Umrichtermotoren vs. Standardmotoren: Welcher Motor erfüllt Ihre Anforderungen?

Insbesondere der Unterschied zwischen einem Motor mit Umrichterbetrieb und einem Standardmotor. Es mag sich wie ein kleines Detail anfühlen, aber glauben Sie mir, die Wahl des falschen Motors für Ihre Anforderungen kann große Probleme verursachen. Es kann sein, dass Sie am Ende einen Motor haben, der nicht lange hält, oder einen, der seine Aufgabe nicht richtig erfüllt. Dieser kurze Artikel wird Ihnen helfen, diese beiden Motortypen zu verstehen. Wenn Sie möchten, dass Ihr Motor gut funktioniert und Ihr Geld spart, lesen Sie weiter!

Was genau ist ein Standardmotor?

Ein Standardmotor, oft auch als Allzweckmotor bezeichnet, ist die Art von Motor, die man in vielen alltäglichen Dingen sieht. Denken Sie an Ventilatoren, Pumpen oder einfache Geräte, die nur eingeschaltet werden müssen und mit einer stabilen Drehzahl laufen. Bei diesem Motortyp handelt es sich in der Regel um einen Induktionsmotor mit einem Käfigläufer. Diese Elektromotoren sind für den Betrieb mit sauberem Wechselstrom ausgelegt, wie er direkt aus Ihrer Steckdose kommt.

Standardmotoren erwarten normalerweise einen sanften, gleichmäßigen Stromfluss, in der Regel eine Sinuswelle mit 60 Hz (das sind 60 Mal pro Sekunde in Nordamerika). Unter diesen Bedingungen erfüllen sie ihre Aufgabe gut. Der Motor erhält die benötigte Leistung und läuft reibungslos. Ein typischer Motor ist für einen bestimmten Arbeitszyklus ausgelegt, d. h. wie oft er läuft und wie oft er ruht. Wenn Sie versuchen, diese Art von Motor zu überfordern, z. B. durch ständiges Anpassen der Geschwindigkeit, wird er möglicherweise nicht zufrieden sein.

Diese Motoren verfügen im Allgemeinen nicht über spezielle Komponenten für den Umgang mit rauer Energie. Ihr Isolationssystem ist gut für den normalen Gebrauch, aber nicht für die rauen Bedingungen, die ein Umrichter mit sich bringen kann. Ein Standardmotor ist ein Arbeitstier für einfache Aufgaben. Mehrere Jahre lang war dies der wichtigste Motortyp, den Menschen für fast jede Kleinigkeit verwendeten. Der Motor ist einfach und erledigt die Arbeit, wenn die Anforderungen grundlegend sind.

Was macht einen Motor mit Umrichterbetrieb so anders?

Lassen Sie uns nun über einen Motor mit Umrichterbetrieb sprechen. Man spricht auch von einem Motor mit Umrichterbetrieb oder einem Motor mit Umrichterleistung. Der Hauptunterschied besteht darin, dass Motoren mit Umrichterbetrieb speziell für den Betrieb mit einem Umrichter, auch bekannt als Frequenzumrichter (VFD), konzipiert sind. Dies ist von großer Bedeutung, da ein Umrichter die an den Motor gelieferte Leistung so modifiziert, dass der Motor mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten laufen kann. Dies ist hervorragend für Aufgaben mit variabler Geschwindigkeit geeignet.

Ein Motor mit Umrichterbetrieb hat besondere Eigenschaften. Er hat im Allgemeinen ein besseres Isolationssystem. Diese spezielle Motorisolierung kann den elektrischen Belastungen und Spannungsspitzen standhalten, die ein Umrichter erzeugen kann. Betrachten Sie das so, als würden Sie bei einem Sturm einen viel besseren Regenmantel tragen. Dieser Motor ist ebenfalls so konzipiert, dass er kühler läuft, insbesondere bei niedrigeren Drehzahlen. Ein herkömmlicher Motor könnte überhitzen, wenn Sie versuchen, ihn mit einem Umrichter zu langsam laufen zu lassen, da sein an der Motorwelle befestigter Lüfter ebenfalls langsamer läuft.

Dieser Motortyp bietet einen größeren Drehzahlbereich als ein Standardmotor. Er kann in der Regel ein kontinuierliches Drehmoment (d. h. eine Drehleistung) liefern, auch wenn sich die Drehzahl des Motors stark ändert. Einige Umrichtermotoren können sogar bei Null-Drehzahl das volle Drehmoment liefern! Das bedeutet, dass der Motor eine solide Haltekraft hat, auch wenn er sich nicht dreht. Der Motor ist so konstruiert, dass er die besondere Art von Leistung aufnehmen kann, die ein Umrichter liefert.

Warum kann ich nicht einfach irgendeinen Motor mit einem Umrichter verwenden?

Ein Umrichter verändert die Leistung auf eine Weise, für die ein Standardmotor nicht ausgelegt ist. Ein Standardmotor erwartet eine gleichmäßige Leistung, aber ein Umrichter erzeugt eine komplexere elektrische Wellenform, um die Drehzahl des Motors zu steuern.

Diese Art von Strom kann für einen Motor sehr schädlich sein. Die Isolierung eines Standardmotors kann durch die Spannungsspitzen des Umrichters schneller kaputt gehen. Dies kann dazu führen, dass der Motor schneller ausfällt, als man erwarten würde. Außerdem kann ein Standardmotor überhitzen, wenn er von einem Umrichter mit reduzierter Drehzahl betrieben wird. Sein Lüfter ist in der Regel an der Motorwelle befestigt. Wenn also der Motor langsamer wird, wird auch der Lüfter langsamer und kann den Motor nicht ausreichend kühlen.

Die Verwendung eines Motors, der nicht für einen Umrichter ausgelegt ist, kann auch zu anderen Problemen führen, z. B. zu lautem Lagerverschleiß. Der Motor würde einer Belastung ausgesetzt, für die er nicht ausgelegt ist. Auch wenn Sie einen Standardmotor vorübergehend mit einem Umrichter betreiben können, ist dies in der Regel keine gute Idee für einen langfristigen, zuverlässigen Einsatz. Der Motor sollte auf das vorbereitet sein, was der Umrichter ihm zuführt.

Wie stellt ein Umrichter (oder VFD) eigentlich genau ein, wie ein Motor läuft?

Ein Wechselrichter oder VFD (steht für Variable Frequency Drive) ist ein ziemlich kreativer Kasten mit Elektronik. Seine Hauptaufgabe besteht darin, die Drehzahl eines Motors zu regeln. Dazu ändert er die Frequenz des Wechselstroms, mit dem der Motor versorgt wird. In Nordamerika zum Beispiel beträgt die Standardfrequenz 60 Hz. Ein Wechselrichter kann diese Frequenz auf 30 Hz ändern, so dass der Motor mit halber Geschwindigkeit läuft, oder auf 90 Hz, so dass er viel schneller läuft.

Ein wichtiger Punkt ist jedoch, dass der Wechselrichter keine perfekte, gleichmäßige Sinuswelle erzeugt, wie man sie aus der Steckdose bekommt. Vielmehr verwenden die meisten modernen VFDs die so genannte Pulsweitenmodulation (PWM). Das bedeutet, dass der Umrichter sehr schnelle Spannungsimpulse an den Motor sendet. Diese Impulse versorgen den Motor mit einer durchschnittlichen Spannung und Frequenz, die ihn mit der von Ihnen gewünschten Geschwindigkeit laufen lässt. Dieses PWM-Signal ermöglicht eine präzise Drehzahlregelung.

PWM eignet sich zwar hervorragend zur Steuerung der Drehzahl, doch können diese schnellen Impulse Spannungsspitzen erzeugen. Diese Spannungsspitzen können viel höher sein als die normale Spannung, die der Motor erwartet. Dies ist einer der Hauptgründe, warum ein Motor mit Umrichterbetrieb eine bessere Isolierung benötigt. Der Umrichter hilft dem Motor, mehr zu leisten, aber der Motor muss stark genug für die einzigartige Leistung des Umrichters sein. Der variable Frequenzausgang des Umrichters ist für diese variable Drehzahl entscheidend.

Wann ist ein Umrichtermotor der richtige Motor für die jeweilige Aufgabe?

Wann sollten Sie also unbedingt einen Motor mit Umrichterbetrieb verwenden? Die einfache Antwort lautet: immer dann, wenn Sie einen VFD (Variable Frequency Drive) oder Umrichter für mehr als nur gelegentliche, leichte Anwendungen einsetzen wollen. Wenn die Anforderungen Ihrer Anwendung eine typische Änderung der Motordrehzahl oder den Betrieb des Motors bei reduzierten Drehzahlen über sehr lange Zeiträume vorsehen, ist ein Motor mit Umrichterbetrieb normalerweise der richtige Motor.

Denken Sie zum Beispiel an ein Förderband, das beschleunigt oder verlangsamt werden muss, oder an eine Pumpe, die ihren Durchfluss anpassen muss. Dies sind ideale Beispiele, bei denen ein Motor mit Umrichterbetrieb glänzt. Auch für Anwendungen, die ein konstantes Drehmoment über einen breiten Drehzahlbereich erfordern, ist dieser Motortyp ein Muss. Ein Standardmotor kann sein Drehmoment bei niedrigeren Drehzahlen verlieren, wenn er von einem Umrichter betrieben wird. Dieser Motor liefert ein konstantes Drehmoment.

Wenn Sie eine präzise Drehzahlregelung oder eine hohe dynamische Leistung benötigen (d. h. der Motor kann die Drehzahl schnell und korrekt ändern), ist ein Motor mit Umrichterbetrieb, oft in Kombination mit einem Encoder zur Rückmeldung, die richtige Wahl. Ein Encoder informiert den Umrichter über die spezifische Rotordrehzahl und die Positionsdaten. Für Anwendungen mit konstantem Drehmoment, wie z. B. Mischer oder Extruder, ist ein Motor mit Umrichterbetrieb so konstruiert, dass er sich um das Los kümmert. Wenn ein Motor beim Betrieb mit einem Umrichter stark beansprucht wird, ist dies der Fall.

Welche Probleme können auftreten, wenn ein Standardmotor auf einen Umrichter trifft?

Jemand versucht, ein wenig Geld zu sparen, indem er einen Standardmotor mit einem Wechselrichter verwendet, obwohl er das eigentlich nicht sollte. Was kann da schiefgehen? Nun, viele Punkte. Erstens kann der Motor überhitzen. Der Lüfter eines Standardmotors verlangsamt sich mit dem Motor. Bei niedrigen Drehzahlen wird der Motor nicht ausreichend gekühlt und kann sehr heiß werden. Diese Wärme schadet der Isolierung und den Lagern.

Die Spannungsspitzen des PWM-Ausgangs des Umrichters können das Isolationssystem des Motors angreifen. Die Isolierung eines Standardmotors ist in der Regel nicht dafür ausgelegt, den höheren Spannungsspitzen standzuhalten. Mit der Zeit kann dies dazu führen, dass die Isolierung durchbricht, was zu einem Kurzschluss und einem toten Motor führt. Dies ist eine der häufigsten Ursachen für den Ausfall eines Standardmotors, wenn dieser mit einem Umrichter betrieben wird.

Sie könnten außerdem ungewöhnliche Geräusche vom Motor hören oder sehen, dass die Motorwellenströme Probleme mit dem Lagersystem verursachen. Der Motor ist möglicherweise nicht in der Lage, ein ausreichendes Drehmoment zu liefern, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, so dass er die Last nicht auf Geschwindigkeit bringen oder in Bewegung halten kann. Mit anderen Worten: Der Einsatz eines Standardmotors an einer Stelle, an der ein Motor mit Umrichterbetrieb benötigt wird, kann zu einem frühzeitigen Ausfall des Motors, zu verlorener Produktionszeit und zu höheren Kosten in der Zukunft führen. Der Motor ist einfach nicht für diese Art von Arbeit ausgelegt.

Wie genau bestimmen wir, welcher Motor für meine Maschine ideal wäre?

Bei der Wahl zwischen einem Standardmotor und einem Motor mit Umrichterbetrieb kommt es darauf an, Ihre Bedürfnisse zu verstehen. Die erste Frage lautet: Wird dieser Motor von einem Umrichter oder VFD geregelt? Wenn die Antwort ja lautet, ist ein Motor mit Umrichterbetrieb in der Regel die sicherere und bessere Wahl für den Motor und das Antriebssystem.

Als Nächstes sollten Sie sich Gedanken über die Anforderungen der Anwendung machen. Wie groß ist der erforderliche Drehzahlbereich? Wird der Motor über einen längeren Zeitraum mit niedrigen Drehzahlen betrieben? Muss er über seinen gesamten Drehzahlbereich ein konstantes Drehmoment erzeugen? Wie hoch ist die Einschaltdauer des Motors? Die Beantwortung dieser Fragen hilft bei der Entscheidung, welcher Motor am besten geeignet ist. Schauen Sie sich die Daten auf dem Typenschild Ihres aktuellen Motors an, wenn Sie ihn ersetzen wollen, aber berücksichtigen Sie auch, ob sich die Anwendung geändert hat.

Wenn Sie eine präzise Drehzahl, einen Betrieb mit variabler Geschwindigkeit benötigen oder wenn der Motor Teil eines Systems ist, das eine hohe dynamische Leistung erfordert, sollten Sie zu einem Motor mit Umrichterbetrieb tendieren. Wenn der Motor einfach nur aktiviert werden muss und mit einer einzigen, stabilen Drehzahl direkt mit Wechselstrom betrieben wird (wie bei einem einfachen Ventilator), dann wird ein Standardmotor oder ein Allzweckmotor die Aufgabe wahrscheinlich gut erfüllen. Die Beratung durch einen Motorenexperten kann Ihnen ebenfalls helfen, den für Ihre Bedürfnisse geeigneten Motor zu finden.

Bestehende Zeiten: Kann ein Standardmotor mit einem Umrichter umgehen?

Kann man einen Wechselrichter überhaupt mit einem Standardmotor verwenden? Gelegentlich, ja, aber mit großen "Wenns" und "Abers". Wenn ein Standardmotor von einem Umrichter nur in einem sehr begrenzten Drehzahlbereich betrieben wird, z. B. nicht zu weit unter seiner normalen 60-Hz-Drehzahl, und nicht für sehr lange Zeiträume bei diesen reduzierten Drehzahlen, könnte es in Ordnung sein. Wenn der Motor außerdem für die Last überdimensioniert ist, könnte er mit der zusätzlichen Belastung etwas besser umgehen.

Manche Leute schalten spezielle Filter zwischen den Umrichter und den Standardmotor, um die Spannungsspitzen zu unterdrücken. Dies kann helfen, die Isolierung des Motors zu schützen. Es gibt auch Netzdrosseln, die helfen können. Diese verursachen jedoch zusätzliche Kosten und sind komplizierter. Außerdem muss man sehr vorsichtig sein, um eine Überhitzung des Motors zu vermeiden. Ein TEFC-Motor (Totally Enclosed Fan-Cooled) in Standardausführung wird es bei reduzierten Drehzahlen schwer haben.

Aber hier ist mein ehrlicher Rat: Wenn Sie vorhaben, einen Umrichter regelmäßig für die variable Geschwindigkeitssteuerung zu verwenden, ist es in der Regel am besten, nur einen Motor mit Umrichterbetrieb zu kaufen. Der Versuch, einen Standardmotor für eine Aufgabe zu verwenden, für die er nicht konzipiert wurde, führt in der Regel später zu Problemen. Der Seelenfrieden und die Zuverlässigkeit, die Sie durch die Verwendung des richtigen Motors für die Aufgabe erhalten, z. B. eines Umrichtermotors, sind die zusätzlichen Anschaffungskosten oft wert. Sie müssen sich genau überlegen, ob Sie einen Standardmotor mit einem Umrichter verwenden wollen.

Schauen wir mal rein: Was ist der Unterschied in der Art und Weise, wie diese Motoren hergestellt werden?

Wenn man einen Standardmotor und einen Motor mit Umrichterbetrieb von außen betrachtet, mögen sie recht vergleichbar aussehen. Doch im Inneren gibt es entscheidende Unterschiede, vor allem in den Motorisolierung und Motorkühlungsdesigns. Diese Änderungen machen den Motor im Umrichterbetrieb viel robuster, wenn er mit einem Umrichter zusammenarbeitet.

Der wichtigste Unterschied ist das Isolationssystem. Umrichtermotoren verwenden ein verbessertes Isolationssystem. Die Drähte in den Motorwicklungen haben eine dickere, stärkere Isolierung. Dies hilft dem Motor, den höheren Spannungsspitzen und Spannungsspitzen standzuhalten, die vom PWM-Ausgang eines Frequenzumrichters herrühren können. Die Isolierung eines Standardmotors reicht in der Regel für eine gleichmäßige Sinuswellenleistung aus, nicht aber für die nicht-sinusförmige Leistung eines Umrichters. Diese bessere Isolierung verhindert einen frühzeitigen Ausfall.

Umrichtermotoren haben in der Regel auch eine bessere Kühlung. Einige sind so konstruiert, dass sie normalerweise kühler laufen. Andere sind mit speziellen Lüftern ausgestattet, die auch bei niedrigen Drehzahlen für gute Kühlung sorgen, oder sie sind für einen separaten Lüfter mit konstanter Drehzahl (ein Gebläse) ausgelegt. Außerdem verfügen sie oft über robustere Lagersysteme, in einigen Fällen mit isolierten Lagern, um elektrische Schäden (durch Wellenströme) zu vermeiden. Die Rotorkonstruktion einiger Umrichtermotoren kann zusätzlich für den Wirkungsgrad bei variabler Drehzahl optimiert sein. Die gesamte Motorkonstruktion ist für die Anforderungen des Umrichterbetriebs ausgelegt.

Wirkt sich die Wahl eines Umrichtermotors auf Energie und Leistung aus?

Ja, die Wahl des richtigen Motors, insbesondere eines Umrichtermotors bei Verwendung eines Umrichters, kann einen großen Unterschied im Energieverbrauch und in der Leistung Ihrer Geräte ausmachen. Ein Umrichter selbst hilft beim Energiesparen, indem er den Motor nur so schnell laufen lässt, wie er benötigt wird. Wenn der Motor jedoch nicht mit dem Umrichter kompatibel ist, können Sie möglicherweise nicht alle Energieeinsparungen erzielen.

Ein Motor mit Umrichterbetrieb ist so konzipiert, dass er über einen größeren Drehzahlbereich effizient läuft als ein Standardmotor, wenn er von einem VFD angetrieben wird. Das bedeutet, dass er nicht nur bei voller Drehzahl, sondern auch bei reduzierten Drehzahlen einen hohen Wirkungsgrad bietet. Ein Standardmotor kann an Wirkungsgrad verlieren und überhitzen, wenn ein Umrichter ihn verlangsamt. Ein gut angepasster, effizienter Motor verbraucht weniger Energie.

Was die Leistung betrifft, so bietet ein Motor mit Umrichterbetrieb einen zuverlässigeren Betrieb mit variabler Drehzahl. Er kann ein konstantes Drehmoment liefern oder sogar für Anwendungen mit konstantem Drehmoment eingesetzt werden, wodurch Ihre Maschine ihre Aufgabe besser erfüllen kann. Wenn Sie eine präzise Drehzahlregelung für hohe Qualität benötigen oder für Anwendungen, bei denen die Drehzahlsynchronisierung kritisch ist, bietet ein Motor mit Umrichterbetrieb (eventuell mit einem Encoder) eine bessere dynamische Leistung. Der Motor ist in der Lage, den Anforderungen gerecht zu werden, was einen reibungsloseren Betrieb und einen besonders zuverlässigen Prozess zur Folge hat. Durch die Verwendung des richtigen Motors oder Umrichtermotors wird sichergestellt, dass die VFDs ihre Arbeit tun können und der Motor eine stabile mechanische Leistung für die Anwendung liefert.