Das Problem: Wartung nach Kalender reicht nicht
Ein Frequenzumrichter besteht überwiegend aus Halbleitern und Kupfer, und die verschleißen selten. Zwei Teile schon: die Elektrolytkondensatoren des Zwischenkreises und die Lüfter. Sie sind die Verschleißteile, und sie rechtzeitig zu tauschen ist der Kern der vorbeugenden Instandhaltung eines Umrichters.
Beide altern durch Wärme, nicht durch das Datum im Kalender. Ein Umrichter in einem kühlen, sauberen Raum kann seine Kondensatoren doppelt so lange behalten wie derselbe Umrichter in einem heißen Schaltschrank neben einem Ofen. Deshalb ist ein einziges Intervall für alle Umrichter für manche zu früh und für andere zu spät.
- Zwischenkreiskondensatoren trocknen von innen aus. Ihre Lebensdauer hängt von der Temperatur im Kern ab, die mit der Umgebungsluft und mit dem durchfließenden Rippelstrom steigt.
- Lüfter fallen aus, wenn das Fett in ihren Lagern altert. Es altert schneller bei Wärme, nur solange der Lüfter dreht, und noch schneller bei Staub.
Die Kalenderfalle
| Sauberer Raum | Staubiger Schaltschrank | |
|---|---|---|
| Temperatur | 25 °C | 45 °C |
| Last | 60 % | 90 % |
| Stunden pro Tag | 8 | 24 |
| Umgebung | Sauber | Staubig |
| Netzunsymmetrie | 0 % | 2 % |
| Zwischenkreiskondensatoren | 15,0 JahreObergrenze der Schätzung | 2,7 Jahre |
| Lüfter | 15,0 JahreObergrenze der Schätzung | 2,0 Jahre |
Gleicher Umrichter, gleicher Kalender.
Schätzen Sie es für Ihren Umrichter
Geben Sie die realen Betriebsbedingungen ein — die Luft um den Umrichter, seine Last, seine Betriebsstunden, seine Umgebung und die Netzqualität —, um zu schätzen, wie viel Lebensdauer jedes Bauteil noch hat.
Erweitert — wenn Sie die Bauteile kennen (optional)
Aus dem Datenblatt des Bauteils. Leer gelassen verwendet der Rechner typische Werte, die Wertek gewählt hat.Geschätzte Zeit bis zur Erneuerung
Schätzung, keine Garantie. Angenommen wird, dass der Umrichter 24 Stunden am Tag unter Spannung steht, die eingegebenen Stunden bei konstanter Last und Temperatur läuft und seine Lüfter drehen, solange er läuft. Reale Umrichter laufen nicht so — darum geht es im letzten Abschnitt.
Die Auswirkung in Zahlen
Nehmen Sie einen Umrichter in einem Schaltschrank bei 35 °C, bei 75 % Last, 16 Stunden am Tag in einem sauberen Raum. Der Rechner ergibt 11,9 Jahre für die Kondensatoren und 6,8 Jahre für die Lüfter. Ändern Sie nun jeweils nur eine Sache:
- Ist der Schaltschrank 10 °C wärmer, sinken die Kondensatoren von 11,9 Jahre auf 6,0 Jahre.
- Bei 2 % Spannungsunsymmetrie im Netz sinken die Kondensatoren von 11,9 Jahre auf 9,7 Jahre.
- Ist der Raum staubig, sinken die Lüfter von 6,8 Jahre auf 4,8 Jahre.
Wenn dieser Umrichter heute stehen bleibt: Was kostet Ihre Linie jede Stunde Stillstand?
Lesen Sie das Typenschild, bevor Sie das Alter schätzen
Die Verschleißuhr der Lüfter beginnt, wenn der Umrichter installiert ist und läuft. Bei den Kondensatoren ist es anders: Sie altern auch im Regal. Klären Sie vor dem ersten Start, wie lange der Umrichter spannungslos war.
Was im Regal altert und was nicht
- Zwischenkreiskondensatoren altern ohne Spannung: Bei der Lagerung baut ihre Oxidschicht ab und ihr Leckstrom steigt, umso schneller, je wärmer gelagert wird (Nippon Chemi-Con). Genau das behebt das Formieren.
- Lüfter: Ihre Lebensdauer wird in Betriebsstunden angegeben (L10), also in den Stunden, in denen sie drehen (ebm-papst, RS DesignSpark). Die herangezogenen öffentlichen Quellen nennen keine Lagerungsregel für Lüfter; für ihren Verschleiß zählt die Laufzeit.
Wie man erkennt, wie lange er gelagert war
Vergleichen Sie das Herstelldatum mit dem Datum, an dem er eingeschaltet werden soll. Das Herstelldatum steht auf dem Typenschild oder ist in der Seriennummer codiert; ABB dokumentiert zum Beispiel, welche Ziffern seiner Seriennummer Jahr und Woche angeben. Ersatzumrichter im Lager und abgeschaltete Umrichter im Werk zählen ebenfalls: Entscheidend ist die Zeit ohne Spannung. Lässt sich das Datum nicht feststellen, behandeln Sie ihn als ungünstigsten Fall und formieren Sie nach dem Verfahren des Herstellers.
Quelle: ABB p. 8
Wie man einen Ersatzumrichter lagert
Kondensatorhersteller empfehlen die Lagerung bei normaler Temperatur und Luftfeuchte, ohne direkte Sonne; Wärme beschleunigt den Anstieg des Leckstroms (Nippon Chemi-Con). Halten Sie den Umrichter sauber und trocken, ohne Kondensation (ABB verlangt das vor dem Formieren). Die Lagertemperatur verschiebt die Grenze: Ein Hersteller erlaubt 12, 24 oder 36 Monate ohne Spannung, je nachdem, ob bei höchstens 50, 45 oder 40 °C gelagert wurde (Schneider Electric). Und ein Hersteller empfiehlt als bewährte Praxis, gelagerte Umrichter regelmäßig — etwa alle sechs Monate — mit Nennspannung einzuschalten (KEB).
Situation → was zu tun ist
| Situation | Was zu tun ist | Quelle |
|---|---|---|
| Weniger als 1 Jahr ohne Spannung | Ohne Formieren starten. | ABB p. 7 · KEB America |
| 1 bis 2 Jahre ohne Spannung (bei manchen Modellen bis 3) | Vor der Nutzung formieren: ohne Last 30 Minuten bis eine Stunde einschalten, wie der Hersteller angibt. Siehe Formieren | ABB pp. 6, 9 · KEB America |
| Mehr als 2 Jahre (bei manchen Modellen 3) | Mit einer kontrollierten Schaltung formieren: strombegrenzt oder mit schrittweise erhöhter Spannung. Siehe Formieren | ABB pp. 6, 10 · KEB America |
| Herstell- oder Lagerdatum unbekannt | Als ungünstigsten Fall behandeln: vor dem Einschalten nach dem Verfahren des Herstellers formieren. Siehe Formieren | Empfehlung von Wertek |
Was man am Tag der Inbetriebnahme notiert
Das Installationsdatum — wann er im Betrieb eingeschaltet wird — und, falls formiert wurde, Datum und Verfahren. Der Rechner oben zählt die Lebensdauer ab dem Installationsdatum: Ohne es beginnt jede Schätzung am falschen Punkt.
In Wertek speichert das Typenschild des Umrichters das Installationsdatum und das Formierdatum der Kondensatoren in der Anlagenhistorie. Formieren erneuert die Kondensatoren nicht und setzt deshalb ihre geschätzte Lebensdauer nicht zurück.
Länger als ein Jahr gelagert? Kondensatoren vor dem Einschalten formieren
Die Uhr des Verschleißes beginnt, wenn der Umrichter installiert und eingeschaltet wird, nicht bei seiner Herstellung; doch ein Umrichter im Regal ist für seine Kondensatoren nicht untätig. Umrichterhersteller verlangen, die Zwischenkreiskondensatoren vor voller Spannung zu formieren, wenn der Umrichter etwa ein Jahr oder länger spannungslos war. Wer das auslässt, kann sie beim ersten Start zerstören.
Warum ein gelagerter Kondensator das braucht
Bei der Lagerung reagiert die Oxidschicht, die einen Aluminium-Elektrolytkondensator isoliert, langsam mit dem Elektrolyten: Die Spannungsfestigkeit sinkt und der Leckstrom steigt, umso mehr, je wärmer gelagert wird. Wird die volle Spannung schlagartig angelegt, kann die Wärme dieses Leckstroms das Dielektrikum durchschlagen und das Sicherheitsventil des Kondensators öffnen. Eine kontrollierte Spannungsbehandlung baut das Oxid wieder auf und senkt den Leckstrom auf sein Niveau.
Was Umrichterhersteller verlangen
| Zeit ohne Spannung | Was der Hersteller verlangt | Quelle |
|---|---|---|
| Weniger als 1 Jahr | Kein Formieren nötig. | ABB p. 7 |
| 1 bis 2 oder 3 Jahre, je nach Modell | Den Umrichter 30 Minuten ohne Last einschalten, bevor er benutzt wird. | ABB pp. 6, 9 |
| Mehr als 2 oder 3 Jahre, je nach Modell | Eine externe Formierschaltung am Zwischenkreis, strombegrenzt (höchstens 500 mA), für die vom Hersteller angegebene Zeit. | ABB pp. 6, 10 |
| 12, 24 oder 36 Monate, bei Lagerung bis 50, 45 oder 40 °C | Eine Stunde Netzspannung anlegen, bevor der Motor startet, ohne dass in dieser Zeit ein Startbefehl möglich ist. | Schneider Electric |
| 1 bis 2 Jahre; mehr als 2 Jahre | Den Umrichter eine Stunde ohne Modulationsausgang betreiben; nach 2 Jahren die Eingangsspannung mit einem Stelltransformator langsam erhöhen. | KEB America |
Die Hersteller ziehen die Grenze nicht an derselben Stelle: nach Jahren und Umrichtermodell, nur nach Jahren oder auch nach der Lagertemperatur. Deshalb gilt allein das Verfahren des Herstellers Ihres Umrichters.
Das Verfahren im Überblick
- Vor Beginn: Einspeisung trennen und gegen Wiedereinschalten sichern, Spannungsfreiheit der Eingangs- und Zwischenkreisklemmen gegen Erde prüfen und die Einspeisung des Umrichters nie einschalten, solange eine Formierschaltung angeschlossen ist (ABB, pp. 9, 11).
- Die Spannung wird kontrolliert an die Kondensatoren gelegt, nie schlagartig die volle Spannung: strombegrenzt — ein Hersteller begrenzt auf 500 mA, mit einer Gleichspannung vom 1,35- bis 1,45-Fachen der Nenn-Wechselspannung des Umrichters, oder erhöht sie schrittweise ab null (ABB, p. 10) — oder mit langsam erhöhter Eingangsspannung über einen Stelltransformator (KEB).
- Die Dauer hängt von der Lagerzeit ab: von 30 Minuten oder einer Stunde bei kurzer Lagerung bis zu längeren, vom Hersteller festgelegten Zeiten bei langer Lagerung. Der Motor läuft nicht, und es wird keine Last angelegt.
- Am Ende die Entladung der Kondensatoren abwarten — ein Hersteller nennt 5 Minuten — und den Zwischenkreis nahe null messen, bevor etwas berührt wird (ABB, p. 11).
Und wenn ich ihn einfach länger eingeschaltet lasse?
Das hilft, aber nur nach kurzer Lagerung: Es ist die kurze Methode der Quellen. ABB: 1 bis 2 Jahre ausgeschaltet (bei manchen Baureihen bis 3), 30 Minuten ohne Last. KEB: 1 bis 2 Jahre, eine Stunde ohne Ausgang zum Motor. Schneider Electric: nach Ablauf der Lagergrenze, die von der Temperatur abhängt, eine Stunde an Netzspannung vor dem Start.
Nach langer Lagerung — mehr als 2 oder 3 Jahre, je nach Quelle — machen mehr Stunden ihn nicht sicher, denn das Problem ist der erste Moment: Wird die volle Spannung schlagartig an ein abgebautes Oxid gelegt, fließt ein großer Leckstrom, der Kondensator erwärmt sich und kann in diesem Augenblick ausfallen (KEB; ABB, S. 7). Verhindert wird das, indem man die Spannung schrittweise erhöht oder den Strom begrenzt: strombegrenzte Gleichspannungsquelle, Vorwiderstand oder Stelltransformator (ABB, S. 10; KEB). Deshalb wechseln die Quellen nach einer bestimmten Zeit die Methode, statt mehr Stunden zu verlangen.
Wo Einschalten ohne Last ohne dieses Zeitfenster tatsächlich hilft, ist die Vorbeugung: gelagerte Umrichter etwa alle sechs Monate mit Nennspannung einschalten (KEB), damit sie das kontrollierte Formieren nie brauchen.
Hochspannung. Formieren erfolgt durch qualifiziertes Personal nach dem Verfahren des Herstellers Ihres Umrichters — mit dessen Spannungen, Zeiten und Schaltungen. Diese Seite erklärt das Warum; sie ist kein Verfahren.
Von der Schätzung zur Kontrolle mit Wertek
Der Rechner nimmt an, dass sich die Bedingungen nie ändern. Reale Umrichter laufen im Sommer heißer, wechseln die Last mit der Produktion und verstauben zwischen zwei Reinigungen. Wertek macht aus der Schätzung einen Plan:
- Typenschild und Installationsdatum digital erfassen — das Datum, von dem jede Schätzung abhängt.
- Ein Wartungsplan, der die Arbeitsaufträge zum Fälligkeitsdatum erstellt.
- Techniker erhalten die Aufträge in der mobilen App, dokumentieren die Arbeit und schließen sie ab.
Schützen Sie Ihre kritischen Antriebe
Den Umrichter und sein Typenschild in Wertek zu erfassen ist kostenlos. Geplante Arbeitsaufträge sind in den kostenpflichtigen Plänen enthalten.
Worauf die Schätzung beruht
Zwischenkreiskondensatoren: die Wärme im Kondensator
Die Lebensdauer eines Aluminium-Elektrolytkondensators hängt vor allem von seiner Innentemperatur ab. Die Kondensatorhersteller veröffentlichen die Regel: Je kühler der Kern arbeitet, desto länger hält er — ungefähr doppelt so lange je 10 °C weniger. Ihre Schätzleitfäden enden außerdem bei 15 Jahren.
In einem Umrichter steigt diese Temperatur mit drei Dingen: der Luft um den Umrichter, der Last (mehr Strom bedeutet mehr Rippel, der den Kondensator von innen erwärmt) und der Spannungsunsymmetrie des Netzes, die zusätzlichen Rippel durch den Zwischenkreis zwingt. Auch Stunden im Stillstand unter Spannung altern den Kondensator, nur langsamer.
Lüfter: das Fett in den Lagern
Was einen Lüfter meist beendet, ist das Fett in seinen Lagern. Lüfterhersteller geben die Lebensdauer als L10 an — die Stunden, nach denen einer von zehn Lüftern ausgefallen ist — und die Branchenregel lautet, dass die Fettlebensdauer je 15 °C mehr etwa um die Hälfte sinkt.
Das Fett altert nur, solange der Lüfter dreht; die Betriebsstunden zählen also so viel wie der Kalender. Staub verkürzt sie weiter; wie stark, regelt kein öffentliches Gesetz, daher ist dieser Effekt eine eigene Annahme von Wertek, die mit Felddaten korrigiert werden soll.
Was öffentlich ist und was von Wertek stammt
Die beiden Regeln oben — Wärme verkürzt die Lebensdauer von Kondensatoren und von Lüfterfett — sind öffentlich; die Quellen sind unten verlinkt.
Den Rest ergänzt Wertek mit eigenen Annahmen für einen typischen Industrieumrichter: wie viel wärmer die Luft im Umrichter ist als um ihn herum, wie stark Last und Netzunsymmetrie die Kondensatoren erwärmen, die typische Nennlebensdauer der Teile, wenn Sie keine eingeben, und wie stark Staub die Lebensdauer eines Lüfters verkürzt. Sie werden korrigiert, sobald Teiletausche erfasst werden. Wenn Sie Ihre Teile kennen, geben Sie deren Nennwerte in den erweiterten Feldern ein.
Quellen
Alle öffentlich. Die Seite nutzt die Regel, die jede Quelle beschreibt; die übrigen Annahmen stammen von Wertek.
- Nippon Chemi-Con — Lebensdauer von Aluminium-Elektrolytkondensatoren: Verdopplung je 10 °C, Erwärmung durch Rippelstrom, Obergrenze 15 Jahre.
- ebm-papst — L10-Formel für die mechanische Lebensdauer von Lüftern; Fettlebensdauer als übliche Grenze.
- RS DesignSpark — Warum die L10-Lebensdauer bei Lüftern zählt; Rechenbeispiel zur Halbierung der Fettlebensdauer je 15 °C.
- Power Monitors — Wie die Spannungsunsymmetrie des Netzes den Rippel im Zwischenkreis eines Umrichters erhöht.
- ABB — Capacitor reforming instructions (3BFE64059629 Rev H) — Anleitung zum Formieren der Kondensatoren für Umrichter mit Elektrolytkondensatoren im Zwischenkreis: wann formieren, Verfahren nach Zeit ohne Spannung, wie man das Herstelldatum aus der Seriennummer liest.
- Schneider Electric — FAQ FA337087 — Lagerzeit vor dem Formieren für Altivar-Process-Umrichter, nach Lagertemperatur.
- Nippon Chemi-Con — Technical note (§8 Storage) — Technischer Hinweis zur Lagerung von Aluminium-Elektrolytkondensatoren: warum der Leckstrom steigt und die Spannungsbehandlung, die das Dielektrikum neu formiert.
- KEB America — VFD storage and capacitor reforming — Lagerung und Formieren der Kondensatoren von Umrichtern: Grenzen nach Jahren ohne Spannung und als bewährte Praxis das Einschalten gelagerter Umrichter etwa alle sechs Monate.