Frequenzumrichter zähmen Normmotor

Frequenzumrichter sind heutzutage aus der Antriebstechnik nicht mehr wegzudenken. Dank der stürmischen Entwicklung in der Mikroelektronik lassen sie sich einerseits recht kostengünstig herstellen, was den Einsatz auch bei weniger anspruchsvollen Antriebsaufgaben ermöglicht. Andererseits können viele zusätzliche Funktionen integriert werden, was bei Einzelantrieben oft eine separate Steuerung ersetzt und bei komplexen Antriebsaufgaben die speicherprogrammierbare Steuerung entlastet. Fachleute schätzen den Markt bei einer zehnprozentigen Steigerung jährlich auf sechs Milliarden Mark im Jahr 2000. Nachfolgend zeige ich Ihnen am Beispiel von Danfoss, wie sich die Technik der Frequenzumrichter verändert. Die Praxis beim Schweißen von Rückenlehnen für Kfz-Sitze profitiert von den verbesserten Möglichkeiten dieser neuen Frequenzumrichter.

Bereits 1968 begann Danfoss in Dänemark als erstes Unternehmen in Europa, Frequenzumrichter serienmäßig zu produzieren. Aus diesen ersten Anfängen hat sich inzwischen eine eigene Antriebstechnik-Division entwickelt und aus den damals noch recht unhandlichen, großen Klötzen wurden kompakte Einbaugeräte, die im Schaltschrank verhältnismäßig wenig Platz benötigen.

Auch der Markt hat sich erheblich verändert. Von den 1996 in Deutschland installierten etwa 4,5 Millionen Drehstrom-Asynchronmotoren wurden bereits 3,5 Prozent im Bereich bis etwa 7,5 kW drehzahlgeregelt. Darüber bis zu 400 kW liegt dieser Anteil sogar bei 14 Prozent. Natürlich wäre es den Herstellern sehr viel lieber, wenn dieser Anteil schon viel größer wäre. Immerhin entwickelt sich der Markt mit jährlich zehn Prozent langfristig recht gut. Als Vorteile und Gründe für den Einsatz von Frequenzumrichtern stehen hier das steigende Automatisieren der Produktion, die Forderung nach flexibleren Produktionsmaschinen, die höhere und gleichbleibende Qualität der erzeugten Produkte und das Einsparen von Energie im Vordergrund.

ähnlich rasant verläuft auch die Entwicklung bei den Funktionsinhalten. Ging es zunächst hauptsächlich um das Steuern und Regeln der Drehzahl von Drehstrommotor-Asynchronmotoren, so stellt sich heute die Aufgabe, alle Regelprozesse, die durch Drehzahlregelung optimiert werden können, mit Frequenzumrichtern und außerdem möglichst dezentral vor Ort abzuarbeiten. Leistungsfähige Mikroelektronik, die ohnehin erforderlich ist, um die recht ¿verbogenen¿ Kurven der Asynchronmotoren in den Griff zu kriegen, kann natürlich noch viel mehr Aufgaben übernehmen.

Frequenzumrichter heißen bei Danfoss VLT (Velocity Control). Die neueste Entwicklung ¿ die Serie 5000 ¿ löst den Vorgänger 3000 ab. Weil die Zahl vier im asiatischen Raum negativ besetzt ist, wurde die 4000 in der Namensreihe ausgespart. Die neue Serie zeichnet sich durch ein ganzes Paket an Verbesserungen beziehungsweise Neuerungen aus. Hierzu gehört das sogenannte VVC-Verfahren (Voltage Vector Control) ¿ jetzt mit einem angehängtem ¿Plus¿ ¿, das den Betrieb wie am Netz ohne Leistungsreduktion zuläßt. Diese Technik arbeitet sensorlos, erlaubt also den Einsatz beliebiger Drehstrommotoren, die Sie jeweils mit Nennleistung betreiben können. Weil jetzt die Dynamik nur noch durch das Massenträgheitsmoment des Motors begrenzt wird, können Reaktionszeiten von kleiner als drei Millisekunden erreicht und Frequenzen von 0,003 Hertz aufgelöst werden. Das erlaubt servoähnliche Eigenschaften.

Ohne Rückführung betragen der Drehzahlverstellbereich 1:100 und das Losbrechmoment 180 Prozent des Nennmoments. Mit Drehzahlrückführung darf das Haltemoment bei Drehzahl Null 160 Prozent erreichen. Der Schlupf wird sehr genau kompensiert und die Ausgangsfrequenz sehr stabil gehalten; Drehzahlsteifigkeit und Gleichlaufeigenschaften entsprechen also hohen Anforderungen. Fünf Prozent Energie spart ein neuartiger Energieoptimizer, der den jeweiligen Betriebspunkt in kurzen Zyklen abfragt und optimiert.

Zunächst nutzten die Entwickler die integrierte elektronische ¿Intelligenz¿ dazu, das Bedienen und die Inbetriebnahme zu vereinfachen. Schon seit 25 Jahren genügen ¿Trennen, Klemmen und Schalten¿, um den Antrieb zu installieren und zu starten. Die automatische Motoranpassung benötigt lediglich die Eingabe von Motorleistung, Nennfrequenz und Motorspannung, um den Frequenzumrichter optimal auf den angeschlossenen Motor einzustellen. Natürlich können Sie die Parameter von der abnehmbaren Bedieneinheit kopieren, um so andere Frequenzumrichter in wenigen Sekunden einzustellen. Das alfanumerische Display bietet sechs Sprachen zur Auswahl und übersetzt sogar. Das heißt, Sie programmieren in einer Sprache und dokumentieren anschließend in einer anderen.

Bei Opel in Kaiserslautern zeigte mir Wilhelm Gabriel, Danfoss-Vertriebsbeauftragter für elektrische Antriebe in der Fördertechnik und im Maschinenbau, wie die neuen Frequenzumrichter hochkomplizierten Schweißautomaten für Rückenlehnen von Kraftfahrzeugsitzen auf die Sprünge helfen. Der direkte Vergleich mit den benachbarten Automaten in ansonsten gleicher Bauart zeigte deutlich die sehr viel ruhigeren Bewegungsabläufe, obwohl jetzt mit höheren Geschwindigkeiten gefahren werden kann. Die kompakte Bauweise der Umrichter gestattete den Einbau in den Schaltschrank, wodurch die Geräte einerseits leichter zugänglich sind und andererseits besser geschützt werden können.

Meister Gerhard Anton, Beauftragter für Projektarbeiten und kontinuierliche Verbesserungsprozesse, äußert sich geradezu begeistert über die verbesserten Antriebssysteme in der Zelle. Die erzielte kürzere Taktzeit soll vor allem dazu dienen, die Qualität zu optimieren. Schließlich läßt sich ja beispielsweise die Schweißzeit nicht beliebig verkürzen.

Vor allem der Antrieb des großen schwenkbaren Spannrahmens mit den integrierten Schweißbrennern profitiert von der exakten Lastausregelung des Frequenzumrichters, weil er ohne jedes überschwingen positioniert wird.

Der recht harte Wettbewerb in der Automobilindustrie verbietet es geradezu, allzu tief in die fertigungstechnischen Feinheiten oder gar die Stückzahlen einzudringen. Das hätte hier für Sie ohnehin wenig nachvollziehbaren Informationsgehalt. Schließlich dürften die wenigsten von Ihnen ebenfalls Rückenlehnen schweißen wollen. Am Ende des Beitrags finden Sie aber eine Kennziffer für das Unternehmen, das diese Fertigungszellen baut.

Wer genau hinsieht, erkennt auch bei dieser Anwendung den guten alten Drehstromnormmotor, der nicht nur preiswert ist, sondern sich durch seine Robustheit auszeichnet. Nicht umsonst nennt man ihn das Arbeitspferd der Elektrotechnik. Er übernimmt hier Aufgaben, die sonst Servoantriebe erforderten. Für alle Größen von 0,75 bis 400 Kilowatt kommt eine einheitliche Steuerkarte zum Einsatz. Als logistische Meisterleistung erscheint mir die Lieferzeit von drei Arbeitstagen innerhalb Europas. Sämtliche Geräte werden nämlich auftragsbezogen innerhalb von 24 Stunden in Serie gefertigt. Das bedeutet ja nicht nur eine äußerst flexible Arbeitsorganisation im Werk, sondern auch die leistungsfähige Einkaufslogistik mit Spezialisten ganz in der Nähe der wichtigsten Zulieferer.

Im Gegensatz zu vielen Anbietern stehen bei Danfoss die Frequenzumrichter im Mittelpunkt der Antriebsdivision. Das bedeutet, daß sich Vertrieb und Service weltweit ausschließlich mit der Drehzahlregelung durch Frequenzumrichter befassen. Diese Konzentration bietet den Kunden erwiesenermaßen einen erheblichen Knowhow-Vorsprung.

Bernhard Siegmund / September 1997