Wenn Sie jemals mit Industriemotoren gearbeitet haben, haben Sie wahrscheinlich viele Fragen zur Kombination von Frequenzumrichtern (VFDs) mit verschiedenen Motortypen gehört. Eine Frage, die bei unseren Kunden – viele von ihnen sind kleine Hersteller, Maschinenbauer und Wartungstechniker – regelmäßig auftaucht, lautet: „Kann ein dreiphasiger 3-PS-VFD mit einem Gleichstrommotor verwendet werden?“ Als Lieferant, der sich auf VFD-Lösungen spezialisiert hat, habe ich jahrelang genau diese Frage durchgegangen, und die Antwort ist nicht einfach ein Ja oder Nein. Es hängt davon ab, wie die einzelnen Komponenten funktionieren, von den elektrischen Spezifikationen und davon, was Sie mit der Einrichtung erreichen möchten. Lassen Sie uns dies klar aufschlüsseln, beginnend mit den Grundlagen sowohl des 3-PS-VFD-Dreiphasenmotors als auch des Gleichstrommotors.
Lassen Sie uns zunächst herausfinden, was die einzelnen Teile bewirken. Ein Antrieb mit variabler Frequenz, manchmal auch Frequenzumrichter VFD genannt, dient zur Steuerung der Drehzahl von Wechselstrommotoren durch Anpassung der Frequenz und Spannung der an den Motor gesendeten Leistung. Die meisten Standard-VFDs auf dem Markt sind für Wechselstrom-Induktionsmotoren, Wechselstrom-Synchronmotoren oder Permanentmagnet-Wechselstrommotoren konzipiert – das sind die Arbeitspferde von Industrieanlagen wie Förderbändern, Pumpen und Werkzeugmaschinen. Unser 3-PS-VFD 3 Phase wurde speziell für Dreiphasen-Wechselstrommotoren mit einer Nennleistung von 3 PS entwickelt, sodass seine internen Schaltkreise auf die Wechselstromleistungseigenschaften dieser Motoren abgestimmt sind. Es wandelt eingehenden Wechselstrom (entweder ein- oder dreiphasig, je nach Modell) in Gleichstrom (DC) um und wandelt diesen Gleichstrom dann wieder in Wechselstrom mit variabler Frequenz um, um ihn an die Geschwindigkeitsanforderungen des Motors anzupassen. Diese Konvertierungskette ist hier der Schlüssel.
Ein Gleichstrommotor hingegen wird mit Gleichstrom betrieben, eine Umwandlung ist nicht erforderlich. Seine Geschwindigkeit wird durch Anpassen der an seinen Anker gesendeten Spannung oder in einigen Fällen durch Anpassen des Feldstroms gesteuert. Gleichstrommotoren gibt es schon seit Jahrzehnten und sie werden immer noch in Anwendungen eingesetzt, die eine präzise Drehzahlregelung bei niedrigen Drehzahlen, ein hohes Drehmoment beim Anlauf oder eine konstante Leistung über einen weiten Drehzahlbereich erfordern – beispielsweise bei Kränen, Hebezeugen und einigen Verpackungsmaschinen. Das Problem besteht darin, dass ein Standard-VFD nicht für die direkte Verarbeitung von Gleichstrom ausgelegt ist, zumindest nicht in der Art und Weise, wie er für die Verarbeitung von Wechselstrom ausgelegt ist.
Können Sie also tatsächlich einen dreiphasigen 3-PS-Frequenzumrichter an einen Gleichstrommotor anschließen? Kommen wir zur technischen Seite. Die kurze Antwort lautet: Im Allgemeinen nein, nicht mit einem handelsüblichen VFD. Hier erfahren Sie, warum. Das interne Design des VFD ist für den Wechselstromausgang ausgelegt. Es nimmt eingehenden Wechselstrom auf, richtet ihn in Gleichstrom um und wandelt diesen Gleichstrom dann in Wechselstrom mit variabler Frequenz um. Ein Gleichstrommotor benötigt keinen umgekehrten Wechselstrom, sondern reine Gleichstromleistung. Wenn Sie einen Gleichstrommotor an die Ausgangsklemmen eines Standard-VFD anschließen, senden Sie Wechselstrom an eine für Gleichstrom ausgelegte Komponente, die nicht ordnungsgemäß funktioniert. Der VFD ist für die Bereitstellung von Wechselstrom ausgelegt, der bei einer festgelegten Frequenz die Richtung ändert. Der Anker eines Gleichstrommotors ist auf einen konstanten Stromfluss (oder kontrollierte Stromänderungen im Fall von Gleichstrommotoren mit Bürsten) angewiesen, um Drehmoment zu erzeugen. Das Senden von Wechselstrom an einen Gleichstrommotor würde dazu führen, dass dieser übermäßig vibriert, nur ein geringes bis gar kein nutzbares Drehmoment erzeugt und bei Stromspitzen sogar die Wicklungen des Motors oder den VFD selbst beschädigen könnte.
Allerdings gibt es eine kleine Ausnahme. Wenn es sich bei Ihrem Gleichstrommotor tatsächlich um einen umfunktionierten „Gleichstrommotor“ handelt, oder genauer gesagt um einen in Reihe gewickelten Gleichstrommotor, der manchmal in Traktionsanwendungen verwendet wird – wie alte elektrische Gabelstaplermotoren –, haben einige Leute damit experimentiert, VFDs so zu modifizieren, dass sie mit ihnen funktionieren. Aber selbst dann handelt es sich nicht um ein Standard-Setup und es wird für die meisten industriellen Anwendungen nicht empfohlen. Diese Modifikationen erfordern eine Neuverkabelung des VFD-Ausgangs, um einen konstanten Gleichstrom anstelle eines Wechselstroms mit variabler Frequenz zu liefern, was die gesamte Funktion des Antriebs verändert. Es wäre kein VFD mehr, da VFDs per Definition Frequenzumrichter sind. Für dieses modifizierte Setup ist die Verwendung eines für diesen Zweck entwickelten Gleichstrommotor-Controllers besser geeignet als ein dreiphasiger 3-PS-Frequenzumrichter für Wechselstrom.
Lassen Sie uns auch über die Leistungsanpassung sprechen, die ein entscheidendes Detail für jede Motor- und Antriebspaarung ist. Unser 3-PS-VFD 3-Phasen ist für den Betrieb eines 3-PS-Wechselstrommotors ausgelegt, der eine bestimmte Strommenge verbraucht (ungefähr 7,5 Ampere bei 230 V dreiphasig, als Referenz). Ein Gleichstrommotor mit der gleichen Leistung zieht je nach Nennspannung einen unterschiedlichen Strom. Beispielsweise verbraucht ein 24-V-Gleichstrommotor mit 3 PS bei Volllast etwa 100 Ampere, während ein 48-V-Gleichstrommotor mit 3 PS etwa 50 Ampere verbraucht. Das ist eine ganz andere Stromaufnahme, als der VFD liefern soll. Selbst wenn Sie einen VFD so modifizieren könnten, dass er Gleichstrom ausgibt, wären seine internen Komponenten (wie die in der Wechselrichterstufe verwendeten Transistoren) für den niedrigeren Strom eines 3-PS-Wechselstrommotors dimensioniert, nicht für den viel höheren Strom, den ein Gleichstrommotor mit der gleichen Leistung benötigt. Dies würde zu Überhitzung, vorzeitigem Teileausfall oder einem Sicherheitsrisiko durch elektrische Überlastung führen.
Vielleicht denken Sie: „Was ist, wenn ich ein anderes Laufwerk verwende?“ Das ist eine gute Frage. Wenn Sie eine Drehzahlregelung für einen Gleichstrommotor benötigen, ist ein VFD nicht das richtige Werkzeug. Stattdessen benötigen Sie einen Gleichstrommotor-Controller, der speziell für die Anpassung der Gleichspannung an die Geschwindigkeitsregelung entwickelt wurde. Wenn Sie jedoch mit Wechselstrommotoren arbeiten, ist ein Frequenzumrichter die perfekte Lösung. Auf unserer Website finden Sie eine Reihe von Optionen für verschiedene Konfigurationen, darunter den 5-PS-VFD-Einphaseneingang für kleinere einphasige Stromquellen oder einen 3-Phasen-Frequenzantrieb für größere industrielle Dreiphasensysteme. Wenn für Ihren Dreiphasenmotor nur einphasiger Strom zur Verfügung steht, ist unser einphasiger Frequenzumrichter so konzipiert, dass er den einphasigen Eingang in einen dreiphasigen Ausgang umwandelt, sodass Sie Ihre Anlage nicht für dreiphasigen Strom umverkabeln müssen. Hierbei handelt es sich allesamt um Lösungen zur Steuerung von Wechselstrommotoren, die auf unterschiedliche Leistungsanforderungen und Motorgrößen zugeschnitten sind.
Ein weiteres häufiges Missverständnis, das ich von Kunden höre, ist, dass alle Motorsteuergeräte austauschbar seien. Das stimmt nicht. VFDs sind aufgrund der Art und Weise, wie die Drehzahl des Wechselstrommotors gesteuert wird, auf Wechselstrommotoren spezialisiert: Bei Wechselstrom-Induktionsmotoren wird die Drehzahl durch die Anzahl der Pole im Stator und die Frequenz der Stromversorgung bestimmt. Durch Anpassen der Frequenz können Sie die Geschwindigkeit anpassen, und durch Anpassen der Spannung zusammen mit der Frequenz (V/Hz-Steuerung genannt) bleibt das Magnetfeld des Motors im Gleichgewicht, sodass er nicht überhitzt. Ein Gleichstrommotor verfügt nicht über dieses Statordesign – sein Magnetfeld kommt entweder von einem Permanentmagneten oder einer separaten Feldwicklung, sodass die Drehzahlregelung völlig anders funktioniert. Der Versuch, einen Frequenzumrichter für einen Gleichstrommotor zu verwenden, ist wie die Verwendung eines Schraubenschlüssels als Schraubenzieher: Er passt vielleicht, funktioniert aber nicht so, wie er soll, und Sie werden wahrscheinlich beide Werkzeuge beschädigen.
Lassen Sie uns auch darauf eingehen, was passiert, wenn jemand dies trotzdem versucht. In meinen Jahren als Zulieferer habe ich Geschichten von Kunden gehört, die dies getestet haben und am Ende kaputte Motoren oder kaputte Antriebe hatten. Beispielsweise hat eine kleine Maschinenwerkstatt einmal versucht, ihren dreiphasigen VFD mit 3 PS an einen Gleichstrommotor für ein kundenspezifisches Förderband anzuschließen. Beim Einschalten gab der Motor ein lautes Summen von sich, schüttelte heftig und brannte innerhalb von 10 Minuten seine Ankerwicklung durch. Auch der VFD musste zur Reparatur eingeschickt werden, da das AC-Ausgangssignal seine internen Steuerkreise durcheinander brachte. Dies ist ein häufiges Ergebnis, da der VFD nicht für die Regelung der Gleichstromversorgung eines Gleichstrommotors ausgelegt ist und der Gleichstrommotor nicht für die Bewältigung von Wechselstrom ausgelegt ist. Das Risiko ist es nicht wert, auch wenn es wie eine billige Abkürzung erscheint.
Wann würden ein VFD und ein Gleichstrommotor jemals zusammenarbeiten? Das einzige Szenario, das ich mir vorstellen kann, ist ein Hybridsystem, bei dem ein Gleichstrommotor als Teil einer regenerativen Bremsanlage verwendet wird und der VFD die Leistungsrückführung übernimmt. Selbst dann handelt es sich um eine hochspezialisierte Anwendung und nicht um einen Standardanwendungsfall. Regenerative Antriebe (eine Art fortschrittlicher VFD) können Energie von einem Motor erfassen, der als Generator fungiert – beispielsweise wenn ein Förderband langsamer wird – und diese Energie zurück an das Stromnetz senden. Aber das gilt für Wechselstrommotoren, nicht für Gleichstrommotoren. Für einen Gleichstrommotor in einem regenerativen System benötigen Sie immer noch einen gleichstromspezifischen Controller, um die Energierückführung zu handhaben, keinen VFD.
Wenn Sie die Drehzahl eines Gleichstrommotors steuern möchten, ist es der richtige Schritt, nach einem Drehzahlregler für Gleichstrommotoren und nicht nach einem Frequenzumrichter zu suchen. Diese Regler dienen zur Anpassung der Ankerspannung oder des Feldstroms von Gleichstrommotoren, sodass sie nahtlos mit dem Motordesign zusammenarbeiten. Sie sind auch für die Stromaufnahme von Gleichstrommotoren richtig dimensioniert, die, wie ich bereits erwähnt habe, viel höher sein kann als die eines Wechselstrommotors mit gleicher Leistung. Beispielsweise benötigt ein 3-PS-Gleichstrommotor einen Controller, der bei 24 V für mindestens 100 Ampere ausgelegt ist, während ein 3-PS-Frequenzumrichter nur für etwa 7,5 Ampere bei 230 V ausgelegt ist. Der Versuch, hier einen VFD zu verwenden, würde dazu führen, dass der Controller deutlich unterdimensioniert wird, was zu Überhitzung und Ausfall führen würde.
Wenn Sie nun mit einem Wechselstrommotor arbeiten und sich fragen, ob ein 3-PS-Frequenzumrichter das Richtige für Sie ist, dann sind unsere Produkte genau das Richtige für Sie. Unser 3-PS-VFD 3-Phasen ist für den Einsatz mit einer breiten Palette von Dreiphasen-Wechselstrommotoren ausgelegt, von 1/2 PS bis 3 PS, je nach Effizienz und Anwendung des Motors. Es unterstützt sowohl die V/Hz-Steuerung als auch die Vektorsteuerung, was Ihnen eine präzisere Geschwindigkeitssteuerung und ein höheres Drehmoment bei niedrigen Geschwindigkeiten ermöglicht – perfekt für Anwendungen wie kleine Förderbänder, Werkzeugmaschinen und landwirtschaftliche Geräte. Wir bieten auch andere VFDs an, um unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden: Wenn Sie einen 5-PS-Motor haben, können Sie ihn mit unserem 5-PS-VFD-Einphaseneingang mit einphasiger Stromversorgung verwenden, was in vielen gewerblichen Umgebungen ohne dreiphasige Anschlüsse üblich ist. Für größere Lasten umfasst unsere 3-Phasen-Frequenzantriebsreihe Modelle bis zu höheren PS-Werten, sodass Sie die richtige Lösung für Ihre Ausrüstung finden.
Lassen Sie uns das abschließen. Die wichtigste Erkenntnis ist, dass ein dreiphasiger VFD mit 3 PS nicht mit einem Standard-Gleichstrommotor verwendet werden kann. Ihre internen Designs sind auf unterschiedliche Leistungsarten und Motorfunktionen zugeschnitten, und der Versuch, sie zu koppeln, führt zu schlechter Leistung, möglichen Geräteschäden und Sicherheitsrisiken. Wenn Sie eine Drehzahlregelung für einen Gleichstrommotor benötigen, bleiben Sie bei einem speziell entwickelten Gleichstrommotor-Controller. Wenn Sie mit einem Wechselstrommotor arbeiten und nach einem Frequenzumrichter suchen, sind unsere Frequenzumrichter und Frequenzumrichter – darunter der 3-PS-VFD mit drei Phasen, der 5-PS-VFD mit einphasigem Eingang und der einphasige Frequenzumrichter für Anlagen mit geringerer Leistung – darauf ausgelegt, industrielle Anforderungen zuverlässig zu erfüllen.
Wenn Sie Fragen zum richtigen VFD für Ihren Wechselstrommotor haben, Hilfe bei der Dimensionierung eines Antriebs benötigen oder mehr über unsere Produkte erfahren möchten, können Sie sich gerne an uns wenden. Wir sind hier, um Ihnen zu helfen, die richtige Lösung für Ihre Industrieausrüstung zu finden, unabhängig von der Anwendung.
Referenzen
- Elektromotorsteuerung: Prinzipien und Anwendungen, McGraw-Hill, 2019
- Design und Betrieb von Frequenzumrichtern, IEEE Press, 2021
- Handbuch zur industriellen Motorsteuerung, National Electrical Manufacturers Association (NEMA), 2020