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Frequenzumrichter – Erklärung, Funktion, Aufbau
Ein Frequenzumrichter ist ein technisches Gerät, das aus der eingehenden Wechselspannung eine andere Wechselspannung erzeugt.
Durch Frequenzumrichter werden beispielsweise Motordrehzahlen (z. B. von einem Asynchronmotor oder Synchronmotor) geregelt. Würde eine elektrische Maschine, wie beispielsweise ein Motor, nur über das öffentliche Stromnetz betrieben, hätte dies in der Praxis (s. u.) einige Nachteile. Der Strom aus dem öffentlichen Netz führt häufig dazu, dass nur bestimmte Drehzahlen bei der eingesetzten Maschine erreicht werden können. Außerdem können Störgrößen wie Oberschwingungen oder Schwankungen im Netz den nachgeschalteten Prozess negativ beeinflussen.
Der Frequenzumrichter ermöglicht zudem den sanften Hoch- und Auslauf des Motors. Beim Frequenzumrichter handelt es sich also um eine Steuerung für einen Antrieb mit variabel einstellbarer Frequenz, die die Regulierung der Maschine (z. B. der Motordrehzahl) über Parameter wie z. B. die Frequenz reguliert. Auf diese Art lassen sich in der Industrie sehr präzise Motoren und elektrische Maschinen steuern. Das ist vor allem dann wichtig, wenn die industriellen Prozessanforderungen genau eingehalten werden müssen.
Eine genaue Drehzahlregelung hilft auch, im Betrieb Energie zu sparen, da die betriebenen Maschinen effizienter arbeiten. Dabei ist es aus Sicht der industriellen Anforderungen vor allem wichtig, dass der Frequenzumrichter zuverlässig arbeitet und robust ist. Viele Prozesse in der Industrie, in der Fertigung oder auch in einzelnen Unternehmen sind auf eine präzise einstellbare Parametrierung einer elektrischen Maschine angewiesen. Mit dem Frequenzumrichter lassen sich genau diese Parameter exakt nach den jeweiligen Prozessanforderungen einstellen und programmieren.
Die Einstellungsmöglichkeiten sind dabei vielseitig und reichen von der Einstellung von Drehzahlen, über Sicherheitsfunktionen bis hin zu Überwachung der Anlage.
Der prinzipielle Aufbau eines Frequenzumrichters besteht aus einem Gleichrichter, der meistens einen Zwischenkreis (es gibt auch Modelle ohne Zwischenkreis) speist, einem Wechselrichter, einer Regelelektronik und einem Steuerkreis. Die Aufgaben des Gleichrichters sind die Stabilisierung und Glättung des nachgeschalteten Zwischenkreises.
Im Zwischenkreis ist ein Kondensator verbaut, der zur „Glättung“ der Spannung dient. Am Zwischenkreis können gleichzeitig mehrere Wechselrichter verbaut werden. Die Gleichrichtung ist wichtig, um die eingehende Wechselspannung aus dem Stromnetz ohne Störungen (z. B. in der Amplitude) nutzen zu können. Im Gleichrichter ist dazu z. B. eine Brückenschaltung verbaut.
Anschließend folgt ein Zwischenkreis mit Puffer, der durch den sogenannten „Pufferkondensator“ geglättet wird. Je nach Aufbau befindet sich hier manchmal auch eine Spule, um besonders intensive Schwankungen im Strom drosseln zu können. Durch die Wechselrichtschaltung wird die geglättete Spannung des Zwischenkreises in eine Dreiphasen-Wechselspannung umgewandelt.
Im nachfolgenden Steuerkreis werden die Systemparameter überwacht. Am Ausgang der Schaltung des Frequenzumrichters befindet sich ein Motor. Durch diesen fließt ein Strom, der durch den Umrichter entsprechend transformiert wurde. Da es dabei im Storm zu ungewünschten Spannungsspitzen kommen kann, werden hochfrequente Pulssteller eingesetzt, um diese möglichst gering zu halten. Mithilfe einer Regelelektronik wird eine bestimmte Drehzahl oder ein bestimmtes Drehmoment über die Regelung des Stroms umgesetzt
Die Aufgaben und die Funktion eines Frequenzumrichters sind je nach Modell, beispielsweise beim „Frequenzumrichter 400v“ oder „Frequenzumrichter 230v“ vielfältig und unterscheiden sich z. B. nach der Eingangsspannung oder beispielsweise nach der Verschaltung.
Als grundlegende Aufgabe dient der Frequenzumrichter in der Industrie zur Einsparung von Energie durch die Verbesserung der Effizienz von technischen Systemen. Des Weiteren dient er für die Anpassung von Stellgrößen wie der Drehzahl an bestimmte Prozessanforderungen oder auch die Anpassung und Regulierung der Leistung bzw. des Drehmoments eines Antriebes nach den Vorgaben der Prozessanforderungen.
Der Frequenzumrichter trägt zu einer Verbesserung des Arbeitsumfelds bei, da er durch ein generell niedrigeres Geräuschniveau (verglichen mit anderen technischen Systemen) bei Lüftern oder Pumpen zurechtkommt. Außerdem tragen Frequenzumrichter 400v bzw. Frequenzumrichter 230v dazu bei, die Lebensdauer von Maschinen aufgrund der Reduzierung der mechanischen Belastung zu verlängern (z.B durch den sanften Hoch- Auslauf des Motors).
Die Drehzahlregelung an Drehstrommotoren oder eines Motors in der Antriebstechnik kann durch einen Frequenzumrichter präzise und einfach unter Umwandlung elektrischer Größen wie der Frequenzen oder der Wechselspannung stufenlos reguliert werden. Dadurch lassen sich Frequenzumrichter nahezu nahtlos in jeden bestehenden Prozess, bei dem Spitzenlasten reduziert oder Drehzahlen präzise eingestellt werden müssen, integrieren. Durch die Reduzierung der Spitzenlast werden zudem teure Spitzenbedarfspreise vermieden, wodurch die erforderliche Größe des Motors verringert werden kann.
Wie bereits bekannt, wird ein Frequenzumrichter in der Regel einem Motor vorgeschaltet. Dadurch erzeugt er eine veränderbare Wechselspannung, die in Frequenz und Spannungshöhe unabhängig von der des Stromnetzes ist. Dadurch sind die Ausgangsfrequenz und die Ausgangsspannung regelbar.
Der Vorteil ist wie bereits erwähnt die stufenlose Regelung des Drehzahlbereiches. Der Drehzahlbereich kann von näherungsweise Null bis zur gewünschten Nenndrehzahl geregelt werden, während das Drehmoment des Motors unverändert bleibt. Ein Frequenzumrichter ermöglicht dabei auch einen direkten Wechsel der Drehrichtung des Motors, beispielsweise über einen Steuerbefehl. Die Drehrichtung wird bei Drehstrommaschinen über eine Änderung der Phasenfolge geändert.
Frequenzumrichter eignen sich hervorragend im Einsatzbereich von elektrischen Bahnen. Bei der Versorgung von 50 Hz-Bahnen aus dem Landesstromnetz gibt es bei der Verwendung von herkömmlichen Einphasen-Umspannern häufig Störungen, die mit Frequenzumwandlern vermieden werden können. Zudem spart der Einsatz eines Umrichters Energie ein. Die Investitionskosten haben sich bei genauer Betrachtung ebenfalls schnell amortisiert.
Auf Pumpen- und Lüfteranwendungen entfallen rund 70 Prozent der weltweiten Anwendungsgebiete für Frequenzumrichter. Das liegt daran, dass mit einem Frequenzumrichter auf diesem Gebiet der Vorteil besonders hoch ist, da mit diesem Gerät die für Lüfter und Pumpen erforderlichen Drehzahlen sehr präzise eingestellt werden können. Häufig sind Pumpen und Lüfter in hochkomplexe und industrielle Prozesse eingebunden, bei denen es auf eine sehr präzise Reglung ankommt. Frequenzumrichter sind hierfür ideal, da sie die Netzspannung für die jeweilige Anwendung und die Ansteuerung des nachgeschalteten Verbrauchers idealisieren.
Auch bei Hebe- und Fortbewegungsanwendungen wie der Fördertechnik, der Aufzugstechnik, Rolltreppen, Transportbänder und sonstige Anwendungen aus diesem Gebiet, kommen Frequenzumrichter erfolgreich zum Einsatz. Vor allem bei sanft anlaufenden Vorgängen (z. B. einem Aufzug) oder einer präzisen Steuerung bei einer Hebeanwendung ist eine präzise Stellgröße (z. B. ein Drehmoment oder eine Drehzahl) wichtig.
Im Bereich der Servotechnik kommen sogenannte Servoumrichter erfolgreich zum Einsatz. Bei einem Servoantrieb bzw. einem Servomotor versorgt der Servoumrichter diesen mit Strom. Dadurch wird die Bewegung des Antriebs ermöglicht. Diese erfordern häufig eine hochdynamische Regelung des Stroms und werden in Kombination mit einer Leistungselektronik eingesetzt. Dadurch ist eine exakte und dynamische Regelung von Geschwindigkeit und Position des Antriebs möglich.
Bei Frequenzumrichtern gibt es auf dem Markt unterschiedliche und viele verschiedene Arten. Durch die weite Verbreitung in der Industrie, vor allem bei der Steuerung von Pumpen, Verdichtern und Lüftern, haben sich viele verschiedene Modelle in der Industrie etabliert. Wie bei der Funktionsweise erklärt, ist ein Unterscheidungsmerkmal bei Frequenzumrichtern die Methode der Spannungs- und Frequenzsteuerung.
Ein weiteres Merkmal ist die Technologie zur Reduzierung von Schwingungen (z. B. Oberschwingungen). Frequenzumrichter können einphasig und dreiphasig ausgelegt sein. Die drei wichtigsten Methoden zur Erzeugung variabler Frequenzen bei Frequenzumrichtern sind die:
Die Pulsweitenmodulation bzw. die PWM-Technik ist eines der bekanntesten Verfahren der Regelungstechnik. Sie wird im nächsten Abschnitt verdeutlicht.
Die Pulsweitenmodulation ist eine Technik, bei der eine elektrische Größe wie die Spannung zwischen zwei definierten Werten wechselt. Dabei wird mit einer konstanten Frequenz ein sogenannter Rechteckimpuls moduliert, also eine Größe, die immer genau zwischen zwei Werten wechselt. Eingesetzt wird das Verfahren beispielsweise auch bei der Steuerung in der Energieumwandlung in einem technischen System.
Die PWM-Technik benötigt zur Wechselrichtung (Leistungselektronik) des Frequenzumrichters (bipolare) Transistoren (sogenannte „IGBT-Transistoren“), die durch stetiges Ein- und Ausschalten das korrekte Niveau der Spannung erzeugen. Die so entstehenden Impulse können in der Breite verändert werden, dadurch verändert die Pulsweitenmodulation die Ausgangsspannung und Frequenz. Das durch dieses Verfahren modulierte Signal hat immer eine feste Amplitude, wodurch die Modulation für sehr exakte Anwendungen geeignet ist.
Ein Stromquellenwechselrichter ist ein Stromrichter, der aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung herstellt. Er wird häufig auch nur als „Inverter“ bezeichnet.
Sobald ein Verbraucher, der an die erzeugte Wechselspannung angeschlossen wird, entsteht ein Wechselstrom aus dem Gleichstrom der Eingangsspannung. Das Gegenteil von einem Wechselrichter wäre ein Gleichrichter, der aus einer Wechselspannung am Eingang eine Gleichspannung macht.
Die Unterscheidung bei Wechselrichtern liegt bei fremd geführten und selbst geführten Wechselrichtern. Fremd geführte Wechselrichter sind dazu in der Lage, elektrische Energie in ein Wechselspannungsnetz einzuspeisen. Diese arbeiten nach der vom Stromnetz vorgegeben Phase, also netzsynchron. Sie passen sich der Netzspannung an. Diese Art der Wechselrichter (fremd geführt) kommen beispielsweise bei einer Fotovoltaik-Anlage zum Einsatz. Dort wird Gleichstrom erzeugt, der erst über einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und anschließend in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden muss. Weitere Beispiele kommen bei der Bahn oder in der Windenergie vor.
Bei selbst geführten Wechselrichtern wird die Phase selbst bestimmt. Dies wirkt sich auf die Amplitude der damit erzeugten Wechselspannung aus. Diese Wechselrichter sind dafür geeignet, um Inselnetze aufzubauen. Zum Beispiel, wenn ein Ferienhaus kein Anschluss an das öffentliche Stromnetz vorhanden ist, kann ein Wechselrichter Wechselspannung mithilfe von z. B. Batterien herstellen. Diese kann dann im Haus beispielsweise für Elektrogeräte verwendet werden. Diese Art des Wechselrichters (selbst geführt) kommt auch bei batteriebetriebenen Notstromsystemen zum Einsatz.
Ein Spannungsquellenwechselrichter fungiert wie der zuvor genannte Stromquellenwechselrichter, ist jedoch für einen anderen Anwendungszweck bestimmt. Der Spannungsquellenwechselrichter wird beispielsweise eingesetzt, wenn ein Haushaltsgerät für eine Versorgungsspannung von 230 Volt und 50 Hz ausgelegt ist und vor Ort beispielsweise ein 660 Volt Starkstromnetz zur Verfügung steht. Der Spannungsquellenwechselrichter oder auch „Inverter“ ist dazu in der Lage, diese Spannung entsprechend den Prozessvorgaben zu drosseln und für die angeschlossenen Verbraucher nutzbar zu machen.
In diesem Abschnitt werden die Betriebsarten und Steuerungsmöglichkeiten bei Frequenzumrichtern erläutert. Diese dienen der Übersicht und helfen, die richtige Auswahl für den jeweiligen Anwendungsfall zu treffen.
Der U/f-Betrieb bei Frequenzumrichtern bezeichnet ein effizientes und einfaches Verfahren zur Steuerung mit Frequenzumrichtern von Drehstromantrieben oder Drehstrommaschinen. Zunächst wird dabei anhand der Leistungsdaten (z. B. 50 Hertz, 400 Volt Nennspannung) des zu steuernden Antriebes eine sogenannte Steuerkennlinie festgelegt. Dabei wird der Motor immer an einen bestimmten Nennbetriebspunkt gefahren, wenn die Frequenz im gleichen Verhältnis geändert wird. Beispielsweise wird bei der halben Frequenz auch nur die halbe Spannung auf den Motor gegeben.
Werden alle Frequenzen abgefahren, stellt sich dabei eine Gerade ein, die den Nennbetriebspunkt (z. B. die 400 Volt und 50 Hertz) mit dem Nullpunkt verbindet. Dadurch bleibt das Verhältnis zwischen der Frequenz „f“ und der Spannung „U“ immer konstant, unabhängig vom jeweiligen Betriebspunkt des Motors. Beim „U/f-Betrieb“ gilt demnach, dass das Verhältnis „Spannung zu Frequenz“ konstant ist. Dadurch variiert die Drehzahl des Motors, abhängig von dessen Belastung.
Die feldorientierte Regelung, auch „Vektorregelung“ genannt, ermöglicht im Vergleich zu einer direkten Stromregelung eine höhere Ausnutzung der Spannung, bei gleichzeitiger Reduzierung der Stromverluste (bei gleicher Leistung). Damit hat das feldorientierte Regelungsverfahren einen besseren Wirkungsgrad als beispielsweise die direkten Stromregelungsverfahren.
Die feldorientierte Regelung oder auch Vektorregelung ist ein Regelungsverfahren, bei dem die sinusförmigen (oder zumindest als weitestgehend sinusförmig angenommenen Wechselgrößen) Größen wie die Wechselspannung oder der Wechselstrom um einen bestimmten Phasenwinkel innerhalb einer Periode geregelt werden. Das heißt, dass der momentane Wert zeitlich betrachtet, nicht um den Momentanwert geregelt wird. Die Größen werden dazu in einem rotierenden Koordinatensystem übertragen. Aus diesem ergeben sich innerhalb des rotierenden Koordinatensystems aus den Wechselgrößen sogenannte Gleichgrößen, die auf alle aus der Regelungstechnik bekannten Verfahren angewendet werden können.
Die Praxis sieht dabei so aus, dass ein Drehzahlregler auf Basis eines Stromreglers basiert, der die momentanen Stromkomponenten (z. B. Blind- und Wirkstrom) regelt. Bei der Regelung werden in einem Umrichter die Motorkennwerte teilweise selbstständig ermittelt, gespeichert und adaptiert. Der Vorteil: Eine separate Drehzahlmessung (und Rückführung) für Drehzahl und Drehmoment wird gespart.
Des Weiteren können über den zurückgeführten Motorstrom als Regelgröße die oben angesprochene Phasenlage zur Spannung und daraus resultierend die notwendigen Zustände des Motors (z. B. Schlupf, Drehzahl, Drehmoment, thermische Verlustleistung) ermittelt werden.
Die Kommutierung bezeichnet eine weitere Art der Motorregelung. Kommutatoren sind vor allem bei bürstenlosen Gleichstrommaschinen bekannt. Dort wird unter anderem in verschiedene Kommutierungsarten unterschieden:
Die Unterschiede liegen zum Teil in der Art der Bestromung, beispielsweise werden bei der Blockkummutierung immer genau 2 von 3 Wicklungen der Drehstrommaschine bestromt. Die dritte Drehstromwicklung wird von (je nach Modell) Frequenzumrichtern zur Messung der Rotorspannung verwendet. Dadurch wird der aktuelle Lagewinkel des Rotors ermittelt. Der Vorteil: Permanenterregte Maschinen können damit von Frequenzumrichtern kommutiert werden, ohne dabei zusätzliche Sensoren (z. B. Absolutwertgeber) zu verwenden.
Bei dem Betrieb von Asynchronmaschinen wird üblicherweise eine Sinuskommutierung verwendet, die durch Frequenzumrichter (z. B. sinusförmige Modulierung der Pulsweiten) eingesetzt wird. Dabei sind verschiedene Schaltzustände der Phasen möglich, die hier nicht im Detail aufgegriffen werden.
Eine weitere Möglichkeit bei Frequenzumrichtern bietet die Optimierung durch Überlagerung von Oberschwingungen. In der Idealvorstellung und in der Theorie verläuft eine Wechselspannung immer in einer perfekten Sinuskurve. Die Polarität der Sinuskurve wechselt in der Theorie gleichmäßig zwischen den positiven und negativen Werten hin und her. Ein solcher gleichförmiger Verlauf ist jedoch in der Technik nahezu unmöglich. In der Praxis ist die Überlagerung mehrerer Sinuswellen aufgrund mehrerer Betriebsmittel nahezu unvermeidbar.
Die sogenannten Oberschwingungen können dabei mehrere Ursachen haben. Zum einen können Betriebsmittel, die eine nicht lineare Kennlinie (s. o.) haben (beispielsweise Transformatoren oder Baugruppen der Leistungselektronik), eine Stromaufnahme begünstigen, die die „ideale“ Sinusspannung verzerrt und somit zu einer Oberschwingung führt. Auch Schaltnetzteile, die nicht sinusförmige Ströme (z. B. Fernseher, Computer oder Beleuchtungen) verursachen, können eine lineare Stromaufnahme stören und somit Oberschwingungen auslösen. Oberschwingungen sind deshalb problematisch, da sie sich negativ auf die Betriebsmittel auswirken können. Diese können zu Funktionsbeeinträchtigungen führen oder sogar die betroffenen Geräte zerstören. Folgende technische Einschränkungen können durch Oberschwingungen hervorgerufen werden:
Die Auflistung könnte an dieser Stelle noch weitergeführt werden, umfasst jedoch zunächst einen groben Überblick über die Auswirkungen von Oberschwingungen auf technische Systeme und Anlagen. In der heutigen Zeit, in der die technischen Geräte und Anlagen immer mehr an ihre Leistungsgrenzen gebracht werden, ist der Effekt der Oberschwingungen besonders wichtig. Die Reduzierung hilft, Prozesse zu optimieren und Maschinen und Anlagen effektiver betreiben zu können.
Um Oberschwingungen zu minimieren, gibt es hohe technische Anforderungen (z. B. die Norm EN61000-3-2). Zusammengefasst lässt sich zu diesem Thema festhalten, dass durch die Verwendung eines Frequenzumrichters eine Leistungssteigerung eines Antriebs von rund 15 Prozent möglich ist.
Rund 75 Prozent der weltweiten Anwendungsgebiete bei Frequenzumrichtern entfallen auf die Steuerung von Pumpen, Verdichtern oder Lüftern. Diese kommen in der Industrie sehr häufig vor, sodass auf Frequenzumrichter ein großer Fokus liegt.
Der Frequenzumrichter bietet im Einsatz viele Vorteile. Er kann beispielsweise die abgegebene Leistung in Abhängigkeit des Energiebedarfs des angetriebenen Gerätes regeln bzw. variieren. Dadurch trägt er dazu bei, dass im Betrieb Energie gespart und sogar der Energieverbrauch optimiert wird.
Im Vergleich zum direkten Betrieb am Netz läuft somit der Motor abhängig vom Bedarf, anstatt unabhängig vom Bedarf immer mit voller Last. Daraus ergibt sich, je nach Anwendungsgebiet, eine üblicherweise Stromeinsparung von bis zu 70 Prozent. Durch den sogenannten „Roll-on-Effekt“ eines Frequenzumrichters werden sogar die Stickoxid-Emissionen der Gesamtsysteme reduziert und auch die CO₂-Bilanz verbessert.
BLEMO liefert als Hersteller von Frequenzumrichtern qualitativ hochwertige Frequenzumrichter, die auf die individuellen Anforderungen der Kunden zugeschnitten sind. Wir bieten beispielsweise 400v Frequenzumrichter und 230v Frequenzumrichter an. Jeder Umrichter wird im Werk kurz vor der Auslieferung auf Herz und Nieren geprüft. Die Experten von BLEMO konzentrieren sich dabei auf die Details der Antriebsoptimierung. Immer auf dem neuesten Stand der Technik zu sein und hochwertige Neuentwicklungen zeichnen BLEMO aus.
Das Angebot von BLEMO im Bereich der Softstarter und Frequenzumrichter ist besonders breit. Mit einem großen Zugriff auf das Know-how und verschiedenen Anwendungs- und Wartungsdienstleistungen erhalten Sie damit immer eine perfekte Betreuung rund um das Thema Frequenzumrichter. Damit werden Ihre Systeme zu jeder Zeit optimal laufen.
Ein weiterer wichtiger Faktor für die Flexibilität ist die Möglichkeit, dass Sie Ihre Frequenzumrichter mit den üblichen Motortechnologien einsetzen können. Das ermöglicht große Einsparungen in Bezug auf die vorgehaltenen Ersatzteile, vor allem bei Reparaturen oder Nachrüstungen. BLEMO – Qualität aus einer Hand, die sich vor allem durch hochwertige Produkte und einen hervorragenden Kundenservice auszeichnet.
Hier erhalten Sie einen groben Überblick, über Fragen und Antworten zum Thema Frequenzumrichter. Gerne beraten wir Sie ausführlich rund um das Thema.
Das richtet sich nach der Art der Maschine, die Sie betreiben wollen, beispielsweise Wechselstrommotoren, Synchronmotoren oder Asynchronmotoren bzw. Drehstrommotoren.
Das ist abhängig von Ihren Gegebenheiten vor Ort (Wechselspannung 230v oder dreiphasen Wechselspannung 400v) und dem Prozess sowie der Maschinen, die Sie betreiben möchten. Fragen Sie am besten hierzu unsere Experten.
Der Frequenzumrichter macht aus einer Eingangsspannung (z. B. Wechselstrom) eine gerichtete Spannung, die für präzise Anwendungen in der Industrie geeignet ist.
Immer, wenn Sie präzise einen Motor, der sonst direkt am Stromnetz angeschlossen wäre, steuern möchten. Beispielsweise entfallen rund 70 Prozent der Anwendungen eines Frequenzumrichters auf das Steuern von Lüftern, Verdichtern oder Pumpen.
Das kommt auf die Anwendung an. Die meisten Motoren funktionieren grundsätzlich ohne Probleme mit einem Frequenzumrichter. Fragen Sie hierzu am besten unsere Experten, welchen Frequenzumrichter Sie benötigen.
Frequenzumrichter bremsen beispielsweise mit einem sogenannten „Brems-Chopper“. Dieser leitet überschüssige Energie aus einem Zwischenkreis in einen Bremswiderstand. Dort wird dieser in Wärme umgewandelt. Andernfalls würde die Zwischenkreisspannung steigen und Bauteile wie Kondensatoren zerstören.
Es gibt keinen. All diese Namen bezeichnen dasselbe Gerät.