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Oct 21, 2023

Mikro-VFDs erhalten Makrofunktionen

Obwohl es immer noch einfache kleine VFDs gibt, gibt es dafür mehrere zwingende Gründe

Obwohl es immer noch einfache kleine VFDs gibt, gibt es für OEMs, Bastler und andere Endbenutzer mehrere überzeugende Gründe, neuere und äußerst leistungsfähige Mikro-VFDs zu verwenden. Diese Funktion erschien ursprünglich in der Juni-Ausgabe 2022 des InTech-Magazins.

Wir haben den Trickle-Down-Effekt der Technologie miterlebt. Von teuren Luxusautos bis hin zum jedes Jahr neusten Mobiltelefon verfügt das Topmodell fast immer über exklusive Features. Allerdings werden sparsame und geduldige Verbraucher – im Gegensatz zu Early Adopters – irgendwann erleben, dass dieselben Technologien für kostengünstigere Produkte verfügbar werden. Dieses ziemlich universelle Modell erstreckt sich über viele Branchen, darunter auch die industrielle Automatisierung. Benutzer von AC-Frequenzumrichtern (VFD) profitieren weiterhin von neuen Funktionen, die früher nur bei Flaggschiffprodukten verfügbar waren.

Bei Anwendungen mit Maschinen, Pumpen und anderen Geräten muss häufig die Drehzahl von Elektromotoren gesteuert werden. Früher bestand die einzige Möglichkeit, die Drehzahl eines Elektromotors zu variieren und gleichzeitig das volle Drehmoment unterhalb der Grunddrehzahl aufrechtzuerhalten, in der Verwendung eines Gleichstrommotors und eines Gleichstromantriebs. Dies lag daran, dass die ersten Wechselstrom-Frequenzumrichter nur im V/Hz-Modus arbeiteten und bei jeder Verringerung unter ihre Grunddrehzahl proportional an Drehmoment verloren. Sobald jedoch der Flussvektor-Wechselstrom-Frequenzumrichter verfügbar war, konnten 100 % des Drehmoments des Motors über den gesamten Drehzahlbereich von Null bis zur Grunddrehzahl erzeugt werden. Frühe Flussvektor-Wechselstrom-Frequenzumrichter hatten mehrere Probleme. Es standen begrenzte PS-Bereiche zur Verfügung; Die Einheiten waren groß und in einem von anderen Geräten entfernten Raum untergebracht. und lange Kabellängen verursachten elektrische Probleme. Dabei handelte es sich ebenfalls um teure, speziell entwickelte Antriebssysteme. Schließlich trat der Trickle-Down-Effekt auf, und Flux-Vector-VFDs wurden als verpackte Produkte verkauft, die für viele Anwendungen geeignet waren. Für Basisanwendungen, die nur eine einfache V/Hz-Steuerung benötigen, blieben kostengünstigere VFDs verfügbar. Zu Beginn der 2000er Jahre wurden weniger kundenspezifische Systemantriebe verkauft, und die meisten waren vorgefertigt, verfügten aber zusätzlich zur Unterstützung der Flussvektorsteuerung über beeindruckende Funktionen. Zu den weiteren beliebten Funktionen gehörten erweiterte Netzwerkfunktionen, Sicherheitsfunktionen wie sichere Drehmomentabschaltung, Proportional-Integral-Differential-Steuerung (PID) und sogar eine integrierte speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) mit umfangreichen E/A-Optionen zur Anpassung an Prozesse oder Maschinen Steuerung zusätzlich zur Motorsteuerung.

Noch vor wenigen Jahren unterstützten die kostengünstigsten VFDs auf dem Markt nur die V/Hz-Steuerung und waren einfach gehalten, mit geringerer Qualität, um für Originalgerätehersteller (OEMs) und Bastler erschwinglich zu bleiben. Auch hier hat der Trickle-Down-Effekt stattgefunden, und viele High-End-Funktionen und eine verbesserte Verarbeitungsqualität sind bei kostengünstigeren VFDs zu finden. Heutige VFDs der Einstiegsklasse, die in der Preisklasse von OEMs und Bastlern liegen, machen Projektdesign und -umsetzung viel einfacher einfacher mit Funktionen wie:

Diese neu verfügbaren Funktionen können den Benutzern in vielerlei Hinsicht zugute kommen.Einphasig bis dreiphasig. Ein VFD mit einem einphasigen Eingang und einem dreiphasigen Ausgang ist für einen Erstausrüster oder Bastler ein Kinderspiel, wenn es um den Funktionsvergleich geht. Den meisten Bastlern steht in ihren Werkstätten oder Garagen kein Drehstromstrom zur Verfügung, sie müssen jedoch möglicherweise einen Drehstrommotor steuern. Für einen OEM bietet diese Funktion die Möglichkeit, einen einphasigen Stromanschluss zu entwerfen, und wird wahrscheinlich mehr Kunden ansprechen, nicht nur diejenigen, die über dreiphasigen Strom verfügen. Obwohl ein VFD kein Phasenwandler ist, kann er 120 VAC oder 230 VAC einphasig in einen dreiphasigen Ausgang zur Motorsteuerung umwandeln. Die Vorteile der Wahl eines Dreiphasenmotors gegenüber einem Einphasenmotor sind zu langwierig, um sie aufzuzählen, aber eine verbesserte Drehzahlregelung reicht in der Regel aus, um Benutzer davon zu überzeugen, dass ein Dreiphasenmotor die beste Wahl ist.Drehmoment. Die sensorlose Vektorsteuerung ermöglicht es Benutzern, die Motorgeschwindigkeit auf sehr niedrige Geschwindigkeiten zu reduzieren, ohne Drehmoment zu verlieren. Bei einem typischen kostengünstigeren VFD mit nur V/Hz-Steuerung (auch als Skalarsteuerung bekannt) verliert der Motor proportional zur Drehzahlreduzierung an Ausgangsdrehmoment. Beispielsweise liefert ein 0,5-PS-Motor mit einer Grunddrehzahl von 1.725 U/min und einem Volllastdrehmoment von 1,5 lb-ft bei 100 % Drehzahl nur 1,0 lb-ft bei 66 % Drehzahl. Mit der sensorlosen Vektorsteuerungstechnologie ist es möglich, 100 % des Motordrehmoments bei sehr niedrigen Drehzahlen zu erzeugen. Bevor die sensorlose Vektortechnologie verfügbar war, konnten Konstrukteure einen Motor mit niedrigerer Drehzahl und gleicher Leistung verwenden, um die niedrigere feste Drehzahl zu erreichen, oder sie könnte einen Gleichstrommotor und -antrieb verwenden. Ersteres ist nicht verstellbar und erfordert häufig eine größere Rahmengröße, was möglicherweise teurere mechanische Änderungen erfordert. Letzterer ist robust, erfordert jedoch einen höheren Wartungsaufwand, wie z. B. den Austausch der Bürsten, und viele kleinere Gleichstromantriebe sind analog und technisch weniger anspruchsvoll. Sie bieten in der Regel keine Kommunikations- oder ausgefalleneren Steuerungsoptionen, zumindest nicht zum gleichen Preis.Vernetzung. Fortgeschrittenes Networking ist aus vielen Gründen ein Bonus. Viele VFDs – sogar bis zu den allerersten verfügbaren – unterstützten eine Art serielle Kommunikation, erforderten jedoch möglicherweise spezielle Kabel. Heutzutage unterstützen viele VFDs üblicherweise die Ethernet-Kommunikation, sodass die Konfiguration des VFD bequemer ist, und wenn mehr als ein VFD installiert und von einer separaten SPS gesteuert wird, können sie problemlos miteinander vernetzt werden. Die Fähigkeit von Mensch-Maschine-Schnittstellen- und Überwachungssteuerungs- und Datenerfassungssystemen zur Überwachung und Steuerung vieler in einem Produktionsanlagennetzwerk verbundener VFDs ist für Endbenutzer und OEMs gleichermaßen attraktiv, da sie einen erweiterten Betrieb ermöglicht und eine proaktive Wartung unterstützt, um Ausfälle zu vermeiden.

Der Einsatz eines Mikro-VFD in einfachen, kostengünstigeren Anwendungen hat nur wenige technische Nachteile. Eine gute Regel lautet: Wenn Sie sicher sind, dass Sie die Drehzahl eines Motors nie anpassen müssen, sollten Sie keinen Frequenzumrichter kaufen. Besteht jedoch auch nur die geringste Chance, dass die Motorgeschwindigkeit angepasst werden muss, sollte ein neuerer, kostengünstiger VFD mit vielen Funktionen in Betracht gezogen werden. Bedenken könnten die zusätzliche Größe eines VFD im Vergleich zu einem Schütz oder Anlasser sein. Einige aktuelle Modelle sind jedoch handtellergroß und verbrauchen etwa den gleichen Platz wie eine Kombination aus Motorschütz und Überlast (Abbildung 2). Diese Mikro-VFDs verfügen über eine integrierte SPS, PID-Steuerung, sensorlose Vektorsteuerung, erweiterte Netzwerkunterstützung und E/A-Erweiterung – zu einem Preis, der mit dem einer Motorschütz- und Überlastkombination vergleichbar ist – jedoch mit zusätzlichen Vorteilen und geringeren Kosten in anderen Fällen Bereiche. Sie sind konsolidiert in einem NEMA 4X-Paket erhältlich, das für Waschbereiche geeignet ist (Abbildung 3). OEM-Maschinen verwenden häufig eine kleine SPS, die eine linienübergreifende Motorstarterbaugruppe steuert. Herkömmliche Konstruktionen erfordern normalerweise eine dreiphasige Stromversorgung, viele Endbenutzer möchten jedoch, dass diese Maschine in einphasigen Anlagen funktioniert. Anstatt zwei separate Designs zu erstellen, könnte der OEM die SPS- und Motorstarterbaugruppe durch einen neueren VFD ersetzen, der einen einphasigen Stromeingang akzeptieren kann. Mit dieser Lösung löst der OEM das Problem; Kosten werden reduziert; und es gibt weniger Komponenten und mehr potenzielle Kunden.

Kevin Kakascik ist technischer Marketingingenieur bei AutomationDirect. Im Laufe seiner 20-jährigen Karriere hatte er Positionen in der Steuerungstechnik für Maschinen-OEMs, Systemintegratoren in der Unterhaltungsindustrie und Systemintegratoren für den Materialtransport inne. Er verfügt über einen Bachelor-Abschluss in Informatik und Ingenieurstechnik sowie einen Associate-Abschluss in Elektrotechnik.

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