Frequenzumrichter: Schaltschrankinstallation oder dezentraler Betrieb im Feld?
Frequenzumrichter ermöglichen eine flexible Regelung der Drehzahl von Motoren, helfen ein konstantes Drehmoment zu erzeugen und sind damit ein unverzichtbarer Bestandteil automatisierter Fertigungskonzepte. Sie können sowohl im Schaltschrank als auch direkt auf dem bzw. in der Nähe des Motors installiert werden. Was unterscheidet die beiden Strategien? Welche Vorteile bringt eine Dezentralisierung? Und welches Antriebskonzept eignet sich für welche Anwendung? Antworten, Lösungen und Perspektiven.
Wohin mit dem Frequenzumrichter?
Eines gleich vorweg: Die eine einzig richtige Lösung gibt es in der Regel nicht – zu viele Faktoren spielen bei der Wahl des Antriebskonzepts eine Rolle. Schaltschrankmontage, dezentraler Einsatz im Feld oder eine Kombination aus beidem? Jede Strategie hat eigene Vor- und Nachteile. Daher ist es in vielen Fällen ein Abwägen, wo die Frequenzumrichter platziert werden. Es gibt aber natürlich verschiedenste Kriterien, die bei der Entscheidungsfindung helfen können.
Typischerweise gibt es bei den verschiedenen Umrichtertypen Unterschiede in Ausstattung, Funktion und Performance. Während Schaltschrankgeräte den vollen Funktionsumfang bieten, handelt es sich bei dezentralen Geräten oft um einfachere, abgespeckte Varianten mit einem kleineren Funktionsumfang. NORD DRIVESYSTEMS geht einen anderen Weg. Entgegen der gängigen Praxis des Marktumfelds nutzt der Antriebsspezialist aus Norddeutschland für beide Gerätetypen das gleiche Plattformkonzept. Das Ergebnis: gleicher Performance- und Funktionsumfang unabhängig vom Installationsort.
Der Leistungsumfang ist jedoch nicht das alleinige Entscheidungskriterium. Auch Aspekte wie Anlagenstruktur, Installationsumgebung, Effizienzanforderungen, Wartungsbedarf, Schutzart und Anpassungsmöglichkeiten machen einen Unterschied und sollten in die Überlegungen mit einbezogen werden. Oft ist die Entscheidung kostengetrieben. Letztendlich sollten es aber immer die Anwendungsanforderungen sein, die das Antriebskonzept bestimmen.
Wichtige Faktoren für die Wahl der Antriebselektronik:
- Anwendung
- Branche
- Anlagenstruktur
- Motorleistungen
- Funktionsumfang
- Umgebungsbedingungen
- Wartungsaufwand
- Flexibilität
Der Klassiker: Schaltschrankumrichter
Klassischerweise sind alle elektrischen und elektronischen Komponenten einer Anlage in einem Schaltschrank untergebracht. Dieser schützt die empfindliche Elektronik im Inneren und die äußere Produktionsumgebung gleichermaßen. Schmutz, Staub, Hitze, Feuchtigkeit sowie elektromagnetische Einflüsse können nicht eindringen und elektromagnetische Emissionen, gefährliche Spannungen oder eventuell auftretende Brände können nicht nach außen gelangen.
Generell befindet sich bei 80 Prozent aller Anwendungen die Antriebselektronik fern von Elektromotor und Getriebe. Vor allem im Maschinenbau dominiert diese Steuerungsarchitektur. Meist hat die räumliche Trennung von Motor und Steuerungstechnik historische Gründe, in bestimmten Anwendungen ist sie jedoch auch von Vorteil – insbesondere, wenn es um große Leistungen und extreme Umweltbedingungen geht. So sind zwar für die Ex-Bereiche der Zone 22 (explosive Stäube) dezentrale Antriebssysteme üblich, explosive Gase, Nebel und Dämpfe hingegen erfordern so hohe Schutzmaßnahmen, dass eine Dezentralisierung technisch zwar möglich, wirtschaftlich aber nicht sinnvoll wäre. Sensible Bereiche wie die Prozessindustrie, die Chemiebranche und Lackieraufgaben nutzen daher in den meisten Fällen einen zentralen Installationspunkt. Auch kann in manchen Applikationen die Notwendigkeit bestehen, zentral auf die Umrichter zugreifen zu können.
Bei diesen Anforderungen ist eine Schaltschrankmontage sinnvoll:
- Große Leistungen
- Extreme Umgebungsbedingungen wie explosive Gase, Nebel und Dämpfe
- Hohe Hygieneanforderungen
- Zentraler Zugriff notwendig
Dezentralen Frequenzumrichtern gehört die Zukunft
Noch gelten zentrale Konzepte vielerorts als Nonplusultra – doch ist ungewiss, ob dies in Zukunft so bleibt. Denn generell lässt sich ein zunehmender Systemgedanke beobachten, dezentrale Automatisierungskonzepte sind auf dem Vormarsch. Wo immer es möglich ist, greifen Anwender auf im Anlagenfeld verteilte Lösungen zurück – getrieben vom Wandel hin zu modularen Produktionsanlagen sowie dem steigenden Bedarf an kompakten, servicefreundlichen und wirtschaftlichen Antrieben. Vorreiter ist Europa, aber die USA und Asien ziehen nach. Vor allem Branchen wie die Intralogistik, Fördertechnik, Lebensmittelindustrie, die Flughafentechnik und die Verpackungsindustrie setzen verstärkt auf dezentrale Konzepte mit Umrichter in der Nähe des Motors. Das verwundert nicht, denn die spezifischen Vorzüge dezentraler Antriebstechnik kommen besonders bei weitläufigen Anlagen sowie in modularen und mobilen Systemen zum Tragen.
Bei einer Dezentralisierung werden die Antriebsaufgaben auf einzelne, intelligente Komponenten im Feld verteilt. Diese werden dort installiert, wo sie gebraucht werden – sprich auf dem oder nah am Motor. Eine Dezentralisierung der Antriebstechnik findet vorrangig im kleineren und mittleren Leistungsbereich statt und ermöglicht ein Anlagendesign, das aus autarken Fertigungsinseln besteht, die ihre Abläufe weitgehend selbst regeln. So wird die übergeordnete Steuerung entlastet und die Anlagenkomplexität reduziert. Für den Anwender bedeutet das eine schnellere Inbetriebnahme sowie vereinfachte Wartungs- und Instandhaltungsprozesse. Mit einem modularen Konzept bleibt er außerdem maximal flexibel, denn Umgestaltungen in der Anlagenarchitektur sind jederzeit ohne größere strukturelle Veränderungen möglich. Im Ergebnis bedeutet das: reduzierte Kosten und mehr Effizienz.
Die Vorteile einer Dezentralisierung
Durch das dezentrale Automatisierungskonzept wird der Schaltschrankbau kostengünstiger und unkomplizierter. Wenn die Antriebselektronik am oder in der Nähe des Elektromotors installiert wird, wird weniger Platz im Schrank benötigt. Dadurch kann dieser kleiner ausfallen bzw. teilweise sogar ganz eingespart werden. Da der Umrichter als zusätzliche Wärmequelle entfällt, verringert sich zudem der Klimatisierungsaufwand. Das wirkt sich wiederum positiv auf die Energiebilanz aus.
Außerdem reduziert sich dank der räumlichen Nähe von Motor und Elektronik sowohl der Verdrahtungsaufwand als auch die Verkabelung zwischen Schrank und Antrieb im Anlagenfeld auf ein Minimum. Außerdem sind dezentrale Lösungen oft steckbar ausgeführt. Das vereinfacht die Installation zusätzlich. Es werden keine oder nur sehr kurze Kabel benötigt, die dank der optimalen EMV-Eigenschaften der nah am Motor platzierten Antriebselektronik auch nicht zwingend geschirmt ausgeführt werden müssen. Bei einer motornahen Installation kann zwar nicht auf geschirmte Kabel verzichtet werden, diese können jedoch sehr kurz ausfallen und sind damit kostengünstig. Bei der Montage direkt auf dem Motor oder in der unmittelbaren Nähe des Antriebs ist zudem eine motornahe Inbetriebnahme möglich. Da die Anschlüsse für die Energieversorgung und das Bussystem in der Regel steckbar und durchgeschliffen sind, kann diese schnell und einfach durchgeführt werden – ganz im Gegensatz zur sternförmigen Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung im Schrank. Das senkt die Kosten.
Vorteile dezentraler Umrichter:
- Schaltschrank kann kleiner ausfallen
- Minimaler Verdrahtungs- und Verkabelungsaufwand
- Einfache Wartung
- Schnelle Inbetriebnahme dank Vorkonfigurierung im Werk
- Veränderungen und Erweiterungen im Anlagendesign jederzeit möglich
- Geringere Kosten für das Anlagendesign
- Reduzierung der Anlagenkomplexität
- Erhöhung der Effizienz des gesamten Antriebssystems
- In alle Automatisierungsarchitekturen integrierbar
Pionier innovativer Umrichtertechnik
NORD DRIVESYSTEMS verfügt über großes Know-how in elektronischer Antriebstechnik. Das Unternehmen entwickelt und produziert seit mehr als 40 Jahren Umrichter und Motorstarter und zählt damit zu den Pionieren innovativer Umrichtertechnik. Das Portfolio umfasst dezentrale Antriebselektronik wie Frequenzumrichter bis 22 kW und Motorstarter bis 7,5 kW sowie Umrichter für die Schaltschrankinstallation bis 160 kW. Es zeichnet sich vor allem durch skalierbare Funktionen, eine hohe Regelgüte sowie eine einfache Installation und Bedienung aus. Verschiedene Leistungsklassen, Montagemöglichkeiten und Kommunikationsmodule ermöglichen die Integration in alle Steuerungsarchitekturen.
NORD fertigt Antriebselektronik im eigenen Werk im ostfriesischen Aurich (Niedersachsen). Die automatisierte und flexible Produktionsstruktur ist technisch auf dem neuesten Stand und erlaubt es, jede Auftragsgröße gleichermaßen auszuführen. Auch kleine Losgrößen sind dank der flexiblen Produktion möglich. Im Jahr 2022 haben 185.000 Einheiten die Werkhallen verlassen, Tendenz steigend. Vor allem die Nachfrage nach kundenindividuell konfigurierter Antriebselektronik nimmt stark zu. Um dem wachsenden Bedarf optimal gerecht zu werden, hat NORD im vergangenen Jahr 2,5 Millionen Euro in den Standort investiert und die Produktionsfläche auf 7.000 m2 sowie die Fertigungskapazität auf 400.000 Einheiten erweitert.
Frequenzumrichter von NORD: Skalierbar, leistungsstark, zukunftsfit
Ob als Schaltschrankumrichter oder als dezentrale Variante für den Einsatz im Feld: Mit der NORDAC-Produktfamilie bietet NORD DRIVESYSTEMS elektronische Antriebstechnik für nahezu jede Anwendung. Die durchgehende Kompatibilität der gesamten Produktfamilie sorgt für einen vergleichbaren Funktionsumfang, einheitliche Bedienung und gemeinsame Optionen aller NORD Frequenzumrichter. Die Geräte sind skalierbar in Funktion sowie Ausstattung und können so flexibel an jede beliebige Applikation angepasst werden. Sie lassen sich schnell installieren, unkompliziert bedienen und sind mit allen marktüblichen Bussystemen und Steuerungen kompatibel.
Nützliche Features wie die PLC-Funktionalität für antriebsnahe Funktionen, eine Energiesparfunktion für den Teillastbereich, die Positioniersteuerung POSICON, integrierte Bremschopper für den 4-Quadrantenbetrieb, funktionale Sicherheit mit STO und SS1 sowie Profisafe auch für motionrelated Functional-Safety-Aufgaben garantieren einen hohen Anwendungsnutzen. Die Frequenzumrichter performen open-loop oder closed-loop und sind für den Betrieb von Asynchronmotoren und Synchronmotoren ausgelegt. Die präzise Stromvektorregelung kann dabei das Optimum an Drehmoment in unterschiedlichsten Last- und Drehzahlsituationen herausholen.
Darüber hinaus können sie zahlreiche Funktionen übernehmen sowie selbständig steuern und versetzen den Getriebemotor in die Lage, zum Beispiel Hubwerksfunktionen, Positionieraufgaben, Ablaufsteuerungen, fliegende Sägen und den Gleichlauf mit anderen Motoren auszuführen. Das modulare Baukastenprinzip macht viele Erweiterungen und Optionen per Plug-and-Play zugänglich. Für Ex-Umgebungen bietet NORD mit ATEX 3D innovative Lösungen.
Frequenzumrichter von NORD verfügen über Condition-Monitoring-Lösungen für Predictive-Maintenance-Systeme und sind für den Einsatz in IIoT und Industrie 4.0 gut ausgestattet. Die integrierte PLC kann die Daten angeschlossener Sensoren und Aktoren verarbeiten, Ablaufsteuerungen einleiten und mit anderen Anlagenkomponenten kommunizieren. Durch die periodische beziehungsweise kontinuierliche Erfassung der Antriebs- und Zustandsdaten lassen sich unzulässige Betriebszustände frühzeitig erkennen sowie vermeiden. So können ungeplante Stillstandzeiten signifikant verringert werden und eine zustandsorientierte Instandhaltung (Predictive Maintenance) tritt an die Stelle der zeitbasierten Instandhaltung. Maschinen- oder Anlagenstillstände werden planbar.
Die NORDAC-Produktfamilie auf einen Blick:
- Integrierte PLC
- Positioniermodul POSICON
- Einfache Parametrierung
- Hubwerksfunktion
- Brems-Chopper und -Widerstand on-board
- Closed-loop-Betrieb mit Inkrementalgeber und/oder Absolutwertgeber
- Funktionale Sicherheit
- Energiesparfunktion für den Teillastbereich
- Unterstützung aller gängigen Feldbus- und Ethernet-Dialekte
- Betrieb von Synchron- und Asynchronmotoren
- Schutzart IP55 / IP66
- Alle relevanten internationalen Zertifizierungen für den weltweiten Einsatz
Dezentrale und Schaltschrankumrichter in Kombination
Schaltschrankumrichter oder dezentraler Frequenzumrichter? Die Frage suggeriert, dass es sich dabei um zwei gegensätzliche Strategien handelt, die einander kategorisch ausschließen. Das ist aber keineswegs der Fall. Eine Kombination aus beiden Antriebskonzepten ist vielen Fällen eine sinnvolle Lösung. Abfüllanlagen in der Getränkeindustrie sind für derartige Mischkonzepte ein gutes Beispiel. Dort, wo direkt mit dem Produkt gearbeitet wird und entsprechende Hygienestandards erfüllt werden müssen, empfiehlt sich möglicherweise eine Schaltschranklösung.
Für die Förderbänder zwischen den einzelnen Stationen sind jedoch dezentrale Lösungen meist die bessere Wahl. Dank des Plattformkonzepts ist NORD DRIVESYSTEMS in der Lage, auch für diese Anforderungen passende Antriebslösungen mit einer Kombination der Gerätetypen einzusetzen. Unterschiede zwischen beiden hinsichtlich Performance, Kommunikation, Bedienung und Parametrierung gibt es dabei nicht.
FAQs: Frequenzumrichter – Funktion und Arbeitsweise
Wofür gibt es Frequenzumrichter?
Wird ein elektrischer Getriebemotor mit einer konstanten Wechselspannung betrieben (meist 1phasig 230 Volt / 3phasig 400 Volt mit einer Frequenz von 50 Hz), so ist seine Drehzahl dadurch festgelegt. Veränderliche Drehzahlen, um zum Beispiel den Volumenstrom einer Pumpe zu variieren oder einen Antrieb gezielt langsam anlaufen zu lassen, sind damit nicht möglich. Dafür braucht es einen Frequenzumrichter.
Wie arbeitet ein Frequenzumrichter?
Der Frequenzumrichter wird zwischen Versorgungsnetz und Motor geschaltet. Die Wechselspannung des Netzes wird mittels Elektronik (Gleichrichter) in eine hohe Gleichspannung gleichgerichtet. Aus dieser Gleichspannung kann dann mittels elektronischer Schaltkreise (Wechselrichter) eine beliebige Ausgangspannung generiert werden. Der Frequenzumrichter verändert mithilfe dieser elektronischen Schaltkreise flexibel Spannung und Frequenz am Motoranschluss, sodass die Drehzahl und damit die Geschwindigkeit des Elektromotors variabel geregelt werden kann.
Moderne Frequenzumrichter von NORD DRIVESYSTEMS können das so vollendet, dass ein Drehstrommotor vergleichbar präzise angesteuert werden kann wie ein Servomotor – vom Stillstand bis zur vollen Drehzahl sowie wahlweise mit Links- oder Rechtslauf, ohne dass der Elektromotor umgepolt werden müsste.
Was leisten Frequenzumrichter außerdem?
Umrichter von NORD bringen viele weitere intelligente Funktionen und eine eigene PLC mit sich und überwachen elektronisch viele Zustandsparameter des Antriebes. Damit sind sie zu intelligenten Steuerungseinheiten für Elektroantriebe in allen Industriebranchen und der Logistik geworden: Antriebe für Lüfter, Gebläse, Pumpen, Kräne, Förderbänder, Produktionsmaschinen, Werkzeugmaschinen, Mischer, Rührwerke sowie Intralogistikanlagen für Versand, Transport und Verkehr. Sie sind eine wichtige Voraussetzung für optimierte, automatisierte und energieeffiziente Fertigungsprozesse.
