einer um eine Stufe höheren Leistung. 3.5.3 Verbessern Sie die Isolationsklasse des Motors, um die Anforderung der erhöhten oberen Temperaturerhöhungsgrenze zu erfüllen. 3.5.4 Verwenden Sie einen speziellen Frequenzumrichter. 3.5.5 Steuern Sie den Betriebsbereich des Motors, um einen Dauerbetrieb mit niedriger Drehzahl zu vermeiden. 4. Fazit Der Einsatz von AC-Frequenzumrichtern in Kranen ist ausgereift. Ihre hervorragende Drehzahlregelung und -steuerung werden von Technikern allgemein anerkannt. Allerdings müssen bei einer breiten Anwendung auch die negativen Auswirkungen berücksichtigt werden, um einen sichereren und zuverlässigeren Betrieb zu gewährleisten. Darüber hinaus werden die derzeit in Kranen eingesetzten technischen Frequenzumrichter direkt oder indirekt aus einigen Industrieländern importiert. Kundendienst, Wartung, Notfallreparaturen und die Ersatzteilversorgung nach der Inbetriebnahme schränken die Zuverlässigkeit des Kranbetriebs erheblich ein und erhöhen die Betriebskosten für die Endnutzer. Diese Probleme müssen auch von chinesischen Ingenieuren und Eigentümern angegangen werden.