Frequenzumrichter für Krane: Vektorregelung & Bremswiderstand
Auswahlhilfe
Die Auswahl eines Frequenzumrichters für Krane ist weit mehr als nur die Abstimmung der Leistung. Von der Genauigkeitsdifferenz zwischen VVVF- und Vektorregelung mit geschlossenem Regelkreis über die Berechnung der Bremswiderstandskapazität bis hin zur Erfüllung der Anforderungen an die Netzrückwirkung – jede Stufe beeinflusst direkt die Betriebssicherheit des Krans und die Netzverträglichkeit. Dieser Artikel folgt der vollständigen Kette „Betriebsanalyse → Auswahl der Regelungsart → Leistungsberechnung → Bremskonzept → Netzrückwirkung → Parametrierung“ und erläutert Schritt für Schritt die technischen Kernpunkte und Berechnungsformeln.
Frequenzumrichter-Grundlagen: VVVF- und Vektorregelung
Die Kernaufgabe eines Frequenzumrichters besteht darin, Spannung und Frequenz des Motors entsprechend dem Lastbedarf zu regeln. Bei Krananwendungen entscheidet die Wahl zwischen den beiden gängigen Regelungsarten direkt über die Drehzahlregelgenauigkeit und das Drehmomentverhalten des Systems.
VVVF-Regelung (Spannungs-Frequenz-Verhältnis) – hält den magnetischen Fluss konstant, indem das Verhältnis von Ausgangsspannung zu Frequenz (V/f) konstant gehalten wird. Vorteile sind der einfache Aufbau und die geringen Kosten; geeignet für Fahrwerke mit geringen Anforderungen an die Drehzahlregelgenauigkeit, wie Kranfahren und Katzfahren. Die Drehmomentkompensation im unteren Frequenzbereich wird üblicherweise durch Anheben der V/f-Kennlinie realisiert.
Vektorregelung – zerlegt den Statorstrom des Motors in eine Drehmoment- und eine Erregerkomponente, die unabhängig voneinander geregelt werden. Die Vektorregelung wird weiter unterschieden in die sensorlose Vektorregelung (offener Regelkreis) und die Vektorregelung mit geschlossenem Regelkreis (mit Encoder-Rückführung). Das Hubwerk erfordert volles Drehmoment bei Drehzahl null und präzises Schweben; hierfür ist zwingend eine Vektorregelung mit geschlossenem Regelkreis erforderlich.
Bei der praktischen Auswahl wird gemäß den Anforderungen der Norm DIN 15018 an Triebwerksgruppe und Drehzahlregelbereich des Hubwerks empfohlen: Hubwerk mit Vektorregelung mit geschlossenem Regelkreis, Kranfahren mit VVVF- oder sensorloser Vektorregelung, Katzfahren bevorzugt mit sensorloser Vektorregelung, Drehwerk mit sensorloser Vektorregelung oder VVVF.
Frequenzumrichter-Auswahl für die vier Kran-Hauptantriebe
| Antriebsart | Empfohlene Steuerungsart | LeistungReserve | ÜberlastAnforderung | KritischParameter |
|---|---|---|---|---|
| Hubwerk | Vektorregelung mit geschlossenem Regelkreis | ≥1.5fachMotorleistung | 150%/60s, 200%/3s | Vollmoment bei Nullgeschwindigkeit,GeschwindigkeitGenauigkeit±0.01% |
| Katzfahren | Vektorregelung ohne Rückführung | ≥1.2fachMotorleistung | 120%/60s | Sanftanlauf und Sanftstopp,Antischwingregelung |
| Kranfahren | Offener Regelkreis Vektor / VVVF | ≥1.2fachMotorleistung | 120%/60s | MehrfachMotorSynchronisation,Schräglaufkorrektur |
| Drehwerk | Offener Regelkreis Vektor / VVVF | ≥1.2fachMotorleistung | 120%/60s | Stabiler Niedriggeschwindigkeitsbetrieb,Trägheitsabstimmung |
Tabelle: Auswahlparameter der Frequenzumrichter für die vier Krantriebwerke
Berechnung von Bremsmodul und Bremswiderstand
Beim Senken der Last, beim Abbremsen und im Notbremsbetrieb arbeitet der Hubmotor generatorisch. Die zurückgespeiste Energie erhöht die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis. Überschreitet diese den Schwellwert, löst der Frequenzumrichter eine Überspannungsschutzabschaltung (OV-Fehler) aus. In diesem Fall müssen ein Bremsmodul und ein Bremswiderstand installiert werden, um die Rückspeiseenergie abzubauen.
Berechnung des Bremswiderstands nach der klassischen Formel:
P = P_motor × η × Einschaltdauer, wobei U die Ansprechspannung des Bremsmoduls (üblicherweise das 1,1- bis 1,3-fache der Zwischenkreisspannung; bei 380-V-Systemen 680–750 V) und P die Bremsleistung ist.Ermittlung der Bremsleistung P anhand der regenerativen Leistung des Antriebs. Beim Senken der Last ist die regenerative Leistung am höchsten; sie wird in der Praxis mit abgeschätzt. Die Einschaltdauer ED% wird im Kranbetrieb üblicherweise mit 10–30 % angesetzt; die Nennleistung des Bremswiderstands sollte eine Reserve von mindestens dem 1,3-fachen aufweisen.
Beispiel: Ein 22-kW-Hubmotor mit einem Wirkungsgrad von 0,89 und einer Einschaltdauer von 20 % ergibt eine Bremsleistung von P = 22 × 0,89 × 20 % ≈ 3,9 kW. Mit dem Sicherheitsfaktor von 1,3 wird ein Bremswiderstand mit 5 kW Nennleistung gewählt. Bei einer Bremsspannung von 720 V ergibt sich der Widerstand zu R = 720² ÷ 3900 ≈ 133 Ω; gewählt wird ein Bremswiderstand mit 130 Ω / 5 kW.
Harmonische: Entstehung und Kompensationslösungen
Die Gleichrichter am Eingang des Frequenzumrichters (unkontrollierter Diodengleichrichter oder thyristorgesteuerter Gleichrichter) erzeugen auf der Netzseite eine Vielzahl niederfrequenter Harmonischer. Die charakteristischen Ordnungszahlen sind 6k±1 (also 5., 7., 11., 13. usw.). Diese Oberschwingungsströme führen im Netz zu Überhitzung von Transformatoren, Resonanzerscheinungen an Kondensatoren und Fehlanzeigen von Messinstrumenten.
Zur Kompensation von Oberschwingungen bei Kran-Frequenzumrichtern stehen drei technische Ansätze zur Verfügung:
Passive Filter – LC-Saugkreise für bestimmte Harmonische (z. B. 5. und 7. Ordnung); kostengünstig und einfach aufgebaut. Nachteil: Sie filtern nur fest eingestellte Frequenzen und können Netzresonanzen hervorrufen.
Aktive Power Filter (APF) – erfassen den Oberschwingungsstrom in Echtzeit und speisen einen phasenverschobenen Kompensationsstrom ein; sie filtern gleichzeitig Harmonische von der 2. bis zur 50. Ordnung. Geeignet für große Krane mit mehreren parallel betriebenen Frequenzumrichtern; der THDi lässt sich auf unter 5 % senken.
12-pulsige Gleichrichtung – über einen Phasenverschiebungstransformator wird die dreiphasige Eingangsspannung in zwei um 30° versetzte Drehstromsysteme aufgeteilt. Die Welligkeit am Gleichspannungsausgang verdoppelt sich, die Harmonischen werden deutlich reduziert. Der Transformator ist jedoch groß und teuer; dieses Verfahren eignet sich für Frequenzumrichter hoher Leistung (≥250 kW).
| Vergleichskriterium | Passive Filterung | AktivfilterAPF | 12Pulsgleichrichtung |
|---|---|---|---|
| Filterbereich | Einzelne Harmonische(5Ordnung/7Ordnung) | 2~50Ordnung Gesamtfrequenzbereich | 5/7/11/13Ordnung Deutliche Reduzierung |
| THDi Wirkung | Reduzierbar auf15%~20% | Reduzierbar auf≤5% | Reduzierbar auf10%~12% |
| Kosten | Niedrig(Ca.0.1~0.3EUR/W) | Hoch(Ca.0.8~1.5EUR/W) | Mittel bis Hoch(Transformator+Gleichrichtermodul) |
| Einsatzbereiche | Einzelgerät KleinLeistungFrequenzumrichter | Mehrfach Parallelschaltung,Strenge Obergrenzen für Harmonische | GroßLeistungFrequenzumrichter(≥250kW) |
| Einschränkungen | Kann Parallelresonanz verursachen | Großes Volumen,Hohe Geräuschentwicklung | Großes Volumen,Geringe Flexibilität |
Tabelle: Technisch-wirtschaftlicher Vergleich dreier Lösungen zur Oberwellenkompensation
Parameter-Einstellung für Kran-Frequenzumrichter
Nach der Hardware-Auswahl entscheidet die Parametrierung des Frequenzumrichters über die tatsächliche Betriebsleistung. Die folgenden Kernpunkte sind für die Einstellung der Umrichterparameter an Kränen zu beachten:
Beschleunigungs- und Verzögerungszeit
Hubwerk: Beschleunigungszeit 2–5 s, Verzögerungszeit 3–8 s; Fahrwerk: Beschleunigungszeit 1–3 s.
Drehmomentanhebung
Drehmomentanhebung für das Hubwerk: 3–8 % (gegen Lastrutschen). Nicht über 10 %, um eine Überhitzung des Motors zu vermeiden.
Frequenzsprünge
Drei Frequenzsprungbereiche einstellen, um mechanische Resonanz zu vermeiden. Sprungbandbreite: 2–5 Hz; Sprungfrequenzpunkte entsprechen der Resonanzfrequenz.
S-förmige Beschleunigung/Verzögerung
S-förmige Kurvenzeit auf 30–50 % der Beschleunigungs-/Verzögerungszeit einstellen, um Stoßbelastungen beim Start/Stopp zu reduzieren und Lastpendeln zu verhindern.
Bremsenparameter
Einschaltdauer der Bremsung ED% ≤ 30 %, Überlastschutzzeit des Bremswiderstands: 60 s, Abkühlzeit des Widerstands nach Abschaltung ≥ 5 min.
Schutzfunktionen
Überstrom 150 % / 60 s, Überspannung 760 V (für 380-V-Netze), Unterspannung 300 V, Phasenausfallschutz, IGBT-Übertemperaturschutz.
Diese Parameter müssen an die jeweiligen Einsatzbedingungen vor Ort angepasst werden. Insbesondere beim Senken mit voller Last ist die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis zu messen und die Ansprechspannung des Bremsmoduls entsprechend feinzujustieren. Das technische Team von Kelude führt vor Auslieferung im Werk eine vollständige Parametrierung und einen Bremsentest unter Volllast durch.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
F: Warum ist für das Hubwerk eine Vektorregelung mit geschlossenem Regelkreis erforderlich und nicht ein VVVF-Umrichter?
A: Beim Halten der Last im Stillstand benötigt das Hubwerk ein hohes Drehmoment bei Drehzahl null. VVVF-Umrichter weisen im unteren Frequenzbereich einen erheblichen Drehmomentabfall auf (bei ca. 1 Hz nur etwa 70 % des Nenndrehmoments), was die sichere Lastaufnahme im Stillstand nicht gewährleistet. Die Norm DIN 15018 legt Anforderungen an den Drehzahlregelbereich und den Sicherheitsfaktor von Hubwerken fest. Die Vektorregelung mit geschlossenem Regelkreis nutzt die Rückmeldung des Encoders für eine geschlossene Drehzahlregelung und kann bereits bei 0 Hz ein Drehmoment von 150 % des Nennwerts bereitstellen, wodurch ein Lastrutschen sicher verhindert wird.
F: Was tun bei starker Wärmeentwicklung des Bremswiderstands? Wie wägt man bei der Auswahl zwischen Widerstandswert und Leistung ab?
A: Der Widerstandswert darf nicht willkürlich verringert werden – ein zu niedriger Wert führt zu einem zu hohen Bremsstrom und kann die IGBTs des Bremsmoduls zerstören. Ein zu hoher Wert führt zu unzureichender Bremsleistung. Der Widerstandswert wird nach der Formel R=U²/P berechnet und auf den nächsthöheren Normwert aufgerundet. Die Leistung sollte mindestens dem 1,3-fachen des berechneten Werts entsprechen. Übermäßige Wärme wird hauptsächlich durch eine höhere Leistungsreserve des Widerstands (≥ 1,5-fach), den Einbau eines Kühlgebläses und die Montage des Widerstands an erhöhter Position außerhalb des elektrischen Schaltschranks adressiert. Bei Kelude sind die Bremswiderstände serienmäßig mit einem eigenen Kühlluftkanal ausgestattet.
F: Wie lassen sich Oberwellen bei mehreren parallel betriebenen Frequenzumrichtern kompensieren? Ist ein einzelner aktiver Filter (APF) ausreichend?
A: Bei mehreren parallel betriebenen Umrichtern addieren sich die Oberwellen nicht einfach; es gibt Phasenauslöschungseffekte bei gleichen Harmonischen. Die APF-Kapazität sollte basierend auf dem gesamten Oberwellenstrom am PCC (Point of Common Coupling) berechnet werden, üblicherweise mit 25–35 % des gesamten Nennstroms der Umrichter. Beispiel: Bei vier parallelen 37-kW-Umrichtern beträgt der Gesamtstrom ca. 280 A. Eine APF-Kapazität von 70–100 A ist dann ausreichend, um die Grenzwerte für Oberschwingungen im öffentlichen Netz gemäß DIN EN 61000-3-12 bzw. den einschlägigen Netzverträgen einzuhalten. Wichtig: Der Stromwandler (CT) für den APF muss auf der gemeinsamen Netzeinspeisung aller Umrichter installiert werden.
F: Wie ist eine OV-Überspannungsstörung am Umrichter zu diagnostizieren? Steht sie im Zusammenhang mit dem Bremsmodul?
A: OV-Überspannung ist eine der häufigsten Störungen an Kran-Umrichtern. Empfohlene Vorgehensweise: ① Bremswiderstand auf Durchgang prüfen (Widerstandsmessung mit Multimeter); ② Verdrahtung des Bremsmoduls auf festen Sitz prüfen; ③ Ansprechspannung des Bremsmoduls verifizieren (für 380-V-Netze: 680–720 V); ④ Spannungsverlauf im Gleichspannungszwischenkreis bei Senken mit Volllast messen. Wenn das Bremsmodul korrekt auslöst, die Spannung aber weiterhin den Grenzwert überschreitet, ist der Widerstandswert zu hoch oder die Leistung des Bremswiderstands unzureichend – dann ist eine Spezifikationsänderung erforderlich. Zusätzlich kann eine Verlängerung der Verzögerungszeit (um 2–3 s) die Spitzenbremsleistung reduzieren.
Normative Grundlagen: DIN 15018 (Kranbau) | DIN EN 61000-3-12 (Netzrückwirkungen)
