1. Allgemeines
2. Motor
2.1 Stern-Dreieckschaltung
3. Funktion eines Frequenzumrichters
3.1 Frequenzumrichter mit/ohne Rückführung
4. Leistung des Frequenzumrichters
5. Bremswiderstände
6. Filter
7. Drehzahlbereich
7.1 Start-/Bremsrampe
8. Drehmoment eines Asynchronmotors ohne FU
9. Einfluss des Frequenzumrichters auf das Drehmoment

1. Allgemeines:

Drechselbänke sind i.d.R. von Haus aus mit einem mechanischen System zur Drehzahlverstellung ausgerüstet. Die Drehzahl kann dabei entweder stufenlos oder in 4-5 Abstufungen variiert werden. Diese Systeme sind für viele Anwendungen ausreichend und sollen auch nicht in Frage gestellt werden. Je nach Anwendungsfall machen sich aber einige unangenehme Begleiterscheinungen bzw. Schwächen dieser Konstruktionen bemerkbar.

  1. Die Antriebsspindel wird beim Einschalten ruckartig beschleunigt. Durch die Trägheit der Masse können filigrane Werkstücke abgeschert werden.
  2. Beim Abschalten dauert es relativ lange, bis die Antriebsspindel zum Stillstand kommt (Auslauf).
  3. Die Geschwindigkeiten können nur in groben Schritten variiert werden. Zur Beseitigung von Resonanzen ist es aber oft notwendig die Drehzahl geringfügig zu erhöhen bzw. zu verringern.
  4. Die gewünschte Drehzahl steht nicht zur Verfügung. Dies betrifft vor allem den unteren Drehzahlbereich. Für große und unwuchtige Werkstücke werden kleine Drehzahlen benötigt. Wer hier mit 500U/min einsteigt, riskiert den Abflug des Werkstückes.
  5. Das Verändern der Drehzahl ist umständlich (Riemen umlegen). Wer hat schon Zeit.

Eine weitaus elegantere Lösung bietet da eine elektronische Drehzahlregelung mittels Frequenzumrichter. Mit diesem elektronischen Gerät kann die Drehzahl auf einfachste Weise per Knopfdruck oder Poti manipuliert werden. Außerdem können Start- und Bremsrampen programmiert werden. Der Einbau eines FU ist relativ einfach. Man schaltet dieses Gerät zwischen Netz und Motor. Obwohl es diese FU von vielen Herstellern als fertiges Modul zu kaufen gibt, kann man an dieser Stelle viel falsch machen. Wenn das Gesamtsystem nicht optimal dimensioniert ist, hat man hinterher ein verringertes Drehmoment oder im schlimmsten Fall verheizt man den Antriebsmotor. Die folgenden Zeilen sollen einen groben Überblick über dieses komplexe Thema geben. Es ist schwierig diese Thematik für einen Laien verständlich rüberzubringen. Trotzdem will ich mal versuchen das Wesentliche in ein paar Sätzen zusammenzufassen ohne die höhere Mathematik zu bemühen:

Vorab ein ernstgemeinter Sicherheitshinweis:
!!! Der Einbau/Anschluss eines FU darf nur von einem Fachmann vorgenommen werden. Ein nicht fachgerecht durchgeführter Anschluss kann tödliche Folgen haben. Gerade bei einer Drechselbank wo alles aus leitfähigem Metall ist und wo während dem Arbeiten Feuchtigkeit auftreten kann (Nassholzdrechseln), muss äußerst sorgfältig vorgegangen werden. Bitte hier auf keinen Fall experimentieren.

2. Motor

Mit einem FU kann die Drehzahl eines Asynchronmotors gesteuert bzw. geregelt werden. Asynchronmotoren findet man an fast allen Werkzeugmaschinen. Egal ob Schleifbock, Fräsmaschine oder Drechselbank, in der Regel sind diese Maschinen mit einem Asynchronmotor ausgerüstet. Der Name Asynchronmotor kommt daher, weil die Drehzahl des Motors der ansteuernden Netzfrequenz hinterherläuft. D.h. Der Motor läuft etwas langsamer als die ansteuernde Frequenz. Die Differenz zwischen Drehzahl des Motors und der Netzfrequenz nennt man Schlupf. Im Leerlauf ist der Schlupf minimal, d.h. die Drehzahl des Motors ist nahezu identisch mit der ansteuernden Frequenz. Sobald der Motor belastet wird, geht die Drehzahl zurück, der Schlupf steigt also an.

Bsp. Ein Asynchronmotor wird direkt an das 50Hz Netz angeschlossen. Die Frequenz der Wechselspannung ändert sich also 50 x pro Sekunde bzw. 3000 x pro Minute. Die Drehzahl des Motors im Leerlauf wäre also theoretisch 3000 U/Min. Durch die Belastung des Motors sinkt aber die Drehzahl. D.h, je nach Belastungsgrad stellt sich z.B. eine Drehzahl zwischen 2800 und 2950 U/Min ein. Wer also an seiner Drechselbank eine Drehzahl n einstellt, sollte sich bewusst sein, dass diese Drehzahl nur als Richtwert betrachtet werden darf. Die tatsächliche Drehzahl hängt davon ab, wie stark die Antriebsspindel belastet wird.

Asynchronmotoren gibt es sowohl in einphasiger als auch in dreiphasiger Ausführung. Für geringe Motorleistungen wird meist ein einphasiger Motor verwendet (z.B. Schleifbock), für größere Motorleistungen muss die dreiphasige Variante herhalten. Einphasige Motoren werden oft bevorzugt, weil in der Werkstatt kein Drehstromanschluss vorhanden ist. Wer beabsichtigt einen Motor mittels FU anzusteuern, sollte immer einen Dreiphasenmotor bevorzugen. Für diesen Motortyp gibt es ein breites Angebot an Frequenzumrichter. Für den einphasigen Motor gibt es zwar auch FU, diese Technik ist aber eher die Ausnahme und das Angebot ist dementsprechend wesentlich schmäler. Ein Dreiphasenmotor hat auch den Vorteil, dass man relativ einfach die Drehrichtung umschalten kann.

Asynchronmotoren müssen gegen Überlastung geschützt werden. Dies kann z.B. durch eine Überwachung des Motorstromes geschehen (z.B. mittels FU) oder durch eine thermische Überwachung (Motorschutzschalter). Bei der Drechselmaschine kann es z.B. vorkommen, dass die Spindel blockiert wird. In diesem Fall muss der Motor sofort durch eine geeignete Schutzmassnahme abgeschaltet werden, da er sonst durchbrennt.

2.1 Stern-Dreieckschaltung

3-Phasen-Asynchronmotoren können in Stern- oder Dreieckschaltung betrieben werden. Je nachdem, welche Variante man wählt, liegen an den Motorwicklungen unterschiedlich hohe Spannungen an. Wird der Motor von unserem 400V Netz (Drehstrom) versorgt (ohne FU), so liegen im Dreieckbetrieb 400V und im Sternbetrieb 230V an den Motorwicklungen an.

Diesen Umstand kann man z.B. nutzen um den Einschaltstrom eines Motors zu begrenzen. D.h. man startet im Sternbetrieb und schaltet nach dem Hochlauf in den Dreieckbetrieb. (Sogenannte Stern->Dreieck Umschaltung). Ein Asynchronmotor zieht im Einschaltmoment einen sehr hohen Strom. Mit der Stern->Dreieck Umschaltung entlastet man somit das Versorgungsnetz. Im Sternbetrieb ist aber nicht nur die Motorspannung niedriger, sondern, daraus resultierend, auch der Motorstrom und somit auch das Drehmoment.

Bevor man sich über Stern/Dreieck zu viele Gedanken macht, sollte erst einmal geklärt werden, welche Spannung der Motor überhaupt verträgt. Nicht jeder Motor verträgt eine Strangspannung von 400V. Aufschluss darüber gibt das Motortypenschild. Dort ist zu lesen welche maximale Spannung bei der jeweiligen Betriebsart angelegt werden darf.

Bsp. 1) Motor mit 400V (Dreieck) / 690V (Stern) ohne FU:

Diesen Motor kann man bedenkenlos an unser 400V Netz anschließen und wahlweise in den Sternbetrieb oder Dreiecksbetrieb schalten. Im Sternbetrieb liegen 230V an den Wicklungen an, im Dreiecksbetrieb 400V. In der Praxis wird man diesen Motor i.d.R. im Dreiecksbetrieb laufen lassen, da hier der Motorstrom und somit auch das Drehmoment am höchsten ist. Ob man den Motor über eine Stern-Dreieckschaltung anlaufen lässt, hängt von dessen Leistung ab. Spätestens wenn die Sicherung (auf grund des hohen Einschaltstromes) rausfliegt, sollte man über diese Möglichkeit nachdenken.

Bsp. 2) Motor mit 230V (Dreieck) / 400V (Stern) ohne FU:

Diesen Motor darf man zwar auch an unser 400V Netz anschließen, aber eben nur im Sternbetrieb. Im Dreiecksbetrieb verträgt dieser Motor maximal 230V, wäre mit unseren 400V also hoffnungslos überlastet. Wenn der Motor von einem Frequenzumrichter gesteuert wird, sieht die Welt wieder etwas anders aus. Ein FU kann seine Ausgangsspannung i.d.R. variabel einstellen. D.h. Man muss dem FU nur sagen, welche Schaltungsart man gewählt hat und welche Nennspannung der Motor in dieser Schaltungsvariante verträgt.

Bsp. 3) Motor mit 230V (Dreieck) / 400V (Stern) mit FU:

Parametrierung FU:
  1. Möglichkeit: Motorschaltung: Stern, Nennspannung: 400V
  2. Möglichkeit: Motorschaltung: Dreieck, Nennspannung: 230V

Es kann sein, dass der FU eine Schaltungsvariante vorschreibt. In diesem Fall sollte man den Empfehlungen des Herstellers folgen und nur noch die Nennspannung entsprechend anpassen (parametrieren).

3. Funktion eines Frequenzumrichters

Ein FU wird - wie bereits erwähnt - zwischen Motor und Netz geschaltet. Am Eingang sieht der FU also unsere Netzfrequenz mit konstanter Frequenz und konstantem Spannungshub. Aus dieser Wechselspannung generiert der FU intern eine Gleichspannung (im sogenannten Zwischenkreis). Diese Zwischenkreisspannung ist nach außen nicht sichtbar, für weitere Betrachtungen aber wichtig. Aus dieser Zwischenkreisspannung wiederum erzeugt der FU eine neue Wechselspannung mit einstellbarer Frequenz und variablem Spannungshub. Diese neu erzeugte Wechselspannung ist am Ausgang des FU verfügbar und wird zur Steuerung des Motors verwendet.
Je nach benötigter Leistung und je nach Motortyp gibt es drei Typen von FU.

Tab.1
Fu-Typ Eingang des FU Ausgang des FU
1: einphasig einphasig Dieser FU ist eher die Ausnahme. Bevor man einen einphasigen Motor mit diesem FU ausrüstet, sollte man sich überlegen, ob man nicht an der Maschine einen Drehstrom-Motor nachrüstet.
2: einphasig dreiphasig Für Motoren im unteren Leitungsbereich völlig ausreichend. Dieser FU-Typ ist wesentlich günstiger als Typ 3 und sollte deshalb - wann immer möglich - bevorzugt werden.
3: dreiphasig dreiphasig Dieser FU wird nur für die obere Leistungsklasse benötigt.
Typ 2 bietet einen interessanten Vorteil. Wer in seiner Werkstatt keinen Drehstromanschluss hat, kann seinen Dreiphasen-Motor mit Hilfe dieses FU an das gewöhnliche Einphasen-Netz anschließen. Vorausgesetzt die Motorleistung lässt dies zu.

3.1 Frequenzumrichter mit/ohne Rückführung.

Im Idealfall sorgt ein FU dafür, dass sich an der Motorachse die gewünschte Drehzahl exakt einstellt und dass die gewählte Drehzahl unabhängig von der Last konstant bleibt (konstantes Drehmoment). Dies ist aber nur dann möglich, wenn dem FU über eine Rückführung die aktuelle Motordrehzahl mitgeteilt wird. Diese Lösung wäre zwar das Optimum, ist aber auch entsprechend kostspielig. Man benötigt dazu einen Motor mit Drehzahl-Meßeinrichtung und einen speziellen FU mit Vektorregelung.

Einfache Systeme arbeiten ohne Rückführung, d.h. die Frequenz wird nicht geregelt, sondern nur gesteuert. Diese Systeme sind für eine Drechselmaschine auch völlig ausreichend. Der Frequenzumrichter lässt sich nachrüsten, den Motor kann man beibehalten. Das Drehmoment ist bei dieser einfachen Version trotzdem über einen weiten Frequenzbereich nahezu konstant, da der FU den Motorstrom überwacht und entsprechend nachregelt. Alle weiteren Betrachtungen beziehen sich auf diese einfache Variante ohne Frequenzregelung.

4. Leistung des Frequenzumrichters

Die Leistung des FU muss mindestens gleichgroß wie die des Motors sein. Besser ist ein Zuschlag von etwa 50%. Für einen 500W Motor würde ich also einen FU mit 750W Ausgangsleistung empfehlen. Die meisten FU sind so konstruiert, dass sie kurzfristig den n-fachen Nennstrom liefern können. Ein Zuschlag von 50% ist also nicht unbedingt notwendig, kann aber auch nicht schaden.

5. Bremswiderstände

Beim Kauf eines FU gibt es meist die Option Bremswiderstände. Das ist ein Zusatzmodul, das man dazuschalten kann oder eben nicht. Die Frage ist: Braucht man das?
Bremswiderstände werden dann benötigt, wenn der Motor zum Generator wird und Energie an den FU zurückspeist. Dies ist im Prinzip immer dann der Fall, wenn der Motor abgeschaltet wird und die kinetische Energie, die in der Spindel steckt, den Motor nach dem Abschalten weiterhin antreibt. Dadurch erzeugt der Motor an den Anschlussklemmen eine Spannung, die an den FU zurückgeliefert wird und dort die Zwischenkreisspannung ansteigen lässt. Je mehr kinetische Energie im Antrieb steckt, umso höher die zurückgelieferte Energie. D.h. je mehr Masse man abbremst umso höher die zurückgelieferte Energie. Ab einer bestimmten Grenze wird der FU mit dieser Energie nicht mehr fertig und es müssen Bremswiderstände zugeschaltet werden, an denen die Energie in Wärme umgesetzt wird. Wer also auf seiner Drechselbank sehr schwere Teile bearbeitet, sollte besser die Bremswiderstände einbauen. Ansonsten sehe ich keinen Anlass für diese Investition. Ein moderner FU wird außerdem bei zu hoher Zwischenkreisspannung abschalten und in eine Fehlermeldung anzeigen. Sollte dieser Fehlerzustand des öfteren auftreten, kann man immer noch Bremswiderstände nachrüsten.

6. Filter

Eine weitere Option bei den FU sind diverse Filtermodule (elektronische Schutzschaltungen), die man einbauen kann. An dieser Stelle sollte man auf keinen Fall sparen sondern den Empfehlungen des Herstellers folgen. FU haben die unangenehme Eigenschaft, dass sie eine wahre Quelle für elektromagnetische Störimpulse sind. Wenn diese Störimpulse nicht herausgefiltert werden, können dadurch andere Geräte (z.B. TV) oder der FU selbst, negativ beeinflusst werden. Bei Neugeräten werden diese Filter in der Regel mit angeboten oder sind im FU bereits eingebaut. Wer sich ein gebrauchtes Gerät kauft sollte unbedingt abklären, ob die notwendigen Filtermodule mit dabei sind. Auch bei der Verkabelung sollte man nicht improvisieren. Wenn der Hersteller einen bestimmten Kabeltyp und eine bestimmte maximale Kabellänge vorschreibt, hat dies durchaus seine Berechtigung.

7. Drehzahlbereich

Asynchronmotoren sind in der Regel für eine fixe Netzfrequenz ausgelegt. D.h. sie liefern ihre Nenndrehzahl wenn sie mit der Frequenz unseres Versorgungsnetzes (50Hz) angesteuert werden. Ein dazwischengeschalteter FU variiert nun diese Frequenz, so dass der Motor entweder schneller oder langsamer läuft. Bei sehr langsamen Drehzahlen muss darauf geachtet werden, dass der Motor nicht heißläuft. Normalerweise kühlt sich der Motor selbst durch den Luftzug, der ab einer gewissen Drehzahl entsteht. Wenn der Motor sehr lange im unteren Drehzahlbereich betrieben wird, fehlt diese Kühlung. Der Motor läuft heiß. Abhilfe schafft hier eine Fremdkühlung (z.B. Lüfter).

FU können auch Frequenzen erzeugen, die oberhalb der Netzfrequenz liegen. D.h. der Motor läuft dann schneller als mit seiner Nenndrehzahl. Dieser Bereich sollte aber sehr mit Vorsicht genossen werden, da man hier den Motor außerhalb der Spezifikation betreibt , was zu dessen Zerstörung führen kann. Mehr als 20% Zuschlag nach oben sollte man nicht ausnutzen. (Es sei denn, der Motor ist für diese Frequenzen ausgelegt).

7.1.Start-/Bremsrampe:

FU haben die wichtige Eigenschaft, dass sie den Motor sanft beschleunigen bzw. abbremsen können. Insbesondere bei Drechselmaschinen ist dies von entscheidendem Vorteil. Werkstücke, die nur behelfsmäßig gespannt sind, überleben so eher den Anlauf, als wie wenn die Spindel ruckartig beschleunigt wird.

8. Drehmoment eines Asynchronmotors ohne FU

Bevor der Einfluss des FU auf das Motordrehmoment diskutiert wird, sollte klar sein wie das Drehmoment des Motors ohne FU aussieht. Im folgenden die typische Drehmoment-Frequenz Kennlinie eine Asynchronmotors:

Drehmoment-Frequenz Kennlinie Aus dem Diagramm kann folgendes abgeleitet werden:
  1. Im Leerlauf (maximale Drehzahl) bietet ein Asynchronmotor ein minimales Drehmoment. Bei der geringsten Belastung geht die Drehzahl zurück und das Drehmoment baut sich auf.
  2. Bei zunehmender Belastung hält der Motor zwar mit immer größer werdendem Drehmoment dagegen, allerdings nur bis zu einem bestimmten Punkt. Bei erreichen bzw. überschreiten des Kippmomentes bricht das Drehmoment schlagartig zusammen, der Motor bleibt stehen. In diesem Fall muss sofort die Last verringert werden oder der Motor muss spannungslos geschaltet werden, da er sonst durchbrennt.

9. Einfluss des Frequenzumrichters auf das Drehmoment

Für den Motor mit Frequenzumrichter (ohne Drehzahlrückführung) gilt für jede eingestellte Frequenz die gleiche Drehmoment-Frequenz Kennlinie wie unter 8. beschrieben. D.h. die Kurve wird nur entsprechend gedehnt oder gestaucht, bleibt vom Verlauf her aber gleich.

Damit das Drehmoment des Motors bei unterschiedlichen Drehzahlen möglichst konstant bleibt, muss der FU gewährleisten, dass der Nenn-Motorstrom über den kompletten Frequenzbereich nahezu gleich bleibt. Außerdem muss der Frequenzumrichter den bei Belastung ansteigenden Strom liefern können. Wenn hier eine Strombegrenzung anspricht, wird diese auch das Drehmoment begrenzen.

Da sich mit der Frequenz auch der Innenwiderstand des Motors ändert, muss der FU für jede Frequenz eine dazu passende Motorspannung anlegen. Zu kleineren Frequenzen hin wird der Innenwiderstand des Motors geringer, d.h. der FU muss die Motorspannung verkleinern. Dies ist i.d.R. kein Problem, deshalb kann man davon ausgehen, dass im Bereich zwischen 5 und 50Hz das Drehmoment des Motors durch einen korrekt parametrierten FU nicht geschwächt wird.

Im Bereich über der Nennfrequenz (>50Hz) sieht es dagegen etwas anders aus. Mit steigender Frequenz, nimmt der Innenwiderstand des Motors zu. D.h. der FU müsste mit zunehmender Frequenz die Motorspannung erhöhen. Da die Motoren aber nur eine begrenzte Spannungsfestigkeit haben, ist dies nicht so ohne weiteres möglich. Im Klartext heißt das: Bei Frequenzen über der Motor-Nennfrequenz kann die Motorspannung nicht erhöht werden, obwohl der Innenwiderstand des Motors ansteigt. Resultat: Der Motorstrom und somit auch das Drehmoment fällt mit zunehmender Frequenz (Drehzahl) ab.

Bei der Drechselmaschine kommt aber noch ein anderer Faktor dazu, der Einfluss auf das Gesamt-Drehmoment hat. Grosse und schwere Werkstücke verhalten sich im Prinzip wie ein Schwungrad, also einer mechanischen Anordnung, die Energie speichern kann. Diese kinetische Energie ist optimal dazu geeignet, kurzfristige Belastungsspitzen auszugleichen. Die gespeicherte Energie nimmt mit steigender Masse und steigender Drehzahl zu. Je schneller sich also ein Werkstück dreht und desto größer dessen Masse (Gewicht) ist, umso mehr Energie steht zur Verfügung um Belastungsspitzen durch das Werkzeug - ohne signifikanten Drehzahleinbruch - zu bewältigen. Bei niederen Drehzahlen fehlt dieser Energiespeicher, deshalb wird bei entsprechender Belastung die Drehzahl sofort in die Knie gehen.