Umrichtertechnik

Für den richtigen Dreh - Softstarter oder Frequenzumrichter?

Um alle wichtigen Aspekte richtig einschätzen zu können, stehen Projekt-Planer und Ingenieure häufig vor der Herausforderung, sich für die beste Technologie zur Drehzahlregelung eines Motors zu entscheiden. Zur Wahl stehen sowohl Softstarter als auch Frequenzumrichter – doch für welche Anwendung eignet sich was? Auf diese Thematik soll im Folgenden genauer eingegangen werden, indem Vor- und Nachteile beider Technologien gegenübergestellt werden.

Die Entscheidung zwischen Frequenzumrichtern und Softstartern ist oftmals nicht einfach und die Anwender müssen eine Reihe von Faktoren beachten, damit eine effektive Steuerung der eingesetzten Motoren gewährleistet werden kann. Zu den Faktoren, die es zu beachten gilt, zählen neben der Art der Anwendung auch mechanische Anforderungen an das System sowie die Kosten. Auch sollten die Einhaltung der Normen, die Zuverlässigkeit des Antriebssystems sowie die Verbesserung der Energieeffizienz mit in den Entscheidungsprozess einbezogen werden.

Die Anwendung entscheidet

Ob sich der Einsatz von Softstartern oder Frequenzumrichtern lohnt, sollte anwendungsspezifisch entschieden werden. Geht es um eine Anwendung mit hohen Leistungen, stellt ein Softstarter oftmals die wirtschaftlichere Lösung dar, falls hierbei keine durchgängige Steuerung von Beschleunigung, Drehmoment und Drehzahl benötigt wird. Weitere Vorteile liegen in der Kompaktheit der Softstarter, wodurch sie sich als sehr platzsparend erweisen, sowie deren geringe Anschaffungskosten. Vor allem diese Aspekte sind der Grund, warum Softstarter in vielen Branchen und Einsatzgebieten so beliebt sind.

Im Gegensatz dazu stellt ein Frequenzumrichter zwar zunächst die teurere Option dar, bewirkt jedoch auf lange Sicht eine deutlich größere Senkung der Energiekosten, falls der Produktionsprozess variable Verfahrensparameter voraussetzt. Er unterstützt Anwender dabei, die EU-Effizienzvorschriften einzuhalten, und ermöglicht über die Lebenszeit einer Anlage enorme Einsparungen bei den Betriebskosten durch einen wesentlich niedrigeren Energieverbrauch. Ein weiterer Vorteil, der für die Wahl eines Frequenzumrichters spricht, ist die Möglichkeit der Drehzahlregelung mit einer gleichmäßigen Beschleunigung im gesamten Betriebsbereich des Motors. Der Motor kann dadurch ein hohes Drehmoment nicht nur während des Hochlaufs, sondern auch bei allen Drehzahlen liefern.

Variable Drehzahlregelung vs. kontrollierte Beschleunigung

Das Hochlaufen eines Drehmotors auf seine Betriebsdrehzahl bei voller Netzspannung hat einen hohen Einschaltstrom zur Folge. Da sich das Drehmoment von Drehstromasynchronmotoren grundsätzlich analog der Motoranlaufkurve einstellt, können während des Anlaufes Drehmomentüberhöhungen auftreten, die Komponenten im mechanischen Antriebsstrang lebensdauerverkürzend beeinflussen schlussendlich zu vorzeitigen Schäden führen.

Sowohl Softstarter als auch Frequenzumrichter können das verhindern und zum Schutz hochwertiger Anlagen sowie zur Verlängerung der Lebensdauer von Elektromotoren und mechanischen Komponenten wie Kupplungen und Lager der Arbeitsmaschine eingesetzt werden. Möglich macht dies in beiden Fällen die reduzierte Klemmspannung, die bei den Elektromotoren für einen sanften Anlauf, Drehmoment kontrollierten sorgen. Der Unterschied zwischen den beiden Technologien liegt in der Art der Motoransteuerung.

Softstarter eignen sich ganz besonders für Anwendungen, bei denen eine kontrollierte, drehmomentgegrenzte Motorbeschleunigung bis auf die Nenndrehzahl notwendig ist. Durch den Einsatz von Leistungshalbleitern wie Thyristoren, die für eine Absenkung der Spannung während des Hochlaufprozesses an den Motorklemmen sorgen, begrenzen Softstarter durch abgesenkte Motorspannung den Einschaltstrom und damit auch das Einschaltmoment. Hierdurch reduzieren sie die Momentbelastungen des mechanischen Antriebsstrangs im Vergleich zum direkten Einschalten und unkontrollierten Hochlaufen des Motors. Durch eine stetige Steigerung der Spannung an den Motorklemmen ermöglicht ein Softstarter eine kontrollierte Beschleunigung bis auf die Nenndrehzahl.  

Zu den Anwendungen zählen daher beispielsweise Förderbänder, Riemenantriebe und Rolltreppen. Diese erfordern eine stetige stufenlose Drehzahlsteuerung und eine Drehmomentbegrenzung beim Anfahren und Anhalten. Gerade beim Starten großer Motoren müssen die hohen Einschaltströme begrenzt werden, um Rückwirkungen mit dem Stromnetz zu vermeiden. Der Softstarter verhilft den Motoren in diesen Anwendungen zu einem kontrollierten Start und vermeidet Drehmomentspitzen sowie weitere mechanische Belastungen, die bei einem normalen Hochfahren der Geräte oftmals auftreten. Zudem eignen sich Softstarter auch als Begrenzer bei Druckwellen oder Wasserhämmern, die zu starken Erschütterungen in Rohrleitungen oder Anlagen führen können. Schlagartige Änderungen der Durchflussgeschwindigkeit werden vermieden.

Der Frequenzumrichter kommt hingegen dann zum Einsatz, wenn eine permanente Drehzahlregelung benötigt wird. Zu dieser Art von Anwendung zählen beispielsweise Lüfter, Pumpen oder Kompressoren, für die eine Reihe von allgemeinen Drehzahlaffinitätsgesetzen gilt. Im Gegensatz zum Softstarter wandelt der Frequenzumrichter die stationäre Netzfrequenz und Netzspannung in eine variable frequenzproportionale Ausgangsspannung um, wodurch er sowohl beim Beschleunigen und Verzögern als auch bei Betriebszuständen mit konstanter oder variabler Drehzahl zuverlässig arbeitet. Außerdem spielen Frequenzumrichter eine wichtige Rolle bei der Regelung von Prozessgeschwindigkeiten von industriellen Anlagen und Fertigungseinrichtungen wie Mixern, Mahlwerken oder Brechern. Sie haben zudem einen weiteren Vorteil: Bedienungsfreundlichkeit und Flexibilität. Durch eine Reihe von Funktionen und Optionen ist eine individuelle Anpassung an eine Vielzahl von Anwendungen möglich.

Verbesserung der Energieeffizienz

Für viele Planer und Konstrukteure ist es besonders wichtig, den Energieverbrauch und damit die Betriebskosten von Antriebssystemen deutlich zu reduzieren. Zu diesem Zweck eignen sich besonders die Frequenzumrichter. Deren entscheidender Vorteil ist die Erhöhung der Energieeffizienz durch Drehzahlregelung der Asynchronmotoren. Mithilfe von Frequenzumrichtern, wie der CFW-Baureihe von WEG, kann die Energieeffizienz von Elektromotoren deutlich verbessert werden, weil der Spitzenenergiebezug und damit auch die Leistung reduziert wird. Der Energieverbrauch kann zwischen 40 und 60 Prozent gesenkt werden, da eine Prozessgrößenanpassung wie Druck oder Volumenstrom mit dem Steigern und Absenken der Drehzahl realisiert wird und somit mechanische, verlustbehaftete Stellglieder entfallen. Darüber hinaus eignen sich Frequenzumrichter auch für Anwendungen wie Aufzüge oder Drehtische, wo die Drehzahl variabel einstellbar sind und eine gleichmäßige Bewegung erzeugt werden muss.

Durch den sanften Anlauf und die integrierten Schutzfunktionen gewährleisten Softstarter, wie der SSW900 von WEG, ebenfalls einen energieeffizienten, zuverlässigen Betrieb von Elektromotoren. Das High-End-Gerät mit integrierter SPS bietet vollständig programmierbare Verfahren zur Regelung von Asynchronmotoren und eine komplett flexible Drehmoment-Steuerung. Der Softstarter erlaubt sowohl einen Direktanschluss von Motoren in Stern- oder Dreieckschaltung als auch eine Strangeinschaltung (Wurzeldreischaltung mit sechs angeschlossenen Leitern). Dies macht es möglich, die drei Motorstränge unmittelbar in die drei Thyristorpaare zu schalten. Das führt dazu, dass der Softstarter nur noch 58 Prozent des Motornennstromes (entspricht dem Strangstrom) führen muss und sich für die gleiche Leistung kleinere Geräte einsetzen lassen. Aufgrund des integrierten Bypass-Schützes sorgt der SSW900 für eine verlängerte Lebensdauer, optimierte Raumnutzung und eine Verlustleistungsabgabe im Schaltschrank, die gegen Null geht.

Industrielles Gleichstromnetz

Neben der Frage, ob sich eher ein Frequenzumrichter oder ein Softstarter zur Regelung eines Elektromotors in einer Anwendung eignet, kommt es auch auf die Art des Stromnetzes an. Viele Unternehmen beteiligen sich mittlerweile an der Neugestaltung der Stromversorgung industrieller Anlagen über ein smartes, offenes Gleichstromnetz. Diese könnte die Effizienz Antriebssystemen weiter erhöhen und so Anwendern helfen, noch mehr Energie einzusparen. Auch bei WEG ist die Gleichspannung ein Thema. So sind beispielsweise die CWF11-Frequenzumrichter in DC-Bauform verfügbar. Und das hat Vorteile: Bei Wechselspannung haben Frequenzumrichter generell einen Wandlungsverlust von 2,2-3,0%. Sind sie hingegen an ein Gleichstromnetz geschaltet, liegen die Verluste nur bei 1,1-1,5%.

 

Autor: Johannes Schwenger ist Leiter Produktmanagement Antriebssysteme Niederspannung und Mittelspannung Europa bei WEG