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Ja und nein! Auf diese Frage gibt es keine einfache Antwort.

Wie bei vielen Fragen gibt es auch beim Vergleich von frequenzvariablen Antrieben (VFDs) und drehzahlvariablen Antrieben (VSDs) eine kurze und eine lange Antwort. Es gibt verschiedene Arten von Antrieben mit variabler Drehzahl. Frequenzumrichter sind eine Art von Antrieben mit variabler Drehzahl. Der gebräuchlichste Typ von Antrieben mit variabler Drehzahl ist der Wirbelstromantrieb.

Es gibt jedoch zwei wesentliche Unterschiede, und dies ist die kurze Antwort: Wirbelstromantriebe ändern die Drehzahl der Kupplung, während die Motordrehzahl bei voller Drehzahl bleibt. VFDs ändern die Eingangsfrequenz des Motors, wodurch sich die Motordrehzahl ändert.

Natürlich können die Unterschiede in einer viel ausführlicheren Beschreibung dargelegt werden – eine Beschreibung, die ein wenig mehr Recherche erfordert, um Ihnen zu sagen, wie, wo und wann sie am besten eingesetzt werden. In diesem Blog werden wir versuchen, alle Missverständnisse zwischen den beiden auszuräumen und ihre Definitionen zu klären.

Es ist wahr. Sowohl FUs als auch VFDs erreichen das gleiche Ziel: Sie variieren die Drehzahl der angetriebenen Ausrüstung. Aber WIE sie dies tun, ist der entscheidende Unterschied.

VSDs – Wirbelstrom

VSDs ändern die Drehzahl des angetriebenen Geräts, während der Motor mit seiner vollen Auslegungsdrehzahl arbeitet. In einem Wechselstrommotor wird ein elektrischer Wechselstrom durch eine verteilte Statorwicklung geleitet, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen, das zum Antrieb einer Welle verwendet wird. Wechselstrommotoren treiben rotierende Maschinen wie Lüfter, Pumpen und Kompressoren mit einer einzigen Drehzahl an und sind häufig in Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HVAC) zu finden. Die Drehzahl und das Drehmoment eines Wechselstrommotors werden durch die Frequenz und die Spannung der Stromversorgung bestimmt. Da die Stromzufuhr konstant ist, bleibt auch die Drehzahl des Motors konstant. Wenn die Drehzahl variiert werden muss, wäre ein VSD sinnvoll. Durch den Einbau eines FU in einen Wechselstrommotor kann die Drehzahl präzise variiert werden.

Betrachten wir als Beispiel einen HVAC-Lüfter in einem Gebäude. Wenn der Bedarf an der Lüfterdrehzahl sinkt, kann der Lüfter so gesteuert werden, dass die Drehzahl sinkt, der Energiefluss reduziert wird und somit der Energieverbrauch und die Gesamtbetriebskosten gesenkt werden.

Gleichstrommotoren wandeln elektrische Gleichstromenergie in mechanische Energie um. Gleichstrommotoren basieren auf der Ankerspannung und dem Feldstrom, um die Motordrehzahl zu steuern. Da es in einem Gleichstrommotor keine Frequenz gibt, sind VFDs für diese Anwendung nicht geeignet. Es ist ein separater DC-Drehzahlregler erforderlich. DC-Motoren werden für diese Anwendung nicht oft gewählt.

Oft werden DC-Motoren mit einem AC-Motor und einem AC-Drehzahlregler nachgerüstet, um die für die Anwendung erforderliche Drehzahländerung zu erreichen. Wirbelstromantriebe sind VSDs, die jedoch ein magnetisches Gleichfeld nutzen, um zwei Glieder zu verbinden – eines auf der Eingangswelle und eines auf der Ausgangswelle. Durch die Erhöhung des Gleichstroms in der Spule wird die Kopplung der beiden Elemente verstärkt, so dass mehr Drehmoment an die Last abgegeben wird. Ein Tachometer wird verwendet, um die Geschwindigkeit und das Drehmoment zu kontrollieren.

Wirbelstromverluste im Wirkungsgrad sind wie folgt:

• Wechselstrommotor – Gleiche Leistung wie auf dem Typenschild, wenn der Motor über die Leitung läuft. Dies gilt sowohl für den Leistungsfaktor als auch für den Wirkungsgrad.
• DC-Steuerung – Typischerweise 2 % oder weniger.
• Schlupf – Die Verringerung der Drehzahl wird in der Trommel und dem Rotor (den gekoppelten Teilen) abgeleitet. Der Wirkungsgrad verringert sich proportional zur Verringerung der Drehzahl.

Im Endeffekt ist es am besten, ein Wirbelstromgerät bei oder nahe der Nenndrehzahl zu betreiben. In der Regel werden 80 – 100% empfohlen, um den Wirkungsgrad zu optimieren.

VFDs

VFDs steuern die Motordrehzahl, indem sie die am Stator eines Standard-Wechselstrommotors anliegende Spannung und Frequenz variieren. VFDs können die Drehzahlregelung beim Start, während des Laufs und beim Motorstopp variieren. Ein Standard-Wechselstrommotor hat einen veröffentlichten Wirkungsgrad und Leistungsfaktor. Sie sind recht hoch, in der Regel weit über 90 %, aber nur für eine sinusförmige Erregung bei Nennfrequenz. Beim Betrieb an einem VFD enthält die dem Motor zugeführte Leistung einen erheblichen Anteil an Oberwellen, die nicht wirken, sondern zu den Motorverlusten beitragen, wodurch der Wirkungsgrad des Motors sinkt. Dieser Zustand verschlimmert sich, wenn die Drehzahl reduziert wird.

VFDs sind oft mit Bypass-Startersystemen ausgestattet, um eine Pumpe zu aktivieren, wenn der VFD ausfallen könnte. Viele sind mit einer Klimaanlage ausgestattet, um eine sichere Betriebstemperatur zu gewährleisten. Einige Konstruktionen erfordern kundenspezifische Oberwellenfilter, um die vorgeschriebenen Grenzwerte für die harmonische Verzerrung einzuhalten. Jede dieser Lösungen ist mit Kosten für die zusätzliche Hardware verbunden. Darüber hinaus ist es oft mit erheblichen Kosten verbunden, Platz für all diese Geräte zu schaffen und sie zu installieren, was sogar so weit geht, dass bestehende Anlagen neu gebaut oder neue Anlagen mit mehr Platz ausgestattet werden müssen. Die zusätzliche Leistung, die für den Betrieb dieser zusätzlichen Hardware erforderlich ist, wird bei der Berechnung des voraussichtlichen Wirkungsgrads des Systems oft nicht berücksichtigt.

Die Wirkungsgradverluste von VFD sind wie folgt:

• I²R-Verluste – Die Erwärmung ist der größte Verlust, der durch den Widerstand des Stromflusses in der Motorwicklung und den Rotorstäben verursacht wird. Sie ist proportional zum Quadrat des Stromflusses.
• Wirbelstromverluste – Verluste, die durch unbeabsichtigten Stromfluss im Rotor und Stator entstehen. Diese werden durch Lamellen im Stator und Rotor begrenzt. Sie sind proportional zum Stromfluss und nehmen mit dem Schlupf zu.
• Hystereseverluste – Erwärmung, die durch Umkehrung der magnetischen Polarität des Eisens in Rotor und Stator entsteht. Dies nimmt mit dem Schlupf zu.

Alle oben genannten Verluste werden zu einem größeren Prozentsatz der Ausgangsleistung, wenn die Drehzahl reduziert wird.

Eine wenig bekannte Tatsache ist, dass ein AC-Induktionsmotor eine Magnetkupplung ist, die mit Schlupf (gegen ein Drehfeld) arbeitet. Der Schlupf nimmt mit zunehmender Belastung zu, und zwar bei niedrigen Drehzahlen erheblich stärker. Bei einer der Pulsbreitenmodifikation (PWM) entsprechenden Grunddrehzahl von 100 U/min würde der Motor mit 50 U/min arbeiten, wenn sein Nennschlupf 50 U/min beträgt (ein Motor mit 1750 U/min). Daher wird der Drehmomentanstieg (Erhöhung der Spannung) zum Anfahren unter Last verwendet. Dieser Schlupf ist ein Verlust, der mit sinkender Drehzahl einen höheren Prozentsatz der Leistung ausmacht. Wenn eine Drehmomentverstärkung verwendet wird, sind die Verluste noch höher.

Schließlich hat der Wirbelstrom oberhalb von etwa 82 % der Grunddrehzahl aufgrund geringerer Reglerverluste und sinusförmiger Erregung einen besseren Systemwirkungsgrad als der VFD.

Wenn Sie glauben, dass Sie einen Wirbelstrom-Frequenzumrichter benötigen, wenden Sie sich an [email protected], um festzustellen, wie wir Ihnen am besten helfen können!