FU-Parametrierung und Inbetriebnahme

Der Frequenzumrichter erzeugt aus dem starren Drehstromnetz eine in Frequenz und Spannung frei einstellbare Versorgung für den Motor. Damit er das passend zum angeschlossenen Motor tun kann, muss er dessen elektrische Eckdaten kennen. Diese Daten stehen auf dem Typenschild des Motors – wie man es liest, ist ein Thema für sich. Hier geht es nur darum, welche Werte in welche Parameter wandern.

Die Pflichtangaben, die praktisch jeder FU verlangt:

• Bemessungsspannung des Motors in der gewählten Schaltung (z. B. 400 V)
• Bemessungsstrom in A
• Bemessungsfrequenz in Hz (meist 50 Hz)
• Bemessungsdrehzahl in 1/min
• Bemessungsleistung in kW
• Leistungsfaktor cos φ
• die gewählte Wicklungsschaltung (Stern oder Dreieck)

Der letzte Punkt ist der häufigste Stolperpunkt: Auf dem Typenschild stehen zwei Spannungswerte (z. B. 230/400 V), die zur Stern- bzw. Dreieckschaltung gehören. Welche Schaltung am Klemmenbrett tatsächlich gebrückt ist, entscheidet, welcher Spannungswert in den FU gehört. Stimmen Schaltung und eingegebene Spannung nicht zusammen, ist die gesamte Parametrierung von Anfang an falsch.

Mehr braucht dieses Kapitel nicht. Die eigentliche Arbeit beginnt bei der Steuerart.

Wie der FU den Motor führt, legt die Steuerart fest. Sie ist der Parameter mit dem größten Einfluss auf das Antriebsverhalten – besonders bei niedrigen Drehzahlen und beim Anfahren unter Last.

U/f-Steuerung. Das einfachste Verfahren. Der FU hält das Verhältnis von Spannung zu Frequenz konstant, damit der magnetische Fluss im Motor gleich bleibt. Verdoppelt sich die Frequenz, verdoppelt sich auch die Spannung – bis zur Bemessungsspannung. Der FU misst dabei nicht, was der Motor tatsächlich tut; er steuert „blind“ nach einer festen Kennlinie. Das reicht für Pumpen, Lüfter und Förderbänder ohne hohe Anforderungen.

Der zugrunde liegende Zusammenhang:

Bei sehr niedrigen Frequenzen wird die Spannung so klein, dass der ohmsche Widerstand der Wicklung einen spürbaren Anteil schluckt und das Drehmoment einbricht. Dagegen hilft ein einstellbarer Spannungs-Boost (auch Boost oder IxR-Kompensation): eine kleine Zusatzspannung im unteren Frequenzbereich, die das Anfahrmoment anhebt.

Geberlose Vektorregelung (sensorless vector control). Hier rechnet der FU intern ein Motormodell mit und schätzt aus Strom und Spannung laufend, wie der Motor steht und welches Moment er liefert. Er regelt das Drehmoment gezielt, ohne einen externen Drehgeber zu brauchen. Das Ergebnis: deutlich besseres Anfahrmoment und stabilere Drehzahl bei Laständerungen. Geeignet für Extruder, Mischer, Hubwerke mit moderaten Anforderungen.

Vektorregelung mit Geber. Ein Drehgeber am Motor meldet die tatsächliche Drehzahl und Lage zurück. Damit regelt der FU präzise bis in den Stillstand und liefert auch bei Drehzahl null das volle Moment – nötig etwa für Positionieraufgaben oder Hubwerke, die unter Last halten müssen. Die Rückführung über Geber und die eigentliche Lageregelung sind eigene, tiefer gehende Themen; hier reicht: mehr Genauigkeit und Moment, dafür mehr Verdrahtung und Aufwand.

Welche Steuerart passt, hängt fast immer am geforderten Drehmoment bei niedriger Drehzahl:

Die Drehzahl eines Asynchronmotors hängt direkt an der Frequenz, die der FU ausgibt. Über die Frequenz steuert der FU die Drehzahl – das ist sein Kerntrick. Der Zusammenhang über die Synchrondrehzahl:

Die tatsächliche Motordrehzahl liegt durch den Schlupf etwas darunter, für die Parametrierung der Frequenzgrenzen genügt aber der synchrone Wert als Orientierung.

Zwei Frequenz-Parameter setzt man fast immer: eine Minimalfrequenz und eine Maximalfrequenz. Die Minimalfrequenz verhindert, dass ein eigenbelüfteter Motor dauerhaft so langsam läuft, dass sein Lüfter nicht mehr genug kühlt. Die Maximalfrequenz begrenzt die Drehzahl nach oben – mechanisch (Lager, Wuchtgüte) wie elektrisch.

Grunddrehzahlbereich und Feldschwächbereich

Bis zur Bemessungsfrequenz – meist 50 Hz – steigt mit der Frequenz auch die Spannung mit (U/f konstant). In diesem Grunddrehzahlbereich bleibt der Fluss konstant und der Motor kann sein volles Bemessungsmoment liefern: konstantes Moment.

Oberhalb der Bemessungsfrequenz kann die Spannung nicht weiter steigen – die Netzspannung ist die Obergrenze. Die Frequenz steigt aber weiter. Dadurch sinkt das U/f-Verhältnis, der Fluss wird schwächer. Das nennt man Feldschwächbereich. Hier bleibt die Leistung in etwa konstant, das verfügbare Moment fällt dagegen mit steigender Drehzahl ab.

Grunddrehzahlbereich: Moment konstant, Leistung steigt mit f
Feldschwächbereich: Leistung ~konstant, Moment fällt mit steigender f

Die 87-Hz-Kennlinie

Ein in der Praxis beliebter, aber oft falsch angewandter Trick: die 87-Hz-Kennlinie. Sie nutzt aus, dass ein 230/400-V-Motor in Dreieckschaltung statt in Stern betrieben werden kann, obwohl er am 400-V-Netz hängt.

Das Funktionsprinzip: In Dreieckschaltung verträgt der Motor die volle Außenleiterspannung als Strangspannung. Statt 400 V erst bei 50 Hz (Sternschaltung) zu erreichen, erreicht der FU die 400 V erst bei rund 87 Hz – nämlich beim √3-fachen der ursprünglichen 50 Hz (50 Hz · √3 ≈ 87 Hz). Bis dorthin bleibt das U/f-Verhältnis konstant, der Fluss also voll. Der Motor liefert dadurch über einen erweiterten Drehzahlbereich konstantes Moment – und kann dabei bis zu etwa der √3-fachen Leistung abgeben.

Der mathematische Kern:

So verlockend das klingt – die Technik hat Grenzen, die man kennen muss:

• Strom. In Dreieckschaltung fließt der höhere Strangstrom dauerhaft. Motor und FU müssen für diesen Strom ausgelegt sein; der FU muss entsprechend größer dimensioniert werden.
• Mechanik. Drehzahlen deutlich über der Bemessungsdrehzahl belasten Lager und Läufer stärker. Die Fliehkräfte steigen mit dem Quadrat der Drehzahl – nicht jeder Motor ist dafür freigegeben.
• Spannungsisolation. Die Wicklungsisolation und die FU-typischen steilen Schaltflanken setzen dem Motor zu. Für den Dauerbetrieb in dieser Betriebsart sollte der Motor dafür ausgelegt sein.

Wer die 87-Hz-Technik ohne Rücksicht auf diese Grenzen einsetzt, riskiert Lager- und Wicklungsschäden. Im Zweifel gehört die Freigabe des Motorherstellers eingeholt.

Ein FU kann die Frequenz schlagartig ändern – der Motor und die angetriebene Mechanik können das aber nicht ruckfrei mitmachen. Deshalb stellt man Rampen ein: definierte Zeiten, in denen die Frequenz von einem Wert auf einen anderen hochgefahren (Hochlauframpe) oder heruntergefahren (Auslauframpe) wird.

Eine zu kurze Hochlauframpe treibt den Strom in die Höhe, weil der Motor das hohe Beschleunigungsmoment liefern muss – der FU geht dann auf Überstrom-Störung. Eine zu kurze Auslauframpe wirkt umgekehrt: Der Motor speist beim Abbremsen Energie zurück in den FU, die Zwischenkreisspannung steigt, und der FU meldet Überspannung. Für hohe Bremsleistungen wird diese Energie über einen Bremswiderstand in Wärme umgesetzt – ein eigenes Thema, hier nur als Stichwort.

Die nötig Hochlaufzeit hängt am Trägheitsmoment der bewegten Massen und am verfügbaren Beschleunigungsmoment. Vereinfacht für eine Drehbewegung:

Die Winkelgeschwindigkeit ergibt sich aus der Drehzahl über omega = 2 · π · n / 60, mit n in 1/min.

Strom- und Drehmomentgrenze

Praktisch jeder FU hat eine Strombegrenzung. Erreicht der Ausgangsstrom den eingestellten Grenzwert, regelt der FU die Frequenz vorübergehend zurück, statt sofort abzuschalten. So fängt er kurze Lastspitzen ab. Bei Vektorverfahren kommt eine direkte Drehmomentgrenze dazu, mit der man das maximale Moment z. B. zum Schutz der Mechanik begrenzt.

Thermischer Motorschutz

Der FU schützt den Motor thermisch auf zwei Wegen, die sich ergänzen:

Rechnerisches I²t-Modell. Der FU bildet die Motorerwärmung aus dem gemessenen Strom und der Zeit rechnerisch nach. Das funktioniert gut bei eigenbelüfteten Motoren im normalen Drehzahlbereich.

Hardware-Temperatursensoren. Das rechnerische Modell stößt an Grenzen – etwa bei fremdbelüfteten Motoren oder im Dauerbetrieb bei niedriger Drehzahl, wo das Modell die reale Kühlung nicht korrekt abbildet. Dann wertet man echte Temperatursensoren in der Wicklung aus:

• PTC-Kaltleiter (Drillingsfühler): Ihr Widerstand springt bei der Nenn-Ansprechtemperatur sprunghaft hoch. Der FU erkennt die Übertemperatur über eine eigene PTC-Klemme und schaltet ab. Eine reine Schwellenüberwachung – ein/aus.
• PT100 / PT1000: Platin-Messwiderstände, deren Widerstand sich linear mit der Temperatur ändert (100 Ω bzw. 1000 Ω bei 0 °C). Sie liefern den tatsächlichen Temperaturwert und erlauben eine echte Temperaturüberwachung mit einstellbarer Warn- und Abschaltschwelle.

Beide werden an dafür vorgesehene FU-Klemmen angeschlossen und über die zugehörigen Parameter (Sensortyp, Schwellen, Reaktion) aktiviert. Welcher Sensor verbaut ist, muss mit dem im FU eingestellten Sensortyp übereinstimmen – sonst wertet der FU falsch aus.

Die Parameter sind durchdacht – jetzt zählt die richtige Reihenfolge bei der ersten Inbetriebnahme. Wer hier strukturiert vorgeht, vermeidet die meisten Fehlerbilder beim ersten Start.

Schritt 1 – Sichtprüfung und sicherheitstechnische Erstprüfung. Bevor irgendeine Netzspannung zugeschaltet wird: Verdrahtung gegen den Plan prüfen, festen Sitz aller Klemmen kontrollieren. Dazu gehört die sicherheitstechnische Erstprüfung – Durchgängigkeit des Schutzleiters, Berührungsschutz und Messung des Isolationswiderstands nach den geltenden Vorgaben (ÖVE/ÖNORM E 8101, EN 50110-1). Erst wenn diese Prüfungen in Ordnung sind, darf die Netzspannung zugeschaltet werden. Diese Reihenfolge ist nicht verhandelbar.

Schritt 2 – Motordaten eingeben. Spannung, Strom, Frequenz, Drehzahl, Leistung und cos φ vom Typenschild in die entsprechenden Parameter übertragen – passend zur tatsächlichen Klemmenbrett-Schaltung (siehe Kapitel 1).

Schritt 3 – Steuer- und Sollwertquelle festlegen. Woher kommt der Start-/Stopp-Befehl (Steuerquelle): über Klemmen, über das Bedienfeld oder über einen Feldbus? Und woher der Drehzahl-Sollwert (Sollwertquelle): Analogsignal, Festfrequenz, Potentiometer oder Bus? Beides wird getrennt parametriert. Die Anbindung über Feldbus ist ein eigenes Thema.

Schritt 4 – Steuerart und Grundparameter setzen. Steuerart wählen (Kapitel 2), Min-/Maximalfrequenz, Hochlauf- und Auslauframpe sowie die Schutzparameter (Kapitel 3 und 4) eingeben.

Schritt 5 – Motor-Identifikation / Autotuning. Viele FU bieten eine automatische Motoridentifikation: Der FU vermisst die elektrischen Kennwerte des angeschlossenen Motors selbst und verfeinert sein internes Modell. Besonders für die Vektorverfahren wichtig. Dabei beachten, ob das Tuning im Stillstand oder bei drehendem Motor läuft – und ob das mechanisch zulässig ist.

Schritt 6 – Probelauf bei niedriger Drehzahl. Mit kleiner Sollfrequenz starten und zuerst die Drehrichtung prüfen. Stimmt sie nicht, nicht am Motor umklemmen, sondern den entsprechenden FU-Parameter ändern oder zwei Phasen am FU-Ausgang tauschen. Auf Geräusche, Vibration und Stromaufnahme achten.

Schritt 7 – Vollast und Feinabstimmung. Drehzahl schrittweise hochfahren, Verhalten unter realer Last beobachten, Rampen und Boost bei Bedarf nachjustieren.

Schritt 8 – Parameter sichern. Zum Schluss den fertigen Parametersatz sichern – im FU selbst und, wenn möglich, extern (Bedienpanel, Software, Speichermodul). Bei einem Gerätetausch lässt sich der Satz so ohne erneute komplette Inbetriebnahme zurückspielen.