FU-Parametrierung und Inbetriebnahme

Ein Frequenzumrichter erzeugt aus dem festen Drehstromnetz eine Spannung mit veränderlicher Frequenz und Höhe. Damit lässt sich die Drehzahl eines Asynchronmotors stufenlos verstellen. Wie er das macht, ist Thema eines eigenen Grundlagenbeitrags — hier geht es darum, was zwischen Auspacken und laufender Maschine passiert.

Im Werkszustand sind in einem FU Standardwerte hinterlegt, die zu irgendeinem fiktiven Durchschnittsmotor passen. Dein Motor ist aber selten dieser Durchschnitt. Die Parametrierung ist das Einstellen aller Werte, die der Umrichter braucht, um genau deinen Motor an genau deiner Maschine korrekt zu betreiben.

Die Inbetriebnahme läuft fast immer nach demselben Muster ab:

1. Verdrahtung prüfen — Netzanschluss, Motoranschluss, Schutzleiter, Schirmung. Erst wenn das mechanisch und elektrisch passt, wird eingeschaltet.
2. Motordaten parametrieren — die Werte vom Typenschild in den Umrichter übertragen.
3. Hochlauf, Auslauf und Frequenzgrenzen festlegen — wie schnell und in welchem Bereich der Motor drehen soll.
4. Sollwert- und Startquelle wählen — woher die Drehzahlvorgabe und der Startbefehl kommen.
5. Schutz einstellen und Probelauf — mit reduzierter Drehzahl testen, Drehrichtung prüfen, dann freigeben.

Bevor überhaupt ein Parameter gesetzt wird, muss die Verkabelung passen. Ein FU stellt besondere Anforderungen an die geschirmte Motorleitung und die Erdung — das wird gesondert behandelt und hier vorausgesetzt.

Bedient wird der Umrichter auf drei Wegen, je nach Gerät und Situation:

• Bedienpanel direkt am Gerät: Tasten und Display, gut für die Erstinbetriebnahme und schnelle Korrekturen vor Ort.
• PC-Software über eine Schnittstelle: komfortabel bei vielen Parametern, mit Übersicht und Speicherfunktion.
• Kopiermodul oder Speicherkarte: ein fertiger Parametersatz wird auf mehrere baugleiche Geräte übertragen — praktisch in der Serie.

Der wichtigste Schritt nach der Verdrahtungsprüfung: Der Umrichter muss wissen, welcher Motor an ihm hängt. Alle nötigen Werte stehen auf dem Typenschild des Motors. Sie werden eins zu eins in die entsprechenden Parameter übertragen.

Diese Werte braucht der Umrichter typischerweise:

• Nennspannung in V — die Bemessungsspannung der Wicklung
• Nennstrom in A — Grundlage für Strombegrenzung und thermischen Schutz
• Nennfrequenz in Hz — meist 50 Hz, der Bezugspunkt für die Kennlinie
• Nenndrehzahl in 1/min — die Drehzahl bei Nennlast
• Nennleistung in kW — die abgegebene Wellenleistung
• Leistungsfaktor cos φ — Kennwert der Wicklung
• Schaltungsart — Stern oder Dreieck, je nach Klemmenbrettverschaltung und Netzspannung

Die Schaltungsart ist heikel: Ein Motor, der im Dreieck verschaltet ist, aber als Stern parametriert wird (oder umgekehrt), bekommt die falsche Spannung zugeordnet. Hier lohnt ein prüfender Blick aufs Klemmenbrett.

Warum die Nenndrehzahl unter der Synchrondrehzahl liegt

Auf dem Typenschild steht zum Beispiel 1450 1/min — und nicht der „runde“ Wert 1500. Das ist kein Fehler, sondern Prinzip beim Asynchronmotor. Sein Drehfeld dreht sich mit der Synchrondrehzahl, die sich aus Netzfrequenz und Polpaarzahl ergibt:

Achtung bei der Polpaarzahl: Auf dem Typenschild und im Datenblatt steht oft die Polzahl, etwa „4-polig“. Für die Formel brauchst du die Polpaarzahl, also die Hälfte davon — bei einem vierpoligen Motor ist p gleich 2. Wer hier die Polzahl statt der Polpaarzahl einsetzt, rechnet die doppelte Synchrondrehzahl aus. Das ist einer der häufigsten Rechenfehler bei der echten Inbetriebnahme.

Der Läufer kann das Drehfeld aber nie ganz einholen — täte er es, würde keine Spannung mehr in ihn induziert und er hätte kein Drehmoment. Er bleibt also immer etwas zurück. Dieser relative Rückstand heißt Schlupf und wird so berechnet:

Aus Schlupf und Synchrondrehzahl folgt umgekehrt die tatsächliche Läuferdrehzahl:

Für die Parametrierung ist das wichtig, weil moderne Umrichter aus Nenndrehzahl und Nennfrequenz auf den Schlupf schließen und ihn bei der Drehzahlführung rechnerisch ausgleichen (Schlupfkompensation). Stimmt die eingegebene Nenndrehzahl nicht, arbeitet diese Kompensation falsch.

Viele Umrichter bieten ein Autotuning an: Der FU schickt nach der Dateneingabe gezielte Messsignale in den Motor und ermittelt elektrische Kennwerte wie den Wicklungswiderstand selbst. Das verbessert die Regelgüte spürbar, besonders bei anspruchsvolleren Steuerungsarten. Beim Autotuning steht der Motor je nach Verfahren still oder dreht kurz frei — das muss die Anwendung zulassen.

Sobald der Motor bekannt ist, geht es darum, wie er drehen soll: wie schnell er beschleunigt, wie er bremst und in welchem Frequenzbereich er sich bewegen darf.

Rampen

Ein Umrichter lässt den Motor nicht schlagartig auf Solldrehzahl springen, sondern fährt die Frequenz über eine Hochlaufzeit (Rampe auf) linear hoch und über die Auslaufzeit (Rampe ab) wieder herunter. Diese Zeiten sind frei einstellbar und einer der am häufigsten angepassten Parameter überhaupt.

Üblich ist, die Rampe auf die Zeit für den vollen Frequenzhub von 0 bis zur Maximalfrequenz zu beziehen. Aus der eingestellten Rampe lässt sich die tatsächliche Zeit für einen kleineren Frequenzsprung anteilig berechnen:

Zu kurze Rampen führen zu hohen Strömen beim Beschleunigen und können beim Bremsen Überspannung im Zwischenkreis erzeugen. Zu lange Rampen kosten Taktzeit. Die richtige Einstellung ist immer ein Kompromiss aus Anwendung und Mechanik.

Minimal- und Maximalfrequenz

Mit der Minimalfrequenz und der Maximalfrequenz wird der erlaubte Drehzahlbereich eingegrenzt. Die Minimalfrequenz verhindert, dass der Motor bei sehr niedriger Drehzahl unzulässig heiß wird, weil ein eigenbelüfteter Motor dann kaum noch gekühlt wird. Die Maximalfrequenz begrenzt nach oben — aus mechanischen Gründen oder weil die angetriebene Maschine eine Höchstdrehzahl hat.

Die U/f-Kennlinie

Die einfachste und am weitesten verbreitete Steuerungsart ist die U/f-Steuerung. Dahinter steckt ein einfacher Gedanke: Damit der magnetische Fluss im Motor konstant bleibt, muss die Spannung im gleichen Verhältnis zur Frequenz mitwachsen. Verdoppelt sich die Frequenz, soll sich auch die Spannung verdoppeln. Das Ergebnis ist eine Gerade — die U/f-Kennlinie.

Der Grund für dieses feste Verhältnis ist handfest: Der Wechselstromwiderstand der Motorwicklung (der induktive Widerstand) sinkt mit der Frequenz. Würde man die Frequenz absenken, die Spannung aber hoch lassen, würde der Strom durch die Wicklung in die Höhe schießen — die Wicklung würde überhitzen und der Motor Schaden nehmen. Genau das verhindert die mitgeführte Spannung: Sinkt die Frequenz, sinkt auch die Spannung im gleichen Maß, und der Strom bleibt im sicheren Bereich.

Diese Gerade läuft bis zur Eckfrequenz, die normalerweise mit der Nennfrequenz zusammenfällt (meist 50 Hz). Dort erreicht die Spannung ihren Höchstwert, die Netzspannung. Höher kann der Umrichter die Spannung nicht treiben.

Bei ganz niedrigen Frequenzen reicht das proportionale Verhältnis allein nicht aus, weil der Spannungsabfall am Wicklungswiderstand stark ins Gewicht fällt. Deshalb hebt man den Kennlinienanfang etwas an — die sogenannte Spannungsanhebung (Boost), damit der Motor auch bei kleiner Drehzahl genug Anzugsmoment hat.

Über die Eckfrequenz hinaus: der Feldschwächebereich
Der Umrichter kann die Frequenz auch über die Eckfrequenz hinaus erhöhen — der Motor dreht dann schneller als seine Nenndrehzahl. Die Spannung kann aber nicht weiter mitwachsen, sie steckt bei der Netzspannung fest. Damit sinkt das Verhältnis U/f, der magnetische Fluss wird schwächer. Dieser Bereich heißt Feldschwächbereich.

Aus Sicht der Parametrierung ist hier nur eines wichtig: Im Feldschwächbereich steht weniger Drehmoment zur Verfügung. Wer die Maximalfrequenz über die Nennfrequenz hinaus setzt, muss wissen, dass der Motor oben herum „schlapper“ wird und die Anwendung das verkraften muss. Die elektromagnetischen Hintergründe der Feldschwächung sind Thema der Motorgrundlagen und werden hier nicht vertieft — für die Inbetriebnahme zählt die praktische Folge: höhere Drehzahl, weniger Moment.

Jetzt weiß der Umrichter, welcher Motor an ihm hängt und in welchem Bereich er darf drehen. Es fehlen zwei Dinge: Woher kommt die Drehzahlvorgabe (der Sollwert), und woher kommt der Befehl zum Starten und Stoppen?

Woher der Sollwert kommt

Der Sollwert legt fest, wie schnell der Motor laufen soll. Übliche Quellen:

• Analogeingang mit einem Spannungssignal 0–10 V oder einem Stromsignal 4–20 mA — etwa von einer übergeordneten Steuerung oder einem Sensor. Das Stromsignal 4–20 mA hat den Vorteil, dass ein Leitungsbruch (0 mA) sofort als Fehler erkennbar ist.
• Potentiometer direkt am Analogeingang — die einfache Handverstellung vor Ort.
• Festfrequenzen — fest hinterlegte Drehzahlstufen, die über Digitaleingänge angewählt werden.
• Feldbus — der Sollwert kommt digital von einer SPS über ein Bussystem.

Woher der Startbefehl kommt

Getrennt davon wird festgelegt, wie gestartet wird:

• über Klemmen (Schalter oder SPS-Ausgang an einem Digitaleingang)
• über das Bedienpanel am Gerät
• über den Feldbus

Zwei- und Dreidrahtsteuerung

Bei der Steuerung über Klemmen gibt es zwei gängige Konzepte:

• Zweidrahtsteuerung: Ein Schalter gibt den Dauerbefehl. Solange er geschlossen ist, läuft der Motor (Pegelsteuerung). Einfach, aber der Motor läuft nach einer Spannungswiederkehr selbsttätig wieder an, wenn der Schalter noch geschlossen ist.
• Dreidrahtsteuerung: Getrennte Taster für Start und Stopp, intern als Selbsthaltung verschaltet (Flankensteuerung). Ein kurzer Tastendruck auf Start, der Umrichter hält den Befehl, ein Druck auf Stopp beendet ihn. Sicherer gegen ungewolltes Wiederanlaufen.

Welcher Digitaleingang welche Funktion bekommt, wird über Parameter zugeordnet. Die Klemmen sind also nicht fest verdrahtet in ihrer Bedeutung, sondern frei belegbar.

Das folgende Schema zeigt eine typische einfache Verdrahtung: ein Potentiometer als Sollwertgeber am Analogeingang und ein Schalter als Startbefehl am Digitaleingang (Zweidrahtprinzip).

Bevor der Antrieb in den Normalbetrieb geht, werden die Schutzeinstellungen gesetzt und ein erster, kontrollierter Probelauf gefahren.

Schutz im Umrichter

Der FU schützt den Motor über mehrere Mechanismen, die aus den eingegebenen Motordaten abgeleitet werden:

• Thermisches Motormodell: Aus Nennstrom und Belastungsverlauf rechnet der Umrichter die Motorerwärmung nach und löst aus, bevor die Wicklung überhitzt. Damit das stimmt, muss der Nennstrom korrekt parametriert sein.
• Strombegrenzung: Der Umrichter begrenzt den Motorstrom auf einen einstellbaren Maximalwert und schützt so Motor und eigene Endstufe.

Drehrichtung prüfen

Vor dem eigentlichen Lauf wird die Drehrichtung kontrolliert — am besten bei niedriger Frequenz und, wenn möglich, mechanisch entkoppelt. Stimmt die Richtung nicht, lässt sie sich per Parameter umkehren, ohne dass Motorleitungen umgeklemmt werden müssen. Das ist ein praktischer Vorteil des Umrichters gegenüber der direkten Netzschaltung.

Der erste Probelauf

Der Probelauf beginnt mit niedriger Drehzahl. Man beobachtet, ob der Motor ruhig anläuft, ob Geräusche oder Vibrationen auftreten und ob der angezeigte Strom plausibel ist. Erst danach wird schrittweise auf die Betriebsdrehzahl gefahren.

Typische Störmeldungen beim ersten Anlauf und ihre häufigen Ursachen:

Sichern und dokumentieren

Steht die Einstellung, wird der Parametersatz gesichert — auf eine Speicherkarte, ins Kopiermodul oder per PC-Software auf den Rechner. Eine Dokumentation der wichtigsten Parameter gehört zur sauberen Inbetriebnahme: Geht ein Gerät später kaputt, lässt sich der Ersatz in Minuten statt Stunden wieder einstellen.