Wenn ein VFD- oder Servoantrieb nicht betriebsbereit wird, unmittelbar nach dem Einschalten auslöst oder beim Start wiederholt Fehler meldet, richtet sich die Aufmerksamkeit häufig direkt auf den Motor.

In vielen Fällen ist der Motor jedoch noch nicht Teil des Problems.

Der Fehler kann sich schon wesentlich früher im Leistungspfad des Antriebs entwickeln.

Der Gleichrichter, die Zwischenkreiskondensatoren und die Vorladeschaltung arbeiten alle, bevor der Wechselrichter geregelte Leistung an den Motor liefern kann.

Das Verständnis dieser Eingangssequenz erleichtert die Interpretation vieler Anlauffehler erheblich.

Es hilft Technikern außerdem dabei, den Austausch teurer Antriebsmodule nicht allein aufgrund eines Fehlercodes vorzunehmen.

Abbildung 1. Vereinfachte Eingangssektion eines Industrieantriebs mit Gleichrichtung, Energiespeicherung im Gleichstromzwischenkreis und Wechselrichterstufe. Bild mit freundlicher Genehmigung von Wake Industrial.

Was der Gleichstromzwischenkreis tatsächlich bewirkt

Ein herkömmlicher AC-Antrieb enthält mehrere wichtige Leistungswandlungsstufen.

Der Eingangs-Gleichrichter wandelt die eingehende Wechselstromleistung in Gleichstrom um.

Der Gleichstromzwischenkreis, üblicherweise DC-Bus genannt, speichert und glättet diese Energie mithilfe einer Kondensatorbank.

Der Wechselrichter schaltet die Gleichstromversorgung anschließend elektronisch, um den für den Motor erforderlichen Ausgang mit variabler Frequenz und variabler Spannung zu erzeugen.

Bei einem typischen Drehstromantrieb ist die Zwischenkreisspannung deutlich höher als die Effektivspannung der eingangsseitigen Wechselspannung zwischen den Außenleitern.

Ein 480-VAC-System erzeugt üblicherweise einen geladenen Gleichstromzwischenkreis im Bereich von etwa 650–680 VDC.

Der genaue Wert hängt von der Eingangsspannung, der Topologie des Antriebs, der Last und anderen elektrischen Bedingungen ab.

Dieser Spannungspegel ist ein Grund dafür, dass dem Gleichstromzwischenkreis bei der Fehlersuche besondere Beachtung gebührt.

Der Zwischenkreis speichert beträchtliche elektrische Energie und kann auch nach dem Trennen der Eingangsspannung gefährlich bleiben.

Warum das Einschalten des Antriebs einen Einschaltstrom erzeugt

Die Zwischenkreiskondensatoren starten in einem entladenen oder teilweise entladenen Zustand.

Im ersten Moment der Einschaltung weisen sie eine sehr niedrige Ladeimpedanz auf.

Ohne Strombegrenzung würde der Gleichrichter versuchen, eine große Kondensatorbank nahezu sofort aufzuladen.

Der daraus resultierende Einschaltstrom könnte ein Vielfaches des normalen Betriebsstroms betragen.

Die Impedanz des Transformators, die Impedanz der Zuleitung, die Verkabelung und andere vorgeschaltete Komponenten sorgen für eine gewisse Begrenzung.

Normalerweise sind sie nicht dafür vorgesehen, als primärer Mechanismus zur Begrenzung des Einschaltstroms des Antriebs zu dienen.

Ein übermäßiger Ladestrom kann Gleichrichterkomponenten, Sicherungen, Leistungsschalter und Schaltgeräte belasten.

Wiederholtes Schalten hoher Ströme kann außerdem den Verschleiß elektrischer Kontakte beschleunigen.

Aus diesem Grund verwenden viele größere Antriebe eine separate Vorladeschaltung.

Die Vorladung steuert die ersten Sekunden des Starts

Das Grundkonzept der Vorladung ist einfach.

Anstatt die entladene Kondensatorbank direkt mit dem vollständigen Ladepfad zu verbinden, leitet der Antrieb den Strom zunächst durch einen Widerstand oder eine andere gesteuerte Ladeschaltung.

Dadurch wird der Strom begrenzt, während die Gleichstromzwischenkreisspannung ansteigt.

Abbildung 2. Eine typische Vorladesequenz begrenzt den anfänglichen Kondensatorstrom, bevor der normale Leistungspfad hergestellt wird. Bild mit freundlicher Genehmigung von Wake Industrial.

Während einer normalen Sequenz sollte die Zwischenkreisspannung innerhalb der durch das Antriebsdesign vorgegebenen Zeit auf ihren erwarteten Wert ansteigen.

Sobald der erforderliche Spannungsschwellenwert erreicht ist, überbrücken viele Antriebe den Vorladewiderstand mithilfe eines Relais oder Schützes.

Bei manchen Geräten können Techniker diesen Übergang als hörbares Klicken wahrnehmen.

Die genaue Ausführung variiert je nach Hersteller und Antriebsfamilie.

Bei einigen kleineren Antrieben sind diese Funktionen in die elektronische Schaltung integriert, anstatt einen offensichtlich externen Schütz zu verwenden.

Das Prinzip bleibt ähnlich: Zuerst wird das Laden der Kondensatoren gesteuert, anschließend der normale Leistungspfad hergestellt.

Wenn diese Sequenz nicht ordnungsgemäß abgeschlossen wird, kann der Antrieb in einem Ladezustand verbleiben, Unterspannung melden, eine Vorladezeitüberschreitung anzeigen oder schlicht nicht betriebsbereit werden.

Warum gelagerte Antriebe besondere Aufmerksamkeit verdienen

Gleichstromzwischenkreiskondensatoren sind in der Regel Elektrolytkondensatoren.

Längere Zeiträume ohne Spannung können den Zustand ihres internen Dielektrikums beeinträchtigen.

Aus diesem Grund veröffentlichen große Antriebshersteller Formierungsverfahren für Kondensatoren in Geräten, die über längere Zeit gelagert wurden.

Durch die Formierung werden die elektrischen Eigenschaften des Kondensators schrittweise wiederhergestellt, bevor der Normalbetrieb aufgenommen wird.

Die erforderliche Methode und das Lagerungsintervall hängen vom Antriebshersteller und der Produktfamilie ab.

Techniker sollten daher das jeweils geltende OEM-Verfahren befolgen, anstatt eine allgemeine Formierungsregel anzuwenden.

Diese Überlegung ist besonders wichtig bei der Inbetriebnahme lange gelagerter Ersatzantriebe oder veralteter Geräte aus dem Lagerbestand.

Der Gleichrichter ist das Tor zum Gleichstromzwischenkreis

Ein herkömmlicher Diodengleichrichter ist normalerweise eine der ersten wichtigen Halbleiterstufen, auf die die Eingangsspannung trifft.

Eine kurzgeschlossene Gleichrichterdiode oder -brücke kann einen schweren Fehler auf der Eingangsseite verursachen.

Ein mögliches Symptom ist das sofortige Auslösen einer Sicherung oder eines Leistungsschalters, sobald der Antrieb mit Spannung versorgt wird.

Dieses Symptom tritt jedoch nicht ausschließlich beim Gleichrichter auf.

Kurzgeschlossene Gleichstromzwischenkreiskomponenten, Überspannungsschutzgeräte oder andere Ausfälle von Leistungshalbleitern können ein ähnliches Verhalten verursachen.

Ein unterbrochener Gleichrichterpfad kann ein anderes Fehlerbild erzeugen.

Der Antrieb kann weiterhin Anzeichen einer Steuerspannungsversorgung zeigen, während der Gleichspannungszwischenkreis seine normale Spannung nicht erreicht oder aufrechterhält.

Eine fehlerhafte Gleichrichtung kann ebenfalls die Zwischenkreiswelligkeit und die Erwärmung der Bauteile erhöhen.

Aus diesem Grund sollte ein sofortiges Auslösen der Eingangssicherung als Hinweis auf ein erhebliches Problem in der Leistungsstufe betrachtet werden und nicht als Beweis dafür, dass ein bestimmtes Bauteil ausgefallen ist.

Gleichspannungszwischenkreiskondensatoren fallen mit zunehmendem Alter auf unterschiedliche Weise aus

Ein Kondensatorausfall bedeutet nicht immer einen dramatischen Berstvorgang.

Ein schwerwiegender interner Fehler kann den Gleichspannungszwischenkreis praktisch kurzschließen und ein sofortiges Auslösen der Schutzeinrichtung verursachen.

Eine allmähliche Verschlechterung ist subtiler.

Elektrolytkondensatoren können mit zunehmendem Alter an effektiver Kapazität verlieren und einen höheren äquivalenten Serienwiderstand entwickeln.

Der Antrieb kann weiterarbeiten, während sich seine Energiespeicherleistung zunehmend verschlechtert.

Zu den Symptomen können eine erhöhte Zwischenkreiswelligkeit, eine verringerte Stabilität unter Last, sporadische Unterspannungsereignisse oder ein ungewöhnliches Ladeverhalten gehören.

Temperatur, Betriebsstunden und elektrische Belastung beeinflussen allesamt die Lebensdauer von Kondensatoren.

Eine lange Lagerung bringt ein anderes Problem mit sich und sollte nicht automatisch als normale Betriebsabnutzung betrachtet werden.

Die Vorladeschaltung kann ausfallen, selbst wenn die Hauptleistungsstufe intakt ist

Ein Antrieb kann einen intakten Gleichrichter und eine intakte Kondensatorbank enthalten und dennoch beim Start ausfallen, weil der Ladevorgang nicht abgeschlossen werden kann.

Ein unterbrochener Vorladewiderstand kann den geregelten Ladepfad unterbrechen.

Ein beschädigtes Bypass-Relais oder ein beschädigter Schütz kann das Laden des Zwischenkreises ermöglichen, den Übergang des Antriebs in den Normalbetrieb jedoch verhindern.

Auch die Antriebsschaltung, die dieses Bauteil steuert, kann ausfallen.

Die Messung der Zwischenkreisspannung stellt einen weiteren möglichen Fehlerpunkt dar.

Wenn der tatsächliche Zwischenkreis die erforderliche Spannung erreicht, das Steuerungssystem dies jedoch nicht korrekt erkennt, kann sich der Antrieb so verhalten, als sei der Ladevorgang nie abgeschlossen worden.

Diese Unterscheidung ist bei der Fehlersuche hilfreich.

Ein niedriger Gleichspannungszwischenkreis und ein falsch gemeldeter Gleichspannungszwischenkreis sind unterschiedliche Probleme, auch wenn der daraus resultierende Anlauffehler ähnlich erscheint.

Sofortiges Auslösen beim Einschalten deutet auf einen schwerwiegenden Fehler im Eingangsbereich hin

Der Zeitpunkt des Fehlers ist einer der nützlichsten diagnostischen Hinweise.

Wenn die Eingangssicherung unmittelbar nach dem Einschalten auslöst, blieb kaum Zeit für den normalen Betriebsbeginn des Antriebs.

Die Aufmerksamkeit sollte sich daher zunächst auf die eingangsseitige Leistungsstufe und den Gleichspannungszwischenkreis richten.

Mögliche Ursachen sind ein kurzgeschlossener Gleichrichter, ein kurzgeschlossener Zwischenkreiskondensator, ein ausgefallenes Entstörbauteil oder ein weiterer Kurzschluss im Leistungsteil des Antriebs.

Ein nachgeschalteter Wechselrichterfehler kann bei manchen Ausführungen ebenfalls den Gleichspannungszwischenkreis beeinflussen.

Der entscheidende Punkt ist der Zeitpunkt.

Eine sofortige Abschaltung deutet auf eine andere Fehlerkategorie hin als ein Antrieb, der normal lädt und erst nach Erhalt eines Startbefehls ausfällt.

Ein Antrieb, der im Vorladezustand bleibt, erzählt eine andere Geschichte

Ein weiteres häufiges Symptom ist ein Antrieb, der sein Display oder seine Steuerelektronik mit Strom versorgt, aber nie den Bereitschaftszustand erreicht.

Dies deutet häufig eher auf die Ladefolge als auf einen unmittelbaren harten Kurzschluss hin.

Wenn die Busspannung nur teilweise ansteigt, muss der Techniker möglicherweise den Vorladepfad, eine übermäßige Leckage des Gleichspannungszwischenkreises oder eine ungewöhnliche Last am Bus in Betracht ziehen.

Wenn sich der Bus seiner erwarteten Spannung nähert, der Antrieb aber nie vom Ladezustand in den Normalbetrieb wechselt, kann sich die Aufmerksamkeit auf das Bypass-Gerät, dessen Ansteuerschaltung oder die Spannungserfassung richten.

Diese Unterscheidungen sind hilfreicher, als Teile ausschließlich aufgrund eines allgemeinen Startfehlers auszutauschen.

Unterspannung beim Start kann außerhalb des Antriebs verursacht werden

Nicht jeder Unterspannungsfehler am Gleichspannungsbus bedeutet, dass der Antrieb selbst ausgefallen ist.

Die ankommende Versorgung sollte überprüft werden, bevor der Antrieb als defekt eingestuft wird.

Eine fehlende Phase, ein erhebliches Phasenungleichgewicht oder eine schwache Quelle können das normale Aufladen des Gleichspannungsbusses beeinträchtigen.

Lange Zuleitungen und eine zu klein dimensionierte vorgelagerte Infrastruktur können während des Ladevorgangs ebenfalls einen Spannungsabfall verursachen.

Generatorgespeiste Systeme verdienen besondere Aufmerksamkeit, da sich Quellenimpedanz und Einschwingverhalten erheblich von einer starren Netzversorgung unterscheiden können.

Wenn die Netzspannung während des Aufladens der Kondensatoren zusammenbricht, kann der Antrieb korrekt einen Unterspannungszustand melden, obwohl seine interne Leistungsstufe intakt ist.

Das ist ein Grund, warum erfahrene Antriebstechniker alle drei ankommenden Außenleiterspannungen miteinander vergleichen, bevor sie aus einem Gleichspannungsbusfehler Schlussfolgerungen ziehen.

Überspannung beim Start ist seltener, aber möglich

Überspannung wird häufiger mit der Energierückspeisung des Motors während der Verzögerung in Verbindung gebracht.

Allerdings können auch beim Start Überspannungszustände auftreten.

Eine zu hohe ankommende Netzspannung ist eine naheliegende Möglichkeit.

Gemeinsame Gleichspannungsbus-Architekturen bringen eine weitere Variable hinzu, da mehrere Wechselrichter oder Versorgungseinheiten über die gemeinsame Verbindung miteinander interagieren können.

Rückspeisefähige Einspeiseeinheiten und Mehrachssysteme können die Beziehung zwischen Netzspannung und der lokalen Zwischenkreisspannung des Wechselrichters komplexer machen.

Die Fehlersuche in diesen Systemen erfordert ein Verständnis der gesamten Gleichspannungsbus-Architektur, anstatt einen einzelnen Antrieb isoliert zu bewerten.

Das ist besonders in größeren Antriebs- und Motion-Control-Systemen relevant, in denen sich mehrere Achsen die Stromversorgungsinfrastruktur teilen können.

Die Ladekurve kann aufdecken, was der Fehlercode nicht verrät

Fehlercodes geben eine nützliche Orientierung, doch das Verhalten des Zwischenkreises während des Starts kann zusätzlichen Kontext liefern.

Ein gesundes System sollte normalerweise einen geordneten Anstieg zur vorgesehenen Zwischenkreisspannung zeigen.

Ein sofortiger Spannungseinbruch weist auf ein anderes Problem hin als eine langsame, unvollständige Aufladung.

Ein Zwischenkreis, der ungefähr die normale Spannung erreicht, aber nie den Bereitschaftszustand einnimmt, deutet auf eine weitere Fehlerkategorie hin.

Deshalb denken Techniker häufig in Abläufen statt in isolierten Spannungsmessungen.

Löste der Antrieb sofort eine Störung aus?

Begann sich der Gleichspannungszwischenkreis aufzuladen?

Wurde der erwartete Bereich erreicht?

Hat die Vorladestufe den Übergang vollzogen?

Trat der Fehler vor oder nach dem Startbefehl auf?

Diese Fragen schränken die Zahl der wahrscheinlichen Teilsysteme schrittweise ein.

Messen Sie die AC-Versorgung, bevor Sie den Antrieb als fehlerhaft einstufen

Einer der einfachsten Fehler bei der Fehlersuche besteht darin, anzunehmen, dass die Drehstromversorgung korrekt ist, weil Spannung vorhanden ist.

Die drei Messungen zwischen den Außenleitern sollten verglichen werden.

Eine fehlende Phase oder ein erhebliches Ungleichgewicht kann verwirrende Symptome verursachen.

Die Eingangsspannung sollte nach Möglichkeit und im Rahmen der Anlagenverfahren auch während des eigentlichen Ladevorgangs berücksichtigt werden.

Eine Versorgung, die bei geringer Last akzeptabel erscheint, kann sich anders verhalten, wenn sich die Zwischenkreiskondensatoren aufzuladen beginnen.

Für Anlagen, in denen mehrere VFD- und AC-Drive-Plattformen gewartet werden, kann die Dokumentation des normalen Startverhaltens künftige Vergleiche deutlich erleichtern.

Messungen am Gleichspannungszwischenkreis erfordern strikte Hochspannungssicherheitsmaßnahmen

Der Gleichspannungszwischenkreis gehört zu den gefährlichsten Punkten in einem industriellen Antrieb.

Er kann mehrere hundert Volt Gleichspannung führen und Energie speichern, nachdem die Eingangsspannung abgeschaltet wurde.

Eine ausgeschaltete Anzeige ist kein Beweis dafür, dass der Gleichspannungszwischenkreis entladen ist.

Die Entladezeiten und Sicherheitshinweise des OEM müssen befolgt werden.

Verfahren zur Freischaltung und Kennzeichnung bleiben, sofern anwendbar, verpflichtend.

Die Spannungsfreiheit ist mit geeigneten, entsprechend bemessenen Geräten und nach etablierten elektrischen Sicherheitsverfahren zu überprüfen.

Messungen am unter Spannung stehenden Gleichspannungszwischenkreis dürfen nur von dafür geschultem und autorisiertem Personal durchgeführt werden.

Techniker sollten außerdem bedenken, dass Messgerätekategorie, Spannungsnennwert, Messleitungen und Messmethode bei diesen Energiepegeln eine Rolle spielen.

Widerstandsprüfungen im spannungslosen Zustand liefern Hinweise, aber keine endgültigen Antworten

Nachdem der Antrieb sicher freigeschaltet und überprüft wurde, dass der Gleichspannungszwischenkreis entladen ist, können Widerstandsmessungen dabei helfen, einen offensichtlichen Kurzschluss zu erkennen.

Messungen zwischen DC+ und DC− müssen jedoch interpretiert werden.

Kondensatoren können sich über das Messgerät selbst aufladen, wodurch sich der angezeigte Widerstand verändert.

Interne Halbleiterpfade und Hilfsschaltungen können den Messwert ebenfalls beeinflussen.

Ein sich ändernder Widerstandswert ist daher kein allgemeingültiger Bestanden-oder-nicht-bestanden-Test für Kondensatoren.

Die Testverfahren des Originalgeräteherstellers sollten Vorrang haben, wenn detaillierte Prüfungen des Leistungsteils erforderlich sind.

Abbildung 3. Bei der Fehlersuche am Antrieb sollte das beobachtete Symptom mit dem richtigen Leistungsteil-Subsystem verknüpft werden, bevor Komponenten ausgetauscht werden. Bild mit freundlicher Genehmigung von Adobe Stock.

Der Zeitpunkt des Symptoms ist oft der schnellste Diagnosefilter

Eine praxisnahe Fehlersuchstrategie beginnt damit, genau den Zeitpunkt des Auftretens des Fehlers zu bestimmen.

Eine sofortige Abschaltung beim Einschalten macht einen schwerwiegenden elektrischen Fehler im Eingangsbereich wahrscheinlicher.

Ein Antrieb, der mit dem Laden beginnt, aber nie betriebsbereit wird, deutet eher auf den Abschluss der Vorladung, die Zwischenkreiserfassung oder verwandte Steuerungsfunktionen hin.

Ein Unterspannungsfehler während des Ladevorgangs sollte eine Prüfung sowohl der Eingangsspannungsversorgung als auch des internen Ladepfads auslösen.

Ein Antrieb, der die normale Zwischenkreisspannung erreicht und erst nach Erhalt eines Startbefehls ausfällt, gehört zu einem anderen Fehlersuchzweig.

Ab diesem Punkt werden Wechselrichterausgang, Motorkabel, Motorzustand und Lastverhalten relevanter.

Dieser sequenzbasierte Ansatz verhindert, dass die Untersuchung wahllos zwischen nicht zusammenhängenden Komponenten springt.

Die ersten Sekunden erzählen einen großen Teil der Geschichte

Der Gleichspannungszwischenkreis ist im Wesentlichen ein Energiespeicher zwischen dem Gleichrichter und dem Wechselrichter des Antriebs.

Sein Verhalten während des Starts ist vorhersehbar, da der Antrieb eine definierte elektrische Sequenz durchlaufen muss, bevor die normale Motorsteuerung beginnen kann.

Der eingehende Wechselstrom wird gleichgerichtet.

Die Kondensatorbank wird über einen kontrollierten Pfad geladen.

Der Zwischenkreis nähert sich seiner Betriebsspannung.

Die Vorladephase wechselt in den normalen Leistungspfad.

Das Steuerungssystem bestätigt die erforderlichen Bedingungen und versetzt den Antrieb in den Bereitschaftszustand.

Wenn der Start fehlschlägt, ist es oft wertvoller, festzustellen, an welcher Stelle diese Sequenz angehalten wurde, als allein die abschließende Fehlermeldung zu lesen.

Harte Kurzschlüsse, eine unvollständige Vorladung, gealterte Kondensatoren, Probleme bei der Zwischenkreisspannungserfassung und ein Spannungseinbruch auf der Anlagenseite erzeugen unterschiedliche Muster.

Das Verständnis dieser Muster macht aus der Fehlersuche am Gleichspannungszwischenkreis eine strukturierte Diagnose statt eines Austauschs von Komponenten auf Verdacht.

Für Techniker, die mit industriellen Frequenzumrichtern und Servosystemen arbeiten, ist der aufschlussreichste Zeitraum möglicherweise der kürzeste: die ersten Sekunden nach dem Einschalten.