VFD-Trägerfrequenz: Abwägung zwischen Motorgeräuschen, Umrichterwärme und elektromagnetischen Störungen

Trägerfrequenz, auch Schaltfrequenz genannt, ist die Rate, mit der ein Frequenzumrichter seine Ausgangstransistoren schaltet, um die pulsweitenmodulierte Spannung zu erzeugen, die den Motor antreibt. Sie wird üblicherweise zwischen 2 und 16 kHz eingestellt, und der gewählte Wert tauscht stillschweigend Motorgeräusch gegen Umrichtererwärmung, Leitungsbelastung und elektrische Störungen.

Was die Trägerfrequenz tatsächlich ist

Ein Frequenzumrichter liefert dem Motor keine glatte Sinuswelle. Seine IGBTs schalten den Gleichstromzwischenkreis tausendfach pro Sekunde ein und aus, und die Breite dieser Impulse ergibt im Mittel die für den Motor benötigte Sinusform. Die Trägerfrequenz gibt an, wie oft dieses Schalten stattfindet. Eine höhere Trägerfrequenz erzeugt eine glattere Stromkurve; eine niedrigere eine gröbere.

Was Sie durch Erhöhen gewinnen

• Leiserer Motor. Unter etwa 8 kHz liegt das Schalten im hörbaren Bereich, sodass der Motor ein Pfeifen oder Brummen mit der Trägerfrequenz abgibt. Wird die Trägerfrequenz über das Hörvermögen angehoben, läuft der Motor ruhig.
• Glatterer Strom, weniger Motorerwärmung. Eine sauberere Wellenform bedeutet weniger Oberschwingungen in den Wicklungen, sodass der Motor etwas kühler läuft.

Welche Nachteile entstehen

• Erwärmung des Umrichters. Jedes Schaltereignis setzt Energie in den Transistoren in Wärme um. Verdoppelt man die Trägerfrequenz, steigen die Schaltverluste ungefähr proportional an, weshalb Umrichter bei hohen Trägerfrequenzen den Ausgangsstrom reduzieren.
• Isolations- und Kabelbelastung. Schnellere, steilere Spannungsflanken werden entlang langer Motorkabel reflektiert und können die Spitzenspannung an den Motoranschlüssen nahezu verdoppeln, wodurch die Isolierung der Wicklungen belastet wird. Siehe Isolationswiderstandstests dazu, wie solche Schäden erkannt werden.
• Lagerströme. Hochfrequentes Schalten koppelt kapazitiv an die Welle und kann sich über die Lager entladen, wodurch die Lagerläufe mit der Zeit beschädigt werden.
• Mehr elektromagnetische Störungen (EMV). Schnellere Flanken strahlen mehr, sodass Abschirmung und Filter wichtiger werden. Das hängt mit der allgemeinen Stromqualität in der Fertigung zusammen.

Wie Sie eine Einstellung wählen

Starten Sie mit dem Werkseinstellung des Umrichters, oft um 4 kHz, und ändern Sie sie nur aus einem Grund. Erhöhen Sie die Trägerfrequenz, wenn hörbares Motorgeräusch in einem belegten Bereich stört.

Senken Sie sie, wenn der Umrichter in einem heißen Schrank Leistung reduziert, wenn Motorkabel lang sind oder wenn Isolations- und Lagerlebensdauer wichtiger sind als Lärm. Bei langen Leitungen fügen Sie besser einen dV/dt- oder Sinus-Ausgangsfilter hinzu, statt einfach die Trägerfrequenz zu erhöhen.

Umrichter langfristig in gutem Zustand halten

Die Trägerfrequenz ist eine von mehreren Umrichtereinstellungen, die stillschweigend die Zuverlässigkeit beeinflussen. Wenn ein Umrichter, der jahrelang gelaufen ist, anfängt zu schalten, erzählen die Fehlercodes die Geschichte: siehe ABB VFD-Fehlercodes . Eine Monitoring-Plattform, die Umrichtertemperatur, Trips und Motorstrom trendet, verwandelt diese frühen Warnungen in eine geplante Wartung.

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Häufig gestellte Fragen

Was ist eine typische Trägerfrequenz bei einem Frequenzumrichter?

Die meisten Allzweckumrichter sind standardmäßig auf etwa 4 kHz eingestellt. Werte von 2 bis 16 kHz sind üblich; höhere Einstellungen werden verwendet, wenn das hörbare Motorgeräusch minimiert werden muss.

Spart eine höhere Trägerfrequenz Energie?

In der Regel nicht. Sie reduziert leicht die Oberschwingungsverluste im Motor, erhöht jedoch die Schaltverluste im Umrichter, sodass der Nettoeffekt auf die Gesamteffizienz gering und bei hohen Einstellungen häufig negativ ist.

Warum reduziert mein Umrichter die Leistung bei hoher Trägerfrequenz?

Höheres Schalten erzeugt mehr Wärme in den Transistoren, daher muss der Umrichter den Dauer-Ausgangsstrom reduzieren, um innerhalb seiner thermischen Grenzen zu bleiben.

Kann die Trägerfrequenz Motorlager beschädigen?

Hochfrequentes Schalten kann kleine Ströme über die Welle treiben, die sich über die Lager entladen und die Lagerläufe pitting verursachen. Wellenableitringe und isolierte Lager sind die üblichen Schutzmaßnahmen.