Frequenzumrichter regeln Elektromotoren für die Lüftung, Fütterung etc. Nach jahrelangem Dienst sterben sie oft langsam und leise vor sich hin. Doch es gibt Gegenmaßnahmen.
Es begann mit einer verstopften Futterleitung. Zuerst vermutete unser Landwirt als Ursache einen veränderten Trockensubstanzgehalt der Kartoffelschlempe. Doch die Probleme häuften sich. Also wurde zuerst die Futterpumpe ins Visier genommen — und dann der Frequenzumrichter (FU). Letzterer regelte 14 Jahre lang problemlos die Drehzahl der Futterpumpe.
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Es begann mit einer verstopften Futterleitung. Zuerst vermutete unser Landwirt als Ursache einen veränderten Trockensubstanzgehalt der Kartoffelschlempe. Doch die Probleme häuften sich. Also wurde zuerst die Futterpumpe ins Visier genommen — und dann der Frequenzumrichter (FU). Letzterer regelte 14 Jahre lang problemlos die Drehzahl der Futterpumpe.
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Beim Check durch den herbeigerufenen Fachmann fiel auf, dass der Frequenzumrichter für die Futterpumpe im unteren Drehzahlbereich anstandslos arbeitete. Sobald aber für längere Zeit die volle Pumpenleistung erforderlich war, fiel die Leistung des Frequenzumrichters ab. Kurzerhand tauschte der Servicetechniker das Gerät, und mit einem Schlag war der Spuk der vergangenen Wochen vergessen.
Stufenlose Drehzahlregelung
Frequenzumrichter erlauben die stufenlose Drehzahlregulierung von Elektromotoren. Vor noch gut 40 Jahren war dies nur mit einem Trafo oder einer Phasenanschnittreglung möglich. Doch beide Techniken arbeiten energetisch betrachtet ineffizient. Auch fehlt es damit dem Motor im unteren Drehzahlbereich an Leistung.
Anders mit einem Frequenzumrichter: Fast analog zur reduzierten Drehzahl fällt mit diesem der Stromverbrauch niedriger aus. Gleichzeitig liegt bei niedrigen Drehzahlen immer das volle Drehmoment an — eine phänomenale Technik.
Trotz dieser technischen Errungenschaft kamen FU wegen ihrer höheren Anschaffungskosten in der Landwirtschaft kaum zum Einsatz. Das änderte sich Anfang der 2000er Jahre mit der Einführung von Energiesparlüftern. Zudem wurden FU leistungsfähiger und preiswerter. Und weil zuletzt auch der Strom der Netzversorger teuerer wurde, lohnte immer öfter die Investition in energiesparende Technik.
Elektronisch gesteuerte „Stromhackmaschine“
Um zu verstehen, wo bei einem Frequenzumrichter ein Defekt auftreten kann, hilft die einfache Erklärung des Konstruktionsprinzips: Ein Umrichter verwendet Wechselstrom, zerhackt diesen, setzt ihn wieder neu zusammen und gibt so am Ende wieder Wechselstrom aus.
Das erste Bauteil eines Frequenzumrichters ist der Gleichrichter, welcher Wechsel- in Gleichstrom wandelt. Der nachfolgende Zwischenkreis nimmt Laststöße auf und dient als Energiepuffer. Der geglättete Gleichstrom gelangt anschließend in den Wechselrichter. Dessen Arbeit wiederum beruht auf dem Einsatz von Halbleiterelementen. Halbleiter sind in der Lage, elektrische Energie zu leiten oder zu sperren. Das Leiten und Sperren erfolgen dabei im schnellen Wechsel in einer Frequenz von mehreren tausend Herz.
Der Halbleiter ist somit das Schlüsselelement eines Frequenzumrichters. Ebenfalls von Bedeutung ist der elektronische Steuerkreis, welcher letztendlich alle Baugruppen koordiniert und steuert.
Hitze, Staub und Feuchte
Anders als bei Stahl auf Eisen unterliegen Halbleiter und Leistungselektronik keinem mechanischen Verschleiß — wohl aber einer thermomechanischen Belastung. Halbleiter erreichen mitunter Betriebstemperaturen von über 100 °C. Hitzeempfindliches Lot kann dadurch Schaden nehmen. Das gilt vor allem für die Bereiche der sogenannten Bonddrähte, welche die elektrische Verbindung zwischen Chip und der umgebenden Trägerstruktur bilden.
Beim Erwärmen kommt es zudem zur Ausdehnung der übereinandergeschichteten Komponenten. Sie besitzen unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten, wodurch zerstörerische Scherkräfte einwirken. Je öfter, schneller und stärker diese auftreten, desto höher ist die thermomechanische Belastung.
Abgeleitet vom Verbrennungsmotor eines Autos gilt jedoch: Nicht die Summe an km allein macht den Unterschied, sondern die Häufigkeit und die Extreme von Kaltstarts. Hängt ein FU in einem extrem kalten Raum und ist dieser stets nur kurz in Aktion, belastet ihn dies oft mehr, als wenn er mit halber Last durchlaufen würde.
Oft lohnt das Reinigen
Hohe oder stark schwankende Temperaturen im Gerät zählen somit zu den Hauptursachen bei Schäden an Frequenzumrichtern. Ungünstige Auswirkungen auf die Lebensdauer haben im Stallbereich zudem eine hohe Luftfeuchtigkeit, Ammoniak und Staub. Das heißt: Ist die Futterküche häufiger nass und feucht, befindet sich regelmäßig Mehlstaub in der Raumluft und ist zudem die Luft ammoniakhaltig, sind eine Minderleistung bis hin zum frühen Totalausfall regelrecht vorprogrammiert.
Vorbeugen und reduzieren kann man ein Ausfallrisiko mit einer regelmäßigen Reinigung von Gerät und Kühlsystem. Gerade im Stall sitzen Filter, Gebläse und Kühlrippen gerne mit Spinnweben und einer dicken Staubschicht zu. Mit Blick auf die unter Netzspannung stehenden Geräte sollte das Reinigen aber einer Elektrofachkraft überlassen werden. Wie Erfahrungen zeigen, funktionieren nach einer ordentlichen Reinigung die Geräte oftmals wieder so gut, als wenn nie etwas gewesen wäre. Einen Versuch ist das Reinigen deshalb immer wert.
Besser gleich neu
Inzwischen gibt es sogar spezialisierte Unternehmen, welche eine professionelle Reinigung von Frequenzumrichtern anbieten. Diese wechseln dabei auch gleich Verschleißteile wie Kondensatoren oder das Leistungsteil. So können Totalausfälle vermieden werden, und gleichzeitig findet damit ein Frequenzumrichter wieder zurück zu seiner alten Form.
Selbst bei einfacher Technik wie bei diesem Kreistreiber findet sich eine Frequenzregelung.
(Bildquelle: Tovornik)
Einzelne Stallhersteller haben schon sehr früh — trotz höherer Kosten — Frequenzumrichter eingesetzt. Heute ist im Stall der Frequenzumrichter Standard.
(Bildquelle: Zäh)
Klingt gut, oder? Die Wahrheit jedoch ist: Das alte Gerät muss dafür abgebaut, durch ein Leihgerät ersetzt und verschickt werden. Nach Rücksendung des Geräts muss dann das Leihgerät wieder demontiert und das erneuerte Gerät wieder installiert werden. Allein dieses Hin und Her ist mit viel Zeit und Arbeit verbunden.
Hinzu kommen Reparatur- und Wartungskosten in der Werkstatt — sofern Ersatzteile verfügbar sind und der Frequenzumrichter überhaupt noch repariert werden kann. Bei einem Leistungsabfall oder bei einem Totalausfall des Geräts kann es damit oftmals günstiger und weniger nervenaufreibend sein, wenn man beim Hersteller der Lüftung oder Fütterung sofort einen neuen Frequenzumrichter bestellt.
Fazit
Frequenzumrichter (FU) erlauben auf effiziente Weise die Regulierung der Drehzahl von Elektromotoren. Leider verschleißen sie aber auch. Als Folge davon kommt es zwar nicht immer gleich zum Totalausfall, oft genug stirbt der FU aber einen eher langsamen, leisen Tod. Verschleißmindernd wirken konstante Temperaturen, eine saubere und trockene Raumluft sowie eine ordentliche Innenreinigung. Letzteres bewirkt oft Wunder.
Die von Spezialfirmen angebotene Revitalisierung von Frequenzumrichtern lohnt mit Blick auf in der Landwirtschaft übliche, im niedrigen Preis-Leistungssegment angesiedelte Geräte dagegen eher selten.
profi Assistenten
