VF-Laufwerke

Seit Jahrhunderten nutzt der Mensch Aufzüge, aber echte Fortschritte waren erst mit der Einführung des Elektromotors möglich. Es hatte wasserhydraulisch betriebene Aufzüge gegeben, und davor waren von Menschen und Tieren angetriebene Maschinen. Selbst wenn wir die humanitären Implikationen ignorieren könnten, wäre es schwer vorstellbar, dass diese Vereinbarungen im Kontext der heutigen Großstadt-Hochhausanwendungen funktionieren würden.

Lernziele

Nachdem Sie diesen Artikel gelesen haben, sollten Sie Folgendes erfahren haben:
♦ Warum der Elektromotor die Aufzugsanwendungen dominierte
♦ Die relativen Vorteile von Gleichstrom- und Wechselstrommotoren
♦ Vergleich von Synchron- und Asynchronmotoren
♦ Die grundlegenden Teile eines Frequenzumrichters (VF)
♦ So verwenden Sie ein Multimeter zur Fehlerbehebung bei einem VF-Laufwerk

Dann kam Dampf. Erhitzter Wasserdampf war jedoch nur das Medium; es musste noch eine Kraftquelle geben. Holz oder Kohle mussten (noch mit menschlichen und tierischen Mitteln) gewonnen und dann transportiert werden, bevor sie verfeuert werden konnten. Im Gegensatz dazu war der Elektromotor um die Jahrhundertwende ein sauberer, leiser und kompakter Motor. Es funktionierte fast immer ohne Protest wie erwartet, seine Energie gelangte über zwei oder drei schlanke Metallleiter an den Ort.

Anfangs gab es keinen Wechselstrom. Gleichstrom war aus chemischen Batterien verfügbar, die nach heutigen Maßstäben als sehr ineffizient gelten würden. Es war genügend elektrische Energie verfügbar, um es den frühen Experimentatoren zu ermöglichen, Prototypen von Gleichstrommotoren zu bauen, aber sie waren nur für Demonstrationsprojekte und als wissenschaftliche Kuriositäten geeignet. Es konnte nur sehr wenig nützliche Arbeit geleistet werden, aber nie genug, um eine Aufzugskabine vom Boden abzuheben. Brauchbare Elektromotoren mussten auf die Entwicklung der Echtzeit-Stromerzeugung mit einem Verteilungssystem warten. Das erste dieser Systeme wurde von Thomas Edison entwickelt. Ursprünglich war Edison motiviert, Haushalte und Geschäfte mit Strom zu versorgen, vor allem, damit sie Licht haben. Zu diesem Zweck baute er das erste von vielen lokalen Verteilungssystemen in Lower Manhattan. Er verbesserte die vorhandene Gleichstromdynamotechnologie und ermöglichte so die Verfügbarkeit von viel mehr Strom.

Da Gleichstrom nicht einfach transformiert (d. h. hoch- oder heruntergesetzt) ​​werden kann, hat Wechselstrom Gleichstrom als dominierendes Leistungsprotokoll schnell verdrängt. Bald tauchten Wechselstrommotoren, Transformatoren und Drehstromtechnik auf. Der Wechselstrom-Induktionsmotor scheint unabhängig von Galileo Ferraris und Nikola Tesla erfunden worden zu sein. Es wurde wegen seiner Einfachheit und wirtschaftlichen Konstruktion dominierend. Es wird geschätzt, dass 90 % der derzeit in Betrieb befindlichen Wechselstrommotoren Induktions-(Asynchron-)Maschinen sind.

Die neuen Wechselstrommotoren (insbesondere Induktionsmotoren) waren ihren Gleichstrom-Vorfahren in mancher Hinsicht weit überlegen, da die Kommutierung extern erfolgte, was auf die zyklische Natur des vom Energieversorger gelieferten Wechselstroms zurückzuführen ist. Der Gleichstrommotor hingegen benötigte eine interne Kommutierung, um zu funktionieren. Dies wurde durch die Bürsten-Kommutator-Kombination bereitgestellt, was eine elegante Situation darstellt, da sie den Magnetisierungsstrom in den sich drehenden Rotor einführt und gleichzeitig die Polarität dieses Stroms nach Bedarf periodisch umkehrt, damit das Magnetfeld des Rotors mit dem erzeugten statischen Magnetfeld interagieren kann durch den erregten Stator. Da die Bürsten-Kommutator-Kombination jedoch elektromechanisch ist, unterliegt sie einem Verschleiß und erfordert Wartung. Die Arbeits- und Materialkosten während der Lebensdauer des Gleichstrommotors sind erheblich, insbesondere wenn die Bürstenwartung vernachlässigt wird und der Kommutator beschädigt wird, was oft einen Motorabbau und Werkstattarbeiten nach sich zieht.

Synchron-Wechselstrommotoren laufen mit einer Drehzahl, die genau durch die Frequenz der Netzspannung bestimmt wird, einzig die Polzahl pro Phase. Die Formel lautet NS = 120f/P, wobei NS die Synchrondrehzahl des Motors, f die Frequenz der Wechselstromversorgung an den Motoreingangsklemmen und P die Anzahl der Magnetpole pro Phase ist.

Beachten Sie, dass P im Nenner des Ausdrucks auf der rechten Seite der Gleichung steht. Je mehr Pole in die Konstruktion des Motors integriert sind, desto niedriger ist die Betriebsdrehzahl. Bei 60 Hz betragen die üblichen Wellendrehzahlen 3,600 U/min für einen zweipoligen Motor, 1800 U/min für einen vierpoligen Motor, 1,200 U/min für einen sechspoligen Motor, 900 U/min für einen achtpoligen Motor, 720 U/min für einen 10- Polmotor und 600 U/min für einen 12-poligen Motor. Diese Werte könnten durch Anpassung der Versorgungsspannung reduziert werden, aber das wäre keine gute Möglichkeit, die Drehzahl zu regulieren, da dies einer stärkeren Belastung des Motors gleichkommt und ihn näher an einen Blockierzustand bringt. Das Ergebnis wäre mehr Hitze und eine verkürzte Lebensdauer des Motors. Der richtige Weg, die Drehzahl eines Wechselstrommotors zu regulieren, besteht darin, die Frequenz zu ändern, und dies war bis viele Jahrzehnte nach der Erfindung des Wechselstrommotors, als der VF-Antrieb auf den Markt kam, keine praktische Option.

Die Wellendrehzahl des Asynchronmotors ist ebenfalls von der Netzfrequenz abhängig, jedoch nicht exakt auf die elektrische Leistung synchronisiert und wird deshalb als Asynchronmotor bezeichnet. Die Wellendrehzahl ist immer um einen bestimmten Betrag kleiner als die Synchrondrehzahl, und dieser prozentuale Zusammenhang wird als „Schlupf“ bezeichnet. Beim Schlupf sind zwei wichtige Dinge zu beachten. Erstens ist es keine verschwendete oder verlorene Energie, die das Ergebnis eines minderwertigen Designs ist. Zweitens handelt es sich nicht um eine Phasenverzögerung wie bei einer reaktiven elektrischen Last. Aufgrund von Schlupf dreht sich der Rotor des Induktionsmotors tatsächlich langsamer als das vom Stator erzeugte rotierende Magnetfeld. Was die induktive Kraftübertragung vom Stator zum Rotor ausmacht, ist der Drehzahlunterschied zwischen den beiden, wenn also die Rotordrehzahl die Drehzahl des rotierenden Magnetfelds des Stators einholen würde (wenn der Schlupf auf Null reduziert würde) ), gäbe es keine Kraftübertragung mehr und der Motor würde sich nicht drehen. Aus diesem Grund ist eine Null-Schlupf-Situation für einen Induktionsmotor unmöglich. Je stärker der Rotor durch eine zunehmende Last abgebremst wird, desto größer ist das Drehmoment bis zu dem Punkt, an dem die Größe der Last zum Abwürgen des Motors führt. Es besteht zu jeder Zeit ein Gleichgewicht aus Last, Drehzahl, Drehmoment und Schlupf. Große Induktionsmotoren können bei Volllast mehr als 1 % Schlupf aufweisen, während kleine Motoren typischerweise einen Schlupf von näher an 5 % haben.

Der Induktionsmotor war zwar kostengünstig und wartungsfreundlich, aber nicht geeignet, um Aufzüge und andere Lasten anzutreiben, die viele Jahrzehnte lang eine stufenlose Geschwindigkeitsregelung in unendlichen Schritten erforderten. Für diese Anwendungen erfüllte der Gleichstrommotor weiterhin den Bedarf. Die Wartung von Bürsten/Kommutatoren war an der Tagesordnung. Gleichstrommotoren über eine Wechselstromversorgung zu betreiben, war nie ein großes Hindernis. Ein rotierender Wandler, eine Vakuumröhre oder ein Festkörpergleichrichter würden ausreichen, und dies könnte realistischerweise als Teil der Betriebskosten eines Gleichstrommotors angesehen werden.

All dies änderte sich, als das VF-Laufwerk in Gebrauch kam. Dieses allgegenwärtige Gerät wird auch als „Antrieb mit variabler Drehzahl“, „Antrieb mit einstellbarer Drehzahl“, „Antrieb mit einstellbarer Frequenz“, „Wechselstromantrieb“, „Mikroantrieb“ und „Umrichterantrieb“ bezeichnet. Diese Begriffe sind im Wesentlichen synonym, mit der Ausnahme, dass sich der Begriff „Geschwindigkeit“ auch auf nichtelektrische oder hydraulische Systeme beziehen kann. Der VF-Antrieb umfasst den Gleichrichter, den DC-Bus und den Wechselrichter sowie die Benutzeroberfläche und den zusätzlichen Überstromschutz (sofern vorhanden) sowie verschiedenes anderes Zubehör. Der Begriff kann verwendet werden oder nicht, um den Motor einzuschließen.

Wie wir gesehen haben, hängt die Drehzahl eines Wechselstrommotors, entweder synchron oder asynchron (Induktion), von der Frequenz der an die Motorklemmen gelieferten Leistung ab. Daraus kann man richtig schließen, dass es möglich ist, die Drehzahl des Motors durch Änderung der Frequenz zu regulieren. Dies ist, was in einem VF-Laufwerk passiert. Ein VF-Antrieb kann an jeden Wechselstrommotor (Synchron- oder Induktionsmotor) angeschlossen und zur Drehzahlregelung verwendet werden, wobei einige Einschränkungen zu beachten sind:

• Da viele AC-Motoren über einen internen Kühllüfter verfügen, wird der Motor, wenn er unter Last mit reduzierter Drehzahl läuft, aufgrund der verringerten Wärmeableitung einen Temperaturanstieg erfahren. Diese Tendenz kann durch Zufuhr von Außenluft oder Flüssigkeitskühlung oder durch Maßnahmen zur Reduzierung der Umgebungstemperatur, entweder durch Klimatisierung oder Belüftung des Maschinenraums, abgemildert werden.
• Wenn ein Motor schneller als die Nenndrehzahl läuft, kann dies zu einer kürzeren Lagerlebensdauer führen.
• Der VF-Antrieb kann eine Leistung erzeugen, die von der perfekten Sinuswelle abweicht, auf der AC-Motoren gedeihen. Primitive elektronische Wechselrichter erzeugten einen Rechteckwellenausgang, der zu einer Überhitzung des Wechselstrommotors führen würde. Darüber hinaus würden aufgrund der schnellen Anstiegs- und Abfallzeiten der Wellenform Probleme mit der Netzqualität auftreten, die andere Geräte innerhalb (und sogar außerhalb) der Einrichtung, in der der Wechselrichter untergebracht war, beeinträchtigen würden.

Eine perfekte Sinuswelle ist eine Folge der kreisförmigen Natur eines rotierenden Generators. Die Untersuchung eines Diagramms, das den Spannungspegel (vertikale Achse) über der Zeit (horizontale Achse) aufgetragen zeigt, zeigt das Wesen der Sinuswelle: Die Änderungsrate der Spannung ist am größten, wenn die Spannung am kleinsten (nahe an Null) und am geringsten ist, wenn der Spannungspegel ist am größten (am nächsten an negativen/positiven Polen). Trigonometrisch ist die elektrische Leistung eines sich drehenden Rotors eine Sinuswelle, da der Sinus eines Winkels die ihm gegenüberliegende Seite über der Hypotenuse eines rechtwinkligen Dreiecks ist. Dies wird durch einen rotierenden Vektor erzeugt.

Im Laufe der Jahre hat sich der elektronische (im Gegensatz zum rotierenden) AC-Wechselrichter verbessert, so dass sein Ausgang einer reinen Sinuswelle näher kommt. Dies war eine gute Nachricht für den Wechselstrommotor, da es möglich geworden ist, seine Drehzahl durch Variation der Frequenz an den Eingangsklemmen des Motors zu regulieren, ohne schädliche Oberwellen und elektromagnetische Störungen zu erzeugen.

Eine Motivation für die Verwendung eines VF-Antriebs besteht darin, den Stromverbrauch zu reduzieren, während es dem Benutzer ermöglicht wird, den Motor bequem zu starten und zu stoppen, seine Richtung umzukehren, die Geschwindigkeit zu steuern und andere Änderungen am Betrieb des Motors vorzunehmen. Jeder dieser Befehle kann automatisch eingeleitet werden, und es ist möglich, Parameter zu programmieren und zu überwachen und Diagnosen anzuzeigen.

Beim Anlassen eines Motors liefert der VF-Antrieb normalerweise Strom mit reduzierter Frequenz und Spannung. Es gibt nicht den hohen Einschaltstrom, der bei einem Motor mit Direktanlauf zu sehen ist. Sobald sich der Motor zu drehen beginnt, werden Spannung und Frequenz mit einer sanft gesteuerten Geschwindigkeit hochgefahren, bis die Betriebsdrehzahl erreicht ist. Dieses Verfahren bietet erhebliche Energieeinsparungen bei häufigen Starts. Außerdem kommt es zu einem geringeren Verschleiß von mechanischen und elektrischen Komponenten. Die gleiche Logik gilt für das Stoppen des Motors, wo eine sanfte Rampenverzögerung Vorteile bieten kann.

Zusätzliche Einsparungen beim Stromverbrauch und beim Maschinenverschleiß ergeben sich, wenn der Betrieb mit reduzierter Geschwindigkeit möglich ist. Zum Beispiel könnte der VF-Antrieb für einen Ventilator so programmiert werden, dass er mit einer niedrigeren Geschwindigkeit arbeitet, wenn die Umgebungstemperatur unter einen bestimmten Wert fällt oder wenn das Gerät weniger aktiv ist, wobei jede dieser Bedingungen weniger Wärme verursacht.

Eine weitere Motivation für den Einsatz eines VF-Antriebs ist, wenn für die beabsichtigte Anwendung variable Geschwindigkeiten benötigt werden. Ein Aufzugsmotor muss mit mehr als einer Geschwindigkeit betrieben werden, und sanfte Rampenübergänge sind wünschenswert. In diesen Situationen kommen VF-Antriebe zum Einsatz, die veralteten Getriebe- oder Mehrscheibenlösungen weit überlegen sind.

Ein VF-Antrieb mit Bedienoberfläche bietet nützliche Diagnosemöglichkeiten, die im Störungsfall den Techniker über die Ursache informieren und Abhilfemaßnahmen aufzeigen können. Die alphanumerische Anzeige zeigt einen Fehlercode an. Den Schlüssel liefert die Bedienungsanleitung, die normalerweise als Teil der Originalinstallation mitgeliefert wird. Falls dieses Handbuch fehlt, sollte es als kostenloser Download auf der Website des Herstellers verfügbar sein. Es wird empfohlen, im Rahmen des vorbeugenden Wartungsprogramms Kopien des korrekten Handbuchs in jedem Maschinenraum bereitzuhalten und in der Wartungswerkstatt abzulegen.

Ohne den Motor als Teil des Antriebs zu zählen, besteht der VF-Antrieb aus den Hauptabschnitten, aus denen der Antriebsstrang besteht. Das Frontend besteht aus einem Vollweggleichrichter, der für einen AC-zu-AC-VF-Antrieb erforderlich ist. (Es gibt auch so etwas wie einen DC-zu-AC-VF-Antrieb, der verwendet wird, wenn die Stromversorgung DC ist, wie in einer Photovoltaikanlage.) Die übliche Konfiguration ist ein dreiphasiger Eingang und ein dreiphasiger Ausgang a Drehstrom-Induktionsmotor, obwohl gelegentlich einphasige Geräte verwendet werden, und manchmal ist der Motor für spezielle Anwendungen synchron (nicht induktiv). Ein Einweggleichrichter könnte verwendet werden, aber er würde die verfügbare Leistung weniger effizient nutzen und die Ausgabe wäre schwieriger zu filtern.

Die zweite Stufe innerhalb des Antriebs ist der DC-Bus. Zwei schwere Leiter transportieren den gleichgerichteten Strom. Ein Teil dieser Stufe besteht aus einem oder mehreren Kondensatoren, die über den DC-Bus parallelgeschaltet sind. Da ein Kondensator für Gleichstrom eine weitaus höhere Impedanz bietet als für einen schwankenden Spannungspegel, dient der Kondensator dazu, Welligkeiten herauszufiltern, die sonst im Gleichrichterausgang auftreten würden. Um diesen Vorgang zu unterstützen, kann eine Induktionsspule in Reihe in den DC-Bus eingefügt werden. Ziel ist es, reinen Gleichstrom zu erhalten. Je weniger Welligkeit im DC-Bus vorhanden ist, desto besser funktioniert das System.

Der DC-Bus speist die Wechselrichterstufe, die sechs Solid-State-Geräte enthält, die als drei parallel geschaltete Stränge konfiguriert sind, die jeweils aus zwei der in Reihe geschalteten Geräte bestehen. Der dreiphasige Ausgang zum Motor wird von drei Leitern getragen, die jeweils mit dem Mittelpunkt eines der Reihenstränge verbunden sind. Beachten Sie, dass die Gerätekonfiguration und die Verdrahtung der Wechselrichterstufe denen der Gleichrichterstufe sehr ähnlich sind. Stellt man sich den VF-Antrieb symmetrisch mit drei stromführenden Leitungen am Eingang und drei stromführenden Leitungen am Ausgang vor und liegt der Zwischenkreis in der Mitte, wird die Fehlersuche mit Multimeter und/oder Oszilloskop erheblich vereinfacht .

Die Festkörperbauelemente können in einem Modul eingeschlossen sein oder diskrete Komponenten mit beträchtlichen Kühlkörpern sein. Einst waren die Halbleiterbauelemente siliziumgesteuerte Gleichrichter, aber seit Mitte der 1980er Jahre ist der Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) die übliche Komponente in der VF-Drive-Inverterstufe. Diese allgegenwärtigen aktiven Geräte zeichnen sich durch eine sehr hohe Eingangsimpedanz aus. Sie ziehen einen verschwindend geringen Strom und sind daher für den Regelkreis praktisch unsichtbar.

Der Umgang mit dem IGBT ist mit größter Sorgfalt durchzuführen, da dieser durch statische Aufladung im Körper des Technikers oder ein ungeerdetes Werkzeug zerstört werden kann. Ersatzgeräte dieser Art werden oft in leitfähigem Schaumstoff verpackt geliefert, so dass die in den Schaumstoff gesteckten Leitungen zusammengeschlossen sind und keine statische Spannungsdifferenz aufnehmen können. Sie sollten bis zur Installation in dieser Verpackung aufbewahrt werden.

Die Verdrahtung der Gleichrichter- und Wechselrichterstufen erleichtert die Überprüfung der aktiven Komponenten. Überprüfen Sie zuerst alle Leistungsanschlüsse (Eingang, Ausgang und am Motor) auf Lockerheit oder Korrosion. Untersuchen Sie sie visuell, um festzustellen, ob eine aktive Komponente (Kondensator oder Induktor) verbrannt oder verzerrt erscheint. Die Eingangsspannung sollte für alle drei Zweige einheitlich sein (mit nicht mehr als 5 % Unterschied) und auf keinen Fall eine Phase fallen. Am Motor sollte im ausgeschalteten Zustand ein einheitlicher Gleichstromwiderstand zwischen jedem Beinpaar und ein sehr hoher Megaohm-Widerstand jedes Beins gegen Masse vorhanden sein.

Um die VF-Antriebskomponenten zu überprüfen, schalten Sie das Gerät aus. Denken Sie daran, dass große Elektrolytkondensatoren lebensgefährliche elektrische Energie speichern können, lange nachdem das Gerät von der Stromquelle getrennt wurde. Arbeiten Sie nicht am VF-Laufwerk, es sei denn, Sie wissen, wie man diese Spannung entlüftet und misst.

Wenn Ihr Multimeter über die Funktion „Diodenprüfung“ verfügt, ist es besser, diesen Modus zu verwenden, da er den tatsächlichen Spannungsabfall (und nicht einen Pseudowiderstand) misst, wobei das Ohmmeter eine Vorspannung liefert. Verbinden Sie die negative Multimetersonde mit dem positiven DC-Bus. Berühren Sie dann mit der positiven Sonde nacheinander jeden der drei Eingangsanschlüsse. Wenn Sie einen kleinen Spannungsabfall in Durchlassrichtung zwischen jedem Bein und dem positiven DC-Bus sehen, dann so weit, so gut. Als nächstes drehen Sie die Sonden um. Wenn Sie den gleichen Spannungsabfall in Durchlassrichtung sehen, ist dieser Teil des VF-Antriebs gut. Ein Kurzschluss zeigt an, dass der Gleichrichter eine oder mehrere defekte Dioden hat. Wenn Sie ein offenes lesen, suchen Sie nach einem offenen Ladewiderstand. Wenn diese vorläufige Vorgehensweise auf ein Problem hinweist, sollten einzelne Komponenten überprüft werden.

Die Endstufe wird in ähnlicher Weise überprüft. Schließen Sie die positive Sonde an den negativen DC-Bus an und berühren Sie die negative Sonde der Reihe nach an jedem der Ausgangsklemmen. Suchen Sie nach einem Spannungsabfall in Durchlassrichtung. Berühren Sie dann die negative Sonde mit dem positiven DC-Bus und die positive Sonde mit jedem der Ausgangsanschlüsse. Achten Sie auch hier auf den Spannungsabfall in Durchlassrichtung. Wenn Sie einen Kurzschluss lesen, ist die Wechselrichterstufe defekt. Eine Unterbrechung weist auf einen Wechselrichterschaden oder eine durchgebrannte DC-Bus-Sicherung hin. Wenn das der Fall ist, ist es besser, nicht einfach eine weitere Sicherung darauf zu werfen und das Beste zu hoffen. Es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass ein Fehler einen starken Stromfluss verursachte und die Sicherung andere Komponenten vor Beschädigungen schützte. Der beste Ansatz besteht darin, alle Anstrengungen zu unternehmen, um den zugrunde liegenden Fehler zu lokalisieren. Um den/die Buskondensator(en) zu überprüfen, führen Sie eine Ohm-Prüfung zwischen positiven und negativen Busleitern durch. Sie sollten keinen Kurzschluss sehen.

Fortgeschrittenere Tests können mit einem Oszilloskop durchgeführt werden. Schauen Sie sich zuerst den Eingang an: Stromversorgungsprobleme können schlecht geformte Sinuswellen oder Oberwellen verursachen, die die gesamte Anlage beschädigen können. Schauen Sie sich dann die Spannung am DC-Bus an: Es sollte ein schöner, sauberer DC ohne nennenswerte Welligkeit sein. Befindet sich eine AC-Komponente am DC-Bus, funktioniert die Wechselrichterstufe nicht richtig.

Fragen zur Lernverstärkung

Verwenden Sie die unten stehenden Fragen zur Lernverstärkung, um für die Weiterbildungsbewertungsprüfung zu lernen, die online unter www.elevatorbooks.com oder auf S. 95 dieser Ausgabe.
♦ Welche Vorteile haben Asynchronmotoren?
♦ Welche zwei Funktionen hat ein Kommutator in einem Gleichstrommotor?
♦ Welche zwei Faktoren bestimmen die Drehzahl eines Synchronmotors?
♦ Warum ist bei einem Induktionsmotor „Schlupf“ notwendig?
♦ Warum ist eine VF-Antrieb/Motor-Kombination günstiger im Betrieb als ein reiner AC-Motor?

Sehen Sie sich die Spannungen am Umrichterausgang oder den Motorklemmen an. Der Sinusimpuls, der der Trägerwelle mit viel höherer Frequenz überlagert wird, wenn sie an die hochinduktive Motorlast angeschlossen wird, erzeugt einen Sinuswellenstrom, der je nach Bedarf variieren sollte, um die Drehzahl des Motors zu regulieren.