Frequenzumrichter (VFD) / Drehzahlregelbarer Antrieb

Was diesen Typ definiert

Ein Frequenzumrichter richtet die ankommende Wechselspannung gleich, glättet sie auf einem Zwischenkreis und erzeugt dann über eine Wechselrichterstufe eine neue Wechselspannung mit genau der Frequenz und Spannung, die der Motor braucht — die Motordrehzahl folgt der Ausgangsfrequenz des Umrichters, statt an der Netzfrequenz zu hängen. Das trennt ihn vom Sanftanlasser, der nur die Spannung während des Anlaufs rampt, während der Motor danach mit Netzfrequenz läuft, und von der mechanischen Drehzahlstellung über Ventil, Klappe oder Strömungskupplung, die die überschüssige Energie als Wärme oder Druckverlust verschwendet, statt sie gar nicht erst aufzunehmen.

Hauptkomponenten

• Eingangsgleichrichter und Filter — wandeln die ankommende Wechselspannung in Gleichspannung und begrenzen die auf das Netz zurückwirkende Oberschwingungsstörung.
• Zwischenkreiskondensatoren — glätten die gleichgerichtete Spannung und speichern Energie für die Wechselrichterstufe.
• Wechselrichtermodul (IGBT) — schaltet den Zwischenkreis, um die Ausgangswechselspannung mit der geforderten Frequenz und Spannung zu erzeugen.
• Ausgangsfilter — ein Sinus- oder dU/dt-Filter, wichtig bei langen Motorkabeln, der die Wicklungsisolierung des Motors vor Schaltspannungsstress schützt.
• Steuerkarte und Schnittstelle — setzt Rampen, Schutzgrenzen und spricht mit dem Alarm- und Überwachungssystem des Schiffs.
• Kühlung — luftgekühlte Kühlkörper bei kleineren Einheiten, Flüssigkeitskühlung bei größeren Leistungen.

Auswahl / Auslegung

Die Auslegung beginnt bei Motorleistung und Spannung, doch der Lasttyp zählt so viel wie die Zahl auf dem Typenschild: Eine Kreiselpumpe oder ein Lüfter ist eine Last mit variablem Drehmoment, die bei niedriger Drehzahl wenig Moment braucht, während eine Winde oder ein Strahlruder bei niedriger Drehzahl konstantes oder hohes Moment verlangt und einen Umrichter mit entsprechend größerer Überlastreserve braucht. Die Kabellänge zwischen Umrichter und Motor entscheidet, ob ein Ausgangsfilter nötig ist, um die Motorisolierung vor Spannungsreflexion zu schützen. Teilen sich mehrere Umrichter eine Schalttafel-Sammelschiene, kann die kombinierte Oberschwingungsverzerrung überschreiten, was die Installation verträgt — dann braucht es Eingangsfilter oder bei den größeren Einheiten einen mehrpulsigen Gleichrichter.

Vorschriften / Klasse

Die Klassevorschriften setzen eine Grenze für die Oberschwingungsverzerrung an der Schalttafel, die bei mehreren Umrichtern am selben Bus Filterung erzwingen kann. Ein Umrichter, der eine von zwei wesentlichen Pumpen oder Lüftern im Betriebs-/Reservepaar speist, hebt die Redundanzanforderung nicht auf — die Reserveeinheit muss unabhängig verfügbar bleiben, wenn der Umrichter selbst ausfällt. Die EMV-Leistung zählt auf einem Stahlrumpf, der empfindliche Navigations- und Funkelektronik nahe am Schaltrauschen eines Umrichters trägt.

Typische Fehler

• Alterung der Zwischenkreiskondensatoren — Fehlauslösungen bei Lasttransienten, schließlich der offene Kondensatorausfall.
• Verschmutzter Kühllüfter oder Kühlkörper — Übertemperatur-Auslösungen und abgeregelte Leistung unter Volllast.
• Isolationsdurchschlag an Ausgangskabel oder Motorwicklung — durch Schaltspannungsstress auf langen Kabeln ohne ausreichende Filterung; sichtbar als Erdschlussauslösungen und schließlich Motorschaden.
• Oberschwingungsverzerrung über den Schalttafelgrenzen — bei mehreren gemeinsam laufenden Umrichtern, mit Fehlauslösungen und Störungen an anderer Ausrüstung am selben Bus.
• Fehlparametrierung nach einer Reparatur — falsche Rampenzeiten oder Drehrichtung bei der Wiederinbetriebnahme, die im ungünstigsten Moment zutage treten.

Worauf es beim Lieferanten ankommt

• Ein Umrichter, bemessen für den tatsächlichen Lasttyp und das Lastspiel, nicht nur für die Typenschildleistung des Motors.
• Dokumentierte Oberschwingungswerte, mit nötiger Filterung ab Werk statt späterer Nachrüstung.
• Ausgewiesene Grenzen der Ausgangskabellänge, abgeglichen mit der tatsächlichen Strecke an Bord.
• Ersatzlüfter, -kondensatoren und -steuerkarten wirklich verfügbar, denn das sind die am schnellsten alternden Teile.

Die Überlastreserve des Umrichters daran ausrichten, wie sich die Last bei niedriger Drehzahl wirklich verhält — ein nur auf die Typenschildleistung bemessener Umrichter kann an einem Strahlruder oder einer Winde, die nahe Drehzahl null hohes Moment braucht, wiederholt auslösen.