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PRO-Kosten-FU-06-06-23
 

Über die versteckten Kosten
von Frequenzumrichtern

 

Frequenzumrichter gewinnen in der Automatisierungstechnik zunehmend an Bedeutung. Viele Automatisierungsaufgaben, die bisher von EC und DC Motoren sowie von diversen Servo­motoren realisiert wurden, übernehmen mehr und mehr Drehstrom-Normmotoren zusammen mit Frequenzumrichtern. Dies reduziert die Kosten der Antriebskomponenten im Vergleich zu den Servoantrieben erheblich. Der monetäre Gewinn scheint jedoch den Blick auf mögliche weitere Kostensenkungen für Antriebe mit Frequenzumrichtern zu versperren.

 

Untersuchungen des Antriebsspezialisten KIMO zeigten jedoch, dass besonders bei Anwendungen mit hoher Schalthäufigkeit der Antriebe noch ein großes Einsparungspotential sowohl für den Anlagenbauer als auch für den Betreiber der Anlagen besteht.

 

Die nicht auf den ersten Blick erkennbaren weiteren Kosten der Antriebe mit Frequenzum­richtern werden nachfolgend beschrieben:

 

 

Autor: Engelbert Reitter, Entwicklungsleiter der Firma KIMO, Antriebstechnik Erlangen.



 

Anschaffungskosten:

Die Anschaffungskosten sind sofort klar erkennbar. So hat z.B. ein 1,1 kW Frequenz- umrichter eines Anbieters seinen Preis, der mit anderen Anbietern zu vergleichen ist. Doch Vorsicht! Bei einem Anbieter sind einige oder alle erforderlichen Baugruppen bzw. Aggregate im Preis enthalten, ein anderer Anbieter nennt nur den Preis für den Frequenzumrichter. Die zusätz- lich erforderlichen Filter am Eingang (EMV-Filter) und am Ausgang (du/dt-Filter), Schnitt- stellenbaugruppe, Bedien- konsole, Brems-Chopper, Bremswiderstände, Lüfter usw. erscheinen zunächst nicht. Sie können zusammen jedoch die Kosten des Frequenz- umrichters erreichen oder sogar übersteigen.

 

 

 

Projektierungskosten, Konstruktionskosten:

Im günstigsten Falle ist nur der Elektro-Schaltplan zu entwerfen. Damit ist die Konstruktion bei Frequenz- umrichtern mit analogen und digitalen Steuersignalen über Ein/Ausgänge der Steuerung abgeschlossen. Bei Frequenz- umrichtern mit Datenschnitt- stellen muss in der Regel neben der Konstruktions- abteilung auch die Soft- wareabteilung eingeschaltet werden, um die Programme für die Kommunikation zu planen, zu re­alisieren und zu testen. Dies ist mit entsprechendem Mehraufwand verbunden.

 

Raumkosten:

Automatisierte Anlagen, die z.B. ausgestattet sind mit Robotern, Handlingsgeräten und anderen reversierenden Arbeitsmaschinen, sind oft mit einer Vielzahl von An­trieben ausgerüstet. In der Regel werden die zugehörigen Frequenz­umrichter in Schalt- schränke ein­gebaut. Jeder Frequenzumrichter und seine zusätzlichen Aggregate erfordern in Abhängigkeit vom Her­steller deutlich unter- schiedlich große Montage- flächen im Schaltschrank. Dies geht direkt in die Gesamtkosten einer Schalt- anlage ein. Die Nase hat natürlich der Anbieter vorn, der möglichst wenig oder noch besser keine zusätzlichen Aggregate für seine Frequenzumrichter benötigt. Bei mehreren Antrieben mit
 

 

den üblichen zusätzli­chen Aggregaten können schnell ein oder mehrere Schaltschränke zusätzlich erforderlich werden.

 

So hat ein typischer 4 kW Frequenzumrichter einen Bedarf an Grundfläche der Montageplatte von ca. 6 dm², dies einschließlich des Bedarfes an Abstandsfläche zum nächsten Frequenz- umrichter zur Wärmeab- führung. Hinzu kommt eine Fläche in der gleichen Größenordnung für die Eingangs- und Ausgangsfilter sowie für die Brems- widerstände. Je nach Er- fordernissen an Aggregaten können in einen 1 x 2 m² Schaltschrank 10 bis 20 Frequenzumrichter ein- schließlich Klemmleisten eingebaut werden, wenn die Wärmebilanz dies zulässt.

 

Klimatisierungskosten:

Bei großer Schalthäufigkeit der reversierenden Antriebe der Automatisierungstechnik wird vom Brems-Chopper und von den Bremswiderständen im Schaltschrank soviel Wärme- energie abgegeben, dass dieser Wärme Rechnung getragen werden muss. Entweder es werden weniger Frequenzumrichter in einen Schaltschrank einge­baut oder ein zusätzliches Klima­gerät mit entsprechend großer Nennleistung zur Wärme- ausleitung muss installiert werden. Beide Maß­nahmen erhöhen die Kosten für die Antriebe erheblich. Die Klima-
 

 

geräte verursachen zusätz- liche Energiekosten und sie sind erfahrungsgemäß wartungsabhängig.

 

Berechnungen an typischen An­wendungsbeispielen zeigen auf, wie groß die Energie ist, die durch Bremswiderstände zusätz- lich zur allgemeinen Verlustenergie des Frequenzumrichters und der Verlustenergie der Filter in den Schaltschrank einge- tragen wird, und können bei KIMO angefordert werden.

 

Der Wirkungsgrad eines Frequenz­umrichters beträgt für 400 V Nenn­spannung 90 bis 95 %. Dies sind bei einem 1,1 kW Frequenzum­richter 50 Watt bis 100 Watt bei Nennlast. An den Ein- und Ausgangsfiltern beträgt die Verlustleistung jeweils ca. 30 W, so dass insgesamt eine als Wärme abzu­führende Leistung von ca. 110 W bis 160 Watt je Frequenzumrichter zusätz- lich zur Bremsenergie ab­zuführen ist. Bei hoher Schalthäu­figkeit überwiegt jedoch die Brems­energie.

 

Um eine große Packungs- dichte an Frequenz- umrichtern in einem Schaltschrank zu erreichen, ist ein aufwändiges Wärme- management erforderlich. Neben den bekannten Schaltschrank-Kühlgeräten werden auch wassergekühlte Montageplat­ten, Heat-Pipes, forcierte Fremdluft-Kühlungen u.a. verwendet.

 


 

Ein anderer Weg zur Reduzierung des Schalt- schrank-Raumbedarfes wird durch Auslagerung der Fre­quenzumrichter aus dem Schalt­schrank an den von sich aus schon warmen Motor beschritten. Spezial­motoren mit großen Gehäusen für die Frequenzumrichter und mit großen Kühlrippen kenn- zeichnen diesen Weg, der für diese Kombi­nation mit erheblichen Kosten ver­bunden ist. Meist besteht dann eine Abhängigkeit vom Lieferanten des kombinierten Motors und Fre­quenzumrichters. Dies führt in der Regel zu nicht wettbewerbsfähi­gen Kosten.

 

Montage- und Inbetriebnahme­kosten:

Die Lastkabel vom Frequenzum­richter zum Motor müssen aus Gründen der Störstrahlung abge­schirmt werden. Dabei ist auf sorg­fältigen Anschluss der Schirme zur Erzielung der notwendigen HF Eigen- schaften zu achten. Die be­sonderen Kabel einschließlich ihre schwierigere Verlegung und die speziellen Anschlüsse sind zu den weiteren Kosten des gesamten Antriebes zu zählen.

 

 

Bei der Inbetriebnahme von digitalisierten Frequenz- umrichtern sind eine Reihe von Parametern einzu­geben und auf Richtigkeit zu tes­ten, was neben speziellem Wissen des Inbetriebnehmers auch Inbetriebnahmezeit kostet. Oft kommt noch hinzu, dass Anfangsprobleme der Daten- übertragung über einen seriellen Feldbus zu behe­ben sind.

Einfacher ist die Inbetriebnahme der Frequenz- umrichter, die mit ana­logen und diskreten digitalen Ein-/Ausgängen mit der Steuerungs­elektronik der Anlage kommuni­zieren. Im Fehlerfalle kann die Analyse mit einfachsten Messgerä­ten und ohne Softwarekenntnisse schnell durchgeführt werden. Allein eine zusätzlich erforderliche Reise eines Softwarespezialisten, die nicht geplant war, kann jede Kalku­lation der Antriebskosten schnell zur Fehlkalkulation werden lassen.

 

Wartungskosten:

Über Wartungsaufwand wird bei Frequenzumrichtern selten ge­sprochen. Kurzfristig ist dies auch richtig. Doch langfristig unterliegt der typische Frequenzumrichter einem

 

Verschleiß, mindestens des schwächsten Gliedes, nämlich des Elektrolyt- kondensators im Zwischen­kreis. Die Alterung erfolgt mit zuneh­mender Umgebungs- temperatur zu­nehmend schneller. So ist bei Dau­erbetrieb und bei einer Arbeits­temperatur von typisch 90°C am Kondensator im Inneren des Frequenz­umrichters mit einer Lebens­dauer von nur 3 bis 5 Jahren je nach Qualität des Elektrolytkonden­sators zu rechnen. Die abnehmen­de Kapazität führt zur Leistungsmin­derung oder zum völligen Ausfall des Frequenz­umrichters. Beson­ders im unteren Leistungs­bereich ist eine Reparatur meist unrenta­bel. Es muss dann nach Ablauf der Garantie ein neuer Frequenzum­richter an­geschafft und eingebaut werden.

 

Energiekosten:

Die Wirkleistung zum Beschleuni­gen und zum Antreiben der Ar­beitsmaschine ist bei allen Fre­quenzumrichtern auf­zu­bringen. Zu­sätzlich treten in Abhängigkeit vom Wirkungs­grad des jeweiligen Fabri­kates unterschiedlich große Verlust­leistungen auf, die ebenfalls zu bezahlen sind.

 

 


 

Hierzu gehören auch die Kosten für den Blindstrom oder für eine Blindstrom­kompensation bei einem cos φ kleiner 1.

Des weiteren fallen die Kosten für die Verlustleistungen an den zusätz­lichen Aggregaten und für die allge­meine Verlustleistung im Frequenz­umrichter an. Nicht zuletzt sind die Kosten zur Entwärmung des Schalt­schranks durch die Klima­anlage zu nennen, die besonders dann hoch sind, wenn bei großer Schalthäufig­keit die Bremswiderstände eine große Wärmequelle darstellen.

 

Die KIMO Frequenzumrichter der U2-Serie:

Die Erkenntnisse über die gesam­ten Kosten von Antrieben mit Fre­quenz­umrichtern waren zugleich die anspruchsvolle Aufgabenstel­lung für die Entwickler des Antriebs­ spezialisten KIMO. Als Ergebnis wartet jetzt die U2-Serie von zur Zeit 4 ... 200 kW für den Anwender mit überraschenden neuen techni­schen Lösungen der beschriebenen Problemfelder auf. Als besonderer Vorteil ist zu erwähnen, dass die genannten verdeckten Kosten voll­kommen oder weitgehend entfallen.

 

In Kurzform werden nachfolgend die Highlights der U2-Serie mit ihren Ersparnissen in den aufgelisteten Problemfeldern beschrieben:

Anschaffungskosten :

Kompletter Frequenz­umrichter. Keine zusätzlichen Filter am Eingang und Ausgang erforderlich. Keine Bremswiderstände oder Brems-Chopper erforderlich.

Projektierungskosten, Konstruktionskosten:

Steuerung bevorzugt über analoge Normsignale und digitale Ein-/Aus-gänge.

Raumkosten:

Durch die nicht erforderlichen zu­sätzlichen Aggregate wird wenig Grundfläche benötigt. Wegen der nicht benötigten Bremswiderstände, die Wärme erzeugen würden, kön­nen mehrere Frequenz­umrichter dicht gepackt in Schaltschränke

 

 

oder einzeln in Kleingehäuse mit hoher Schutzart zur Dezentralisie­rung eingebaut werden.

Klimatisierungskosten:

Die Bremsenergie wird nützlich in das Netz zurück gespeist. Sie heizt den Schaltschrank nicht auf, was keine zusätzlichen Kosten zur Kli­matisierung erfordert.

Montage- und Inbetriebnahme-kosten:

Keine abgeschirmten Leitungen zum Motor erforderlich.

Wartungskosten:

Kein Elektrolytkondensator für die Zwischenkreisspannung ergibt eine lange Lebensdauer des Frequenz­umrichters.

Energiekosten:

Keine Blindstromkosten durch cos φ ≈ 1. Niedriger bis kein zusätzli­cher Kühlaufwand, nicht zuletzt weil die Bremswiderstände entfallen und die Bremsenergie nutzbringend in das Netz zurück gespeist wird.

Rückspeisefähige Frequenzumrichter TRANSOMIK ® U2 So logisch diese Antworten auf die versteckten Kosten der Frequenz­umrichter auch sind, so stellten sie zu ihrer Kosten neutralen Realisie­rung von hoch dynamischen Antrie­ben als weitere vorgegebene Aufgaben- stellungen eine große Herausforderung selbst für die auf dem Gebiet der elektrischen Antriebe und der modernen Leistungselek­tronik sehr erfahrenen Entwickler der Firma KIMO dar.

Die konsequenten und kompromiss­losen Lösungen setzten dort an, wo der größte Kundennutzen
besteht.
Auf eine
komplexe
Realisierung
mit noch

 

mehr Parametern und Steuerungs­funktionen, die einen erhöhten Zeitbedarf mit zusätzlicher Einar­beitung des Anwenders erfordern würden, wurde bewusst verzichtet.

Die Konzentration auf das Wesent­liche für den Praktiker und auf die ge­samten Antriebskosten stellt die neue U2-Serie der Firma KIMO dar, die mit weiteren bemerkenswerten Vorteilen für den Anwender aufwartet:

Ohne Verzögerung ein- und
 ausgangsseitig schaltbar

Weiter AC und DC
 Eingangsspan­nungsbereich

Für den Einsatz von
 Fehlerstrom­schaltern geeignet

Nahezu sinusförmiger
 Primärstrom

Geringe Netzharmonische /
 Einhaltung der Vorschriften
 nach EN 61000-3-12

Geringe Lagerströme

Kein Kurzschluss bei
 Momentenwechsel oder
 Wechselrichterkippen wie
 bei Gleichstromantrieben

Hervorragende Rundlauf-
 Eigenschaften auch bei
 sehr kleiner Drehzahl.

Zur Dezentralisierung in
 Gehäusen mit Schutzart bis
 zu IP 65 verfügbar

 

 


 


KIMO Industrial Electronics GmbH
Am Weichselgarten 19, D-91058 Erlangen, Deutschland
Tel.:+49 9131-6069-0  Fax.:+49 9131-6069-35
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Rezertifizierung nach ISO 9001 und Transition nach ISO9001:2015 erfolgreich bestanden
Im April 2017 wurde die KIMO das sechste Mal in Folge rezertifiziert! Gleichzeitig wurde das QM-System auf die aktuellen Anforderungen der ISO 9001:2015 erfolgreich umgestellt.

Das Zertifikat nach ISO 9001:2015 stellen wir Ihnen bei Bedarf gerne zur Verfügung! Bitte nutzen Sie unser Kontaktformular.
MINT-Nachwuchsförderung
KIMO sponsort auch 2017 das Tec2You-Programm der Hannover Messe Industrie! Eine Schülergruppe des Kaiser-Heinrich Gymnasiums in Bamberg wird so die Messe geführt erkunden und Technik zum Anfassen erleben.

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