ASP1 Inbetriebnahme eines Frequenzumrichters 12/2010 1

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ASP1 Inbetriebnahme eines Frequenzumrichters 12/2010 1
Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
Fakultät Technik und Informatik
Department Informations- und Elektrotechnik
Studiengruppe: A-M1
Eingegangen am:
Übungstag:
Labor für elektrische Antriebe
und Leistungselektronik
Protokollführer:
Weitere Teilnehmer:
Professor:
Prof. Dr.-Ing. M. Röther
ASP1
1
Inbetriebnahme eines Frequenzumrichters
12/2010
Einleitung
In diesem Laborversuch wird ein Frequenzumrichter der Baureihe MICROMASTER 420
der Siemens AG für die Drehzahlsteuerung eines Drehstrommotors als Einzelantrieb in
Betrieb genommen.
Dieser Umrichter ist mit Mikroprozessorsteuerung ausgestattet und weist modernste IGBTTechnologie auf (Insulated Gate Bipolar Transistor). Ein spezielles Pulsweitenmodulationsverfahren mit wählbarer Pulsfrequenz ermöglicht einen geräuscharmen Motorbetrieb.
Umfangreiche Schutzfunktionen bieten einen hervorragenden Schutz für Umrichter und
Motor. Über die funktional gruppierten Parameter kann der MICROMASTER 420 auch an
anspruchsvolle Anwendungen angepasst werden.
Für die Bedienung und Beobachtung der Soll- und Istwerte stehen ein externes Steuerpult,
ein auf den Frequenzumrichter aufgestecktes Bedienpanel und eine PC-Software zur
Verfügung.
Ziele dieses Laborversuchs sind:
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Kennenlernen der Eigenschaften eines Frequenzumrichters
Kenntnisse über die Installation eines Frequenzumrichters erwerben
Parametrierung des Frequenzumrichters für eine Schnellinbetriebnahme
Umgang mit Steuersignalen und detaillierten Zustandsinformationen sowie
integrierten Meldefunktionen
Kenntnisse über die PROFIBUS-Kommunikation und Bedienung eines Basic
Operator Panels (BOP) sowie die Handhabung eines Inbetriebnahme- (IBN-) Softwaretools erlernen
Einstellen des Frequenzumrichters für einen Grundbetrieb mit Hoch- und Rücklaufzeiten und programmierbarer Glättung, Schlupfkompensation und Spannungsanhebung.
Die Inbetriebnahme wird mit Hilfe des Basic Operation Panels und der IBN-Software
STARTER durchgeführt. Zuvor sollten Sie sich einen Überblick über die Funktionsweise
des Frequenzumrichters mit Hilfe der Betriebsanleitung zum MICROMASTER 420
verschaffen. Im Verlauf des Versuches benötigen Sie genaue Informationen über die
Hardware und Parametrierung des Antriebs.
Vor dem Versuchsbeginn werden Sie vom betreuenden Professor bzw. vom wissenschaftlichen Mitarbeiter in den Versuchsaufbau eingewiesen.
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Labor für elektrische Antriebe
und Leistungselektronik
Installation des Frequenzumrichters
Die elektrische Installation des Umrichters ist von Ihnen nicht gefordert. Sie müssen
lediglich die fertig montierte Einheit an die Netzeinspeisung und den Motor an den
Frequenzumrichter anschließen.
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Skizzieren Sie den Installationsaufbau und beschreiben Sie die hauptsächlichen
Hardwarekomponenten einer Frequenzumrichter-Motor-Einheit.
Ist der verwendete Frequenzumrichter rückspeisefähig?
Beschreiben Sie die Möglichkeiten für eine Motorbremsung.
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Vorbereiten des MICROMASTERs 420
3.1
Zwischenkreis formieren
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3.2
Entnehmen Sie der Betriebsanleitung, nach welcher Standzeit die Zwischenkreiskondensatoren formiert werden müssen und wie dieser Vorgang durchzuführen ist.
Begründen Sie, warum die Kondensatoren nach einer bestimmten Standzeit
formiert werden müssen.
Betriebsspannung einschalten
Der Umrichter besitzt keinen integrierten Netz-Hauptschalter und führt Spannung, sobald
die Netzspannung angeschlossen ist. Er wartet bei gesperrtem Ausgang bis die STARTTaste gedrückt wird oder bis ein digitales EIN-Signal an Klemme 5 ansteht. Wird ein BOP
eingesetzt und die Anzeige der Ausgangsfrequenz gewählt (P0005 = 21), dann wird der
entsprechende Sollwert in Abständen von etwa einer Sekunde bei betriebsbereitem
Umrichter angezeigt. Der Umrichter wird im Werk für Standardanwendungen mit 4-poligen
Siemens-Standardmotoren programmiert, die die gleiche Nennleistung haben wie die
Umrichter. Bei Verwendung anderer Motoren müssen deren Daten vom Motor-Typenschild
eingegeben werden.
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Nehmen Sie die Daten der Drehstromasynchronmaschine vom Typenschild auf.
Nehmen Sie die Daten des Frequenzumrichters vom Typenschild auf.
Wurde der Frequenzumrichter passend zum Motor ausgewählt?
Bestimmen Sie die Ständerwiderstände des Motors durch manuelle Messung.
Schalten Sie die Spannungsversorgung ein.
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3.3
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und Leistungselektronik
Werkseinstellung
Da Sie nicht wissen, wie der MICROMASTER 420 durch einen Vorbenutzer programmiert
ist, sollten immer zuerst die Werkseinstellungen geladen werden. Zum Laden der
Werkseinstellungen muss zuerst der Parameter P0010 = 30 und dann der Parameter
P0970 = 1 gesetzt werden. Der Rücksetzprozess kann bis zu 3 Minuten dauern.
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Schalten Sie mit der P-Taste am BOP auf die Parameterebene um.
Wählen Sie mit den Tasten Δ bzw. ∇ die Parameter-Nr. an.
Schalten Sie mit der P-Taste zur Eingabeebene um.
Geben Sie mit den Tasten Δ bzw. ∇ den Parameterwert ein.
Bestätigen Sie die Eingabe mit der P-Taste.
(Eine detaillierte Bedienungsanweisung zum Basic Operator Panel (BOP) finden Sie im
Anhang).
3.4
Motordaten eingeben
Durch das Laden der Werkseinstellungen ist der Umrichter für Standardanwendungen mit
4-poligen Norm-Motoren von Siemens programmiert. Bei Verwendung des im Labor
vorhandenen Motors müssen Sie vor dem ersten Start die Daten vom Typenschild des
Motors in die Parameter P0304 bis P0311 eingegeben. Nehmen Sie den Motor nicht mit
der Werkeinstellung des MICROMASTERs 420 in Betrieb! Prüfen Sie, ob alle Kabel
ordnungsgemäß angeschlossen sind und ob die Motorwelle gefahrlos in Betrieb gesetzt
werden kann.
Kontrollieren Sie den Parameter P0003. Dieser sollte auf 1 stehen. Damit haben Sie
Zugriff auf die am häufigsten verwendeten Parameter. Parameter P0003 legt die Stufe für
den Parameterzugriff fest. Für die meisten einfachen Anwendungen ist die Voreinstellung
P0003 = 1 (Standard) ausreichend. Das Ändern von Motorparametern ist nur bei
P0004 = 0 oder 3 und P0010 = 1 möglich. Um den Motor zu starten, muss P0010 auf 0
zurückgesetzt werden.
Vorgehensweise:
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Informieren Sie sich über die Parameter
P0003, P0004 und P0010 sowie P0304 bis
P0307 und P0310 bis P0311, die in der
Parameterliste im Anhang beschrieben sind.
Geben Sie die Motordaten in die zugehörigen
Parameter ein. (Das Bild rechts zeigt nur
Beispielwerte. Geben Sie die richtigen, zum
Motor zugehörigen Werte ein.)
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3.5
Labor für elektrische Antriebe
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Funktionstest
Nach Eingabe der Motorparameter kann ein erster Funktionstest mit Hilfe des Steuerpults
durchgeführt werde. Beachten Sie aber, dass noch nicht alle relevanten Parameter zum
dauerhaften Betreiben des Antriebs festgelegt wurden.
Vorgehensweise:
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3.6
Schalten Sie den Hauptschalter des SIMOREG Stromrichters und die Spannungsversorgung für die Elektronik ein, um die Haltebremse der Gleichstrommaschine zu
lösen.
Die Anzeige (Parameter r0000) wechselt zwischen den durch den Analogeingang
vorgegebenen Frequenzsollwert und der Ausgangsfrequenz.
Stellen Sie das Potentiometer am Steuerpult für den Hauptsollwert am AnalogEingang ADC (Klemme 3 und 4) auf 0 Skalenteile, um einen unbeabsichtigten
Hochlauf zu vermeiden.
Schalten Sie den EIN/AUS-Schalter für den Digital-Input DIN1 (Klemme 5) am
Steuerpult ein. Beobachten Sie ob die Motorwelle anläuft.
Erhöhen Sie mit dem Potentiometer den Hauptsollwert. Was können Sie in der
Anzeige des BOP ablesen?
Kontrollieren Sie, ob der Motor in der gewünschten Richtung dreht.
Testen Sie, ob ein Drehrichtungswechsel mit dem entsprechenden Schalter für
DIN2 (Klemme 6) möglich ist.
Schalten Sie den Antrieb wieder aus. Der Anzeigewert verringert sich auf 0.00 und
der Motor stoppt.
Schnellinbetriebnahme mit Motordatenidentifikation
Wenn die nachfolgende Schnellinbetriebnahme durchgeführt wird, werden Sie
automatisch zur Eingabe der benötigten Motordaten aufgefordert. Zur Bestimmung der
Ständerwiderstände kann der Umrichter eine Motordatenidentifikation durchführen. Diese
wird mit dem Parameter P1910 aktiviert. Die Schnellinbetriebnahme muss mit dem
Parameter P3900 abgeschlossen werden, da sonst kein Zugriff auf die anderen Parameter
möglich ist. Der Parameter P0010 wird dabei auf 0 zurückgesetzt. Beachten Sie vor der
Durchführung das Flussdiagramm und die Erläuterungen zu den Parametern im Anhang
bzw. in der Betriebsanleitung.
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Führen Sie wie im Flussdiagramm gezeigt die Schnellinbetriebnahme durch.
Vergleichen Sie die Angabe der Ständerwiderstände des Parameters P0350 mit
den Werten aus Ihrer Messung aus Aufgabenpunkt 3.2.
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Profibuskommunikation und IBN-Softwaretool STARTER
Das IBN-Softwaretool Starter hat verschiedene Möglichkeiten, mit dem Umrichter zu
kommunizieren. In diesem Laborversuch soll der Datenaustausch mit einem ProfibusKommunikationsmodul bewerkstelligt werden. Das Modul am Umrichter sowie der
Kommunikationsprozessor CP5611 im PC sind bereits installiert. (Eine Kurzanleitung der
Bedienungsoberfläche des Programms STARTER finden Sie in der Online-Hilfe).
•
•
Stellen Sie über das BOP eine geeignete Profibusadresse über P0918 ein.
Stellen Sie die PG/PC-Schnittstelle im STARTER unter „Extras“ ein und prüfen Sie
über die Diagnosefunktion, ob Sie den MICROMASTER 420 als Teilnehmer erreichen können.
•
Legen Sie ein neues Projekt im STARTER an.
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•
Fügen Sie ein Antriebsgerät MICROMASTER 420 (Version entsprechend
Parameter r0018) ein und vergeben die Profibusadresse.
•
Stellen Sie eine Online-Verbindung über „Zielsystem“ – „Zielgerät wählen“ zum
MICROMASTER 420 her. In der Statuszeile sollte nun „Online-Modus“ stehen.
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•
Mit „Zielsystem“ – „Laden“ – „Projekt ins PG“ laden Sie die Antriebskonfiguration,
die Sie unter „Schnellinbetriebnahme“ durchgeführt haben, in das STARTERProjekt.
(Laden Sie nicht das STARTER-Projekt in den Antrieb (Zielsystem), da Sie dann die
vorangegangenen Schritte rückgängig machen.)
•
Überprüfen Sie die geladenen Parameter, indem Sie die Antriebskonfiguration
anzeigen lassen, und speichern das Projekt ab.
•
Beachten Sie für alle nachfolgenden Aufgaben mit dem STARTER, dass der
Statuszyklus aktiviert ist, da sonst die Parameter in der Software nicht aktualisiert
werden.
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Mit Hilfe der Steuertafel können Sie nun den Antrieb bedienen und testen.
Testen Sie die Funktionen der Steuertafel wie folgt:
• „Steuerhoheit holen!“ aktivieren
• „Freigaben“ aktivieren
• „Antrieb ein“ aktivieren
• Frequenzsollwert fSoll vorgeben. Der Motor sollte nun drehen. Mit dem Schieberegler können Sie den vorgegebenen Frequenzsollwert Wert ändern.
• Zur Bedienung mit dem Steuerpult müssen Sie die Steuerhoheit wieder abgeben.
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Die Steuertafel ist nur zur Inbetriebnahme des Antriebs vorgesehen. Die eigentliche
Bedienung soll über das externe Steuerpult realisiert werden. Hierfür bietet der „Drive
Navigator“ die Möglichkeit einer grafisch unterstützten Bedienerführung.
Eine weitere Möglichkeit ist die Parametrierung mit Hilfe der Expertenliste, die im
Projektbaum unter „MICROMASTER_420“ – „Experte“ – „Expertenliste“ zu öffnen ist. Hier
können Sie alle verfügbaren Parameter lesen und ändern. Das Anlegen von „Anwenderdefinierten Listen“ erleichtert die Übersicht.
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Machen Sie sich mit den Darstellungsmöglichkeiten des Drive Navigators und der
Expertenliste vertraut und vergleichen Sie die Parameterdarstellungen. Alle nachfolgenden
Parametrierungen werden über den STARTER eingestellt.
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Öffnen Sie den Drive Navigator
Wo finden Sie im Drive Navigator die Parametrierung für die Klemmenbelegung.
Wo stellen Sie im Drive Navigator die Auswahl des Sollwerts ein.
Auf welchem Parameter liegt der Hauptsollwert bei Verwendung des Steuerpults
und des analogen Eingangs.
Über welchen Parameter wird der digitale Eingang der Drehrichtungsumkehr
gesteuert?
Welche Parameterbereiche sind für die Konfiguration des Hochlaufgebers (HLG)
vorhanden.
Welche Funktionen bietet der Hochlaufgeber und für welchen Anwendungsfall ist
sein Einsatz sinnvoll?
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Einstellungen des Grundbetriebes des MICROMASTERs 420
5.1
Anlauf- und Bremsverhalten des Motors verändern
Nachfolgend werden die Eigenschaften des Hochlaufgebers untersucht.
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Der Frequenzsollwert soll über das Potentiometer des Steuerpults auf 25 Hz
eingestellt werden. Hierzu ist die Auswahl des Frequenzsollwertes (P1000) auf
„Analogsollwert“ einzustellen. Der Parameter P917 wird auf 0 gesetzt!
•
Mit dem digitalen Eingang DIN1 soll der Einschaltbefehl gesetzt werden. Über den
digitalen Eingang DIN2 soll ein Reversieren ermöglicht werden.
Verändern Sie die Parameter des MICROMASTERs 420 Hochlaufgebers so, dass
die Hochlaufzeit auf max. 50 Hz 18 s beträgt. Die Rücklaufzeit von 50 Hz auf 0 Hz
soll 12 s betragen. Der Hochlauf und der Rücklauf soll beim Beschleunigen und
Verzögern des Motors mit einer Verrundungszeit von je 3 s erfolgen.
Parametrieren Sie den Analogausgang DAC in der Art, dass Sie an der BNCBuchse des Steuerpults den Frequenzsollwert messen können.
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Der Drehzahlistwert nIst steht am Analogausgang 2 des SIMOREG Gleichstromrichters zur Verfügung.
Dokumentieren Sie die Parametereinstellungen und zeichnen Sie die Drehzahlkurve n = f(t) und den Frequenzsollwert fSoll = f(t) mit Hilfe eines Oszilloskops auf.
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5.2
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Steuerung des Umrichters über die digitalen Eingänge (Festfrequenzen)
Die Parameter des MICROMASTERs 420 sollen so angepasst werden, dass der Motor
über die digitalen Eingänge DIN1 bis DIN3 mit Hilfe des Steuerpults mit Festfrequenzen
gesteuert werden kann.
•
Die Auswahl des Frequenzsollwertes muss auf „Festfrequenz“ eingestellt werden
•
Auf DIN1 soll der Einschaltbefehl und gleichzeitig die Festfrequenz 1 mit 25 Hz
eingestellt werden. Über die digitalen Eingänge DIN2 und DIN3 werden die jeweiligen Festfrequenzen 2 und 3 zugeschaltet. DIN2 = 15 Hz, DIN3 = 10 Hz. Werden
mehrere Eingänge geschaltet, summiert sich der Frequenzsollwert.
•
Die Hochlaufzeit soll bei max. 50Hz 0,5 s betragen. Die Rücklaufzeit beträgt 1 s.
Eine Verrundungszeit ist nicht gefordert.
Dokumentieren Sie die Parametereinstellungen und zeichnen Sie die Drehzahlkurve n = f(t) und den Frequenzsollwert fSoll = f(t) mit Hilfe eines Oszilloskops auf.
•
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5.3
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Drehzahlsteuerung über „Motorpotentiometer“ MOP
Der Motor soll wieder über das Steuerpult einstellbar sein, die Drehzahlvorgabe wird mit
der MOP-Funktion (Motorpotentiometer) realisiert.
•
Die Auswahl des Frequenzsollwertes wird auf „Motorpotentiometersollwert“
eingestellt.
•
Parametrieren Sie die Steuerung so, dass über den digitalen Eingang DIN1 der Einund Ausschaltbefehl gegeben wird und über DIN2 und 3 das Motorpotentiometer für
den Befehl „Drehzahl erhöhen“ und „Drehzahl verkleinern“ erreicht wird. Die Startfrequenz soll f = 0 Hz betragen. Ein Reversierbetrieb ist erlaubt.
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5.4
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Schlupfkompensation
In diesem Versuchsteil soll die am Frequenzumrichter betriebene Drehstromasynchronmaschine mit der angekoppelten Gleichstrommaschine belastet werden. Hierzu ist die
Steuerung der Gleichstrommaschine über den SIMOREG-Stromrichter nötig. Lassen Sie
sich vor Beginn die Bedienung des Stromrichters erklären.
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5.5
Berechnen Sie das Nenndrehmoment MN der Asynchronmaschine (ASM).
Berechnen Sie den Nennschlupf sN der ASM.
Die Bedienung des MICROMASTERs 420 wird wieder über die Schalter und
Potentiometer des Steuerpults realisiert. Die Hoch- und Rücklaufzeit beträgt ohne
Verrundung 1 s.
Stellen Sie die Drehzahl nIst = 1000 min-1 ein.
Nehmen Sie für nMotor, fUmrichter, U und I 5 Messwerte im Bereich 0 ≤ MLast ≤ MN ohne
Schlupfkompensation auf.
Nehmen Sie für nMotor, fUmrichter, U und I 5 Messwerte im Bereich 0 ≤ MLast ≤ MN mit
Schlupfkompensation auf.
Vergleichen Sie die Messwerte aus den beiden Messreihen und erklären Sie das
Verhalten des Antriebs in wissenschaftlicher Form.
Spannungsanhebung
Die Funktion „Spannungsanhebung“ soll untersucht werden. Hierbei ist zu beachten, dass
der Betriebsmodus „U/f mit Lineareigenschaften“ auszuwählen ist und im „Boostmodus“ zu
Beginn alle Werte auf null gesetzt werden.
•
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6
Die Hoch- und Rücklaufzeit beträgt ohne Verrundung 5 s.
Das Belastungsdrehmoment soll MLast = 15 Nm betragen.
Nehmen Sie die Drehzahlanlaufkurve n = f(t) bis zu einer Drehzahl n = 500 min-1
ohne Spannungsanhebung auf.
Nehmen Sie die Drehzahlanlaufkurve n = f(t) bis zu einer Drehzahl n = 500 min-1 mit
Spannungsanhebung auf. Wählen Sie einen geeigneten Anhebungswert VBoost aus.
Vergleichen Sie beide Anlaufkurven und beschreiben Sie die Wirkungsweise der
Spannungsanhebung in wissenschaftlicher Form.
Erhöhen Sie das Belastungsdrehmoment auf MLast = 20 Nm und wiederholen Sie
die Messreihen. Was fällt Ihnen auf?
Verbesserungen
Der Laborversuch ASP1 wird in diesem Semester zum ersten Mal durchgeführt. Bitte
weisen Sie uns während der Versuchsdurchführung und in Ihrem Protokoll auf
Schwachpunkte hin und machen Sie Verbesserungsvorschläge. Herzlichen Dank!
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Literatur
•
Betriebsanleitung MICROMASTER 420 (Download auf der Webpage des Labors).
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Anhang
8.1
Standardbedienfeld BOP
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8.1.1 Allgemeine Beschreibung
Mit dem Basic Operator Panel (BOP) können Parameterwerte geändert werden. Das BOP enthält eine fünfstellige
Sieben-Segment-Anzeige, auf der Parameternummern und
-werte, Alarm- und Störmeldungen sowie Soll- und Istwerte
dargestellt werden. Die Speicherung der Parameterinformationen ist mit dem BOP nicht möglich.
ACHTUNG
In der Werkseinstellung erfolgen Ein/Aus, Drehzahlregelung, Drehrichtungsumkehr und Drehzahlsollwertvorgabe
über die Steuerklemmen. Um diese Funktionen über das
BOP zu steuern, müssen P0700 und P1000 entsprechend
eingestellt werden (siehe auch Parameterliste).
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8.1.2 Parameter mit dem BOP ändern
Im Folgenden wird beschrieben, wie Sie den Wert von Parameter P0004 ändern. Das
Ändern des Werts eines indizierten Parameters wird am Beispiel von P0719 gezeigt.
Gehen Sie bei den übrigen Parametern, die Sie über das BOP einstellen möchten, auf
exakt dieselbe Weise vor.
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Zur schnellen Änderung des Parameterwerts können die einzelnen Ziffern der Anzeige auf
folgende Weise verstellt werden:
Die Funktionstaste kann auch zum Quittieren eines Störungszustandes verwendet
werden.
8.1.3 Sicherheitsvorkehrungen und Warnungen
Vor der Installation und Inbetriebnahme sind die Sicherheits- und Warnhinweise zu
beachten. Es wird davon ausgegangen, dass für die folgenden Bedienungsschritte und
Aufgabenstellungen eine fertige vormontierte Umrichtereinheit mit Asynchronmotor
verwendet wird. Beachten Sie bei der elektrischen Installation die Sicherheitsvorschriften
und Warnhinweise der Herstellerfirmen. Hinweise und Richtlinien für die Montage und zur
elektrischen Installation finden Sie im Originalhandbuch des MICROMASTERs 420.
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8.1.4 Flussdiagramm zur Durchführung einer Schnellinbetriebnahme
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8.1.5 Motor-Parameter von P0304 bis P0311
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8.1.6 Zusätzliche Parameter der Schnellinbetriebnahme
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8.1.7 Zusätzliche Parameter für den Grundbetrieb des MICROMASTERs 420
Die Parameter des MICROMASTERs 420 sind in verschiedene Zugriffsstufen (Level)
eingeteilt. Um auf die Parameter einer höheren Stufe zuzugreifen, muss der Parameter
P0003 auf die jeweilige Zugriffstufe eingestellt werden z.B. P0003 = 2 für erweiterten
Zugriff.
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