Was man an einem Frequenzumrichter prüft.
Ein Frequenzumrichter (VFD) richtet die festfrequente AC-Versorgung des Schiffs zu DC gleich und wechselrichtet sie dann wieder zu AC mit der Frequenz und Spannung, die der angeschlossene Motor braucht, sodass die Motordrehzahl der Ausgangsgröße des Umrichters folgt statt fest an der Netzfrequenz zu hängen. Das ist der grundlegende Unterschied zu einem Sanftanlasser, der nur beim Anlaufen die Spannung hochfährt und den Motor dann unmittelbar auf die volle Netzfrequenz legt, und zu einer mechanischen Drehzahlbeeinflussung wie einem gedrosselten Ventil oder einer Klappe, die Energie verschwendet, indem sie eine mit voller Drehzahl…
Was einen Frequenzumrichter abhebt
Ein Frequenzumrichter (VFD) richtet die festfrequente AC-Versorgung des Schiffs zu DC gleich und wechselrichtet sie dann wieder zu AC mit der Frequenz und Spannung, die der angeschlossene Motor braucht, sodass die Motordrehzahl der Ausgangsgröße des Umrichters folgt statt fest an der Netzfrequenz zu hängen. Das ist der grundlegende Unterschied zu einem Sanftanlasser, der nur beim Anlaufen die Spannung hochfährt und den Motor dann unmittelbar auf die volle Netzfrequenz legt, und zu einer mechanischen Drehzahlbeeinflussung wie einem gedrosselten Ventil oder einer Klappe, die Energie verschwendet, indem sie eine mit voller Drehzahl laufende Pumpe oder ein Gebläse zwingt, einen verminderten Strom zu liefern. Ein VFD verlangsamt stattdessen den Motor selbst und senkt die Leistungsaufnahme bei Kreiselverbrauchern wie Pumpen und Gebläsen etwa mit der dritten Potenz der Drehzahlminderung.
Hauptkomponenten
Gleichrichter
Wandelt eingehenden Drehstrom in DC, entweder als einfache Diodenbrücke oder, bei Umrichtern, die die in die Bordversorgung zurückgespeiste Oberwellenverzerrung begrenzen sollen, als aktive Netzeinspeisung.
Zwischenkreis
Glättet den gleichgerichteten DC mit Kondensatoren und, bei größeren Umrichtern, einer Drossel; diese Stufe speichert zudem die Energie, mit der manche Umrichter kurze Netzeinbrüche überbrücken.
Wechselrichter
Schaltet den DC mit Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode (IGBTs) zurück auf AC mit der befohlenen Frequenz und Spannung und formt die Ausgangskurve über Pulsweitenmodulation.
Steuerelektronik
Führt den Motorregelalgorithmus aus, skalare V/Hz-Regelung für einfache Verbraucher oder Vektorregelung für Anwendungen mit genauem Drehmomentverhalten wie Thruster, beherrscht die Rampenzeiten und arbeitet mit dem Automationssystem des Schiffs zusammen.
Ausgangsfilter
Bei Schiffseinbauten oft zwischen Umrichter und Motor verbaut, um die Spannungsbelastung der Motorwicklungen zu mindern und elektromagnetische Störungen in einem Stahlrumpf voller empfindlicher Elektronik zu begrenzen.
Auswahl und Auslegung
- Motorleistung und -spannung, wobei der Umrichter auf den Volllaststrom des Motors zuzüglich eines Zuschlags für das erwartete Lastspiel bemessen wird
- Die benötigte Regelungsart; einfache skalare Regelung genügt für ein Gebläse oder eine Kreiselpumpe, während ein Bugstrahlruder oder ein Antrieb für die dynamische Positionierung Vektorregelung für genaues Drehmoment- und Drehzahlverhalten braucht
- Die Oberwellenminderung, denn mehrere Umrichter an einer Schalttafel können die Bordversorgung so verzerren, dass empfindliche elektronische Geräte betroffen sind; aktive Netzeinspeisungen oder mehrpulsige Gleichrichter mindern das
- Schutzart und Kühlung passend zum Raum, denn Maschinenraumwärme und Schwingungen setzen der Umrichterelektronik stärker zu als ein eigener Schaltraum
Vorschriften und Klasse
Die Klassifikationsgesellschaften fordern, dass die Oberwellenverzerrung im Bordnetz innerhalb festgelegter Grenzen bleibt, was die Wahl der Gleichrichtertopologie und einen etwaigen Bedarf an Oberwellenfiltern bestimmt, wenn mehrere VFDs eine Schalttafel teilen. Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit gelten zum Schutz von Navigations- und Funkgeräten vor den vom Umrichter erzeugten Störungen. Umrichter an wesentlichen Diensten müssen dieselben Anforderungen an Redundanz und Fehlerverhalten erfüllen wie die von ihnen geregelten Anlagen; der Ausfall eines Thrusterumrichters darf eine Rückfallsteuerung von Hand nicht verhindern, wo diese gefordert ist.
Typische Fehler
| Fehler | Ursache | Folge |
|---|---|---|
| Täuschungsauslösungen wegen Überstrom | Rampenzeit zu straff für die Trägheit des angetriebenen Verbrauchers eingestellt | Wiederholte Auslösungen, Unterbrechung des Vorgangs, aus Verdruss übergangene Schutzeinrichtungen |
| Schaden an den Motorlagern | Wellenströme aus schnellem Schalten ohne ordentliche Erdung oder Lagerisolierung | Vorzeitiger Lagerausfall, ungeklärte Schwingungen |
| Störung von Navigationsgeräten | Unzureichende Ausgangsfilterung oder schlechte Kabelschirmung zwischen Umrichter und Motor | Störungen an Kompass oder Funk, schwer aufzuspürende aussetzende Fehler anderswo im Schiff |
| Überhitzung und Leistungsrücknahme des Umrichters | Ausfall des Kühllüfters oder verschmutzter Filter in der heißen Maschinenraumumgebung | Verminderte Abgabe, unerwartete Auslösung unter Spitzenlast |
Worauf es beim Lieferanten ankommt
- Eine Schiffsbaumusterzulassung der zuständigen Klassifikationsgesellschaft, kein bloß industriell bemessener Umrichter, der in eine Schiffsanwendung verkauft wird
- Ein belegtes Oberwellenverhalten und, wo mehrere Umrichter eine Schalttafel teilen sollen, eine Anleitung zur Minderung
- Die Fähigkeit zur Vektorregelung, wo die Anwendung ein genaues Drehmomentverhalten braucht, etwa bei Thrustern oder Winden
- Gehäuse und Kühlung, bemessen für die wirkliche Einbauumgebung, einschließlich Schwingungen und Umgebungstemperatur
Wellenerdung und Lagerisolierung prüfen, wann immer ein VFD an einen vorhandenen Motor nachgerüstet wird; nicht der Umrichter verursachte den Lagerschaden, den alle ihm anlasten, sondern der fehlende Erdungsring.
