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Grundlagen: Was Frequenzumrichter können und wie sie arbeiten

Drehzahlregelung bei Drehstrommotoren
Was Frequenzumrichter können und wie sie arbeiten

Im Jahr 1968 begann Danfoss als erstes Unternehmen weltweit mit der Serienfertigung von Frequenzumrichtern für die variable Drehzahlregelung von Drehstrom-Asynchronmotoren. Heute gewinnen Frequenzumrichter zunehmend an Bedeutung. Sie werden hauptsächlich eingesetzt, um das Anlauf- und Drehzahlverhalten von Drehstrommotoren zu verbessern. Ohne Frequenzumrichter wären solche Motoren nicht stufenlos regelbar, sondern könnten nur mit einer konstanten, von der Frequenz der Versorgungsspannung abhängigen Drehzahl betrieben werden. Im Grundlagenbeitrag der KEM Konstruktion erklären wir, was genau ein Frequenzumrichter ist, wie er funktioniert, welche Typen und Gerätearten es gibt und welche Vorteile er für den Anwender mit sich bringt.


Inhaltsverzeichnis
1. Was ist ein Frequenzumrichter?
2. Wie funktioniert ein Frequenzumrichter?
3. Wie ist ein Frequenzumrichter aufgebaut?
4. Welche Vorteile bietet ein Frequenzumrichter?
5. Welche Typen von Frequenzumrichtern gibt es?
6. Welche Frequenzumrichter-Gerätearten gibt es?
7. Für welche Applikationen werden drehzahlveränderbare Antriebe (Motor + Frequenzumrichter) genutzt?
8. In welchen Branchen werden Frequenzumrichter eingesetzt?
9. Welche Normen muss man im Zusammenhang mit Frequenzumrichtern beachten?

Was ist ein Frequenzumrichter?

Frequenzumrichter sind elektronische Geräte, die zur Umformung der Netzfrequenz und Spannung in eine variable Frequenz und Spannung dienen. Hintergrund: Werden elektrische Maschinen oder Drehstrommotoren direkt am Wechselspannungsnetz betrieben, steht ihnen nur eine (von der Netzfrequenz und dem Aufbau des Motors abhängige) feste Drehzahl zur Verfügung. Benötigt eine Applikation oder ein Produktionsprozess jedoch eine veränderbare Drehzahl (Wechselspannung), also eine regelbare Geschwindigkeit, kommen Frequenzumrichter zum Einsatz. Diese können aus einer konstanten Wechselspannung eine in der Amplitude (Höhe der Ausgangsspannung) und Frequenz variable Wechselspannung erzeugen. Ursprünglich handelte es sich hierbei um elektromechanische Systeme (Motor-Generator-Kombinationen), auch als „dynamische“ Frequenzumrichter bezeichnet. Die Entwicklung der Halbleitertechnik machte es möglich, vollständig elektronische Frequenzumrichter zu bauen, oft als „statische“ Frequenzumrichter bezeichnet (keine beweglichen Teile).

Wie funktioniert ein Frequenzumrichter?

Ein Frequenzumrichter wird demnach einem Motor vorgeschaltet, um eine bedarfsgerechte, veränderbare Wechselspannung zu erzeugen. Somit gibt nicht mehr das Stromnetz die Frequenz und die Spannungshöhe vor, mit der der Motor arbeitet, sondern der Frequenzumrichter übernimmt diese Aufgabe und regelt die Ausgangsfrequenz und die Ausgangsspannung. Der große Vorteil des Frequenzumrichters? Er verändert die Drehzahl eines Motors stufenlos von nahezu Null bis zur benötigten Nenndrehzahl und erweitert den Drehzahlbereich deutlich. Das Drehmoment des Motors bleibt dabei unverändert. So passen Anlagenbetreiber ihre Antriebstechnik immer den aktuell erforderlichen Bedingungen an, beispielsweise bei der bedarfsgerechten Erzeugung von Druckluft. Außerdem ermöglicht ein Frequenzumrichter den direkten Wechsel der Drehrichtung. Ein einfacher Steuerbefehl genügt, um die Phasenfolge zu ändern. Der nachgeschaltete Drehstrommotor dreht sich daraufhin in die entgegengesetzte Richtung.

Seit Mitte der 1970er Jahre führte die Verfügbarkeit schaltbarer Leistungshalbleiter (MOSFETs/1976, IGBTs/1982, aktuell sind SiC-MOSFETs in der Entwicklung, die sich durch kürzere Schaltzeiten und geringere Verlustleistungen auszeichnen) zur Entwicklung von Frequenzumrichtern, die als Spannungs-Zwischenkreisumrichter sowohl im Zweiquadranten- wie im Vierquadrantenbetrieb als Stellglieder für alle Antriebssysteme mit stellbarer Drehzahl zum Einsatz kommen.

Wie ist ein Frequenzumrichter aufgebaut?

Prinzipiell besteht ein Frequenzumrichter aus einem Gleichrichter, einem Zwischenkreis, einem Wechselrichter und einem Steuerkreis. Der Gleichrichter erzeugt aus der eingehenden Wechselspannung eine Gleichspannung, die vom sich anschließenden Zwischenkreis stabilisiert und geglättet wird. Schließlich generiert der Wechselrichter eine Wechselspannung mit der für den angeschlossenen Motor notwendigen Ausgangsfrequenz. Der Steuerkreis dient dazu, Berechnungen auszuführen und die einzelnen Bauteile sowie kritische Parameter zu überwachen. Die Basis dafür bildet eine Steuerkarte, in die über eine Feldbusschnittstelle oder Steuerklemmen Vorgaben oder für Berechnungen nötige Informationen eingespeist werden. Moderne Frequenzumrichter werden in der Gebäudeautomation, der Automatisierungs- und der Wasser-Abwasser-Technik eingesetzt. Sie optimieren Prozesse und helfen auf diese Weise dabei, Energie zu sparen. Darüber hinaus eignen sie sich als Stand-alone-Lösungen für immer mehr Funktionen.

Welche Vorteile bietet ein Frequenzumrichter?

In vielen Anwendungen ist es erforderlich, dass Bewegungsabläufe langsam anlaufen und gezielt in der Geschwindigkeit geregelt werden können. Dies betrifft nicht nur industrielle Anlagen oder Maschinen. Selbst der Fahrstuhl im Bürogebäude sollte unbedingt sanft anfahren und ebenso sanft bremsen. Neben der angenehmeren Benutzung wirkt sich eine Steuerung mit Sanftanlauf auch sehr positiv auf den Verschleiß aller bewegten Mechanikteile und Getriebe aus. Dazu müssen jedoch sogenannte Rampen programmiert werden, sowohl für den Anlauf- als auch für den Bremsvorgang. Softstarter, Sanftanlasser oder Softanlasser benötigen als eigenständige Geräte nicht automatisch einen Frequenzumrichter, sie können auch mit Motoren direkt am Netz kombiniert werden. Ihre Aufgabe besteht auch darin, die hohen Anlaufströme zu begrenzen.

Früher waren drehzahlgeregelte Antriebe nur mit einer Thyristorsteuerung und einem kosten- und serviceintensiven Gleichstrommotor möglich. Mit einem Frequenzumrichter können preiswerte Asynchronmotoren eingesetzt werden, die zudem nur minimalen Wartungsaufwand benötigen.

Welche Typen von Frequenzumrichtern gibt es?

Beim indirekten Frequenzumrichter fließt die eingehende Wechselspannung in einen Gleichrichter, der anschließend einen Gleichspannungs-Zwischenkreis speist. Im Zwischenkreis wird der Strom durch Pufferkondensatoren geglättet und über induktive Spulen entstört. Der Zwischenkreis wiederum speist einen Wechselrichter, der dann eine Ausgangsspannung in der gewünschten Amplitude und Frequenz für das zu speisende Gerät ausgibt.

Im Gegensatz dazu gibt es beim Direktumrichter (auch Matrixumrichter genannt) keinen Zwischenkreis. Stattdessen wird die Frequenzumrichtung in einer einzigen, ziemlich komplizierten Schaltung mit verschiedenen Pfaden ausgeführt. Ein wesentlicher Vorteil von Direktumrichtern besteht darin, dass sie rückspeisefähig sind und dass sie bei gleicher Eingangs- und Ausgangsfrequenz nahezu verlustfrei arbeiten. Allerdings benötigen sie eine lückenlose Energiezufuhr aus dem Drei-Phasen-Netz. Außerdem liefern sie eine vergleichsweise geringe maximale Ausgangsspannung. Bei rückspeisefähigen Umrichtern geht die Umwandlung in beide Richtungen: Sie können Energie, die beispielsweise während eines Abbremsvorgangs frei wird, auch in das Stromnetz zurück übertragen. Mit anderen Worten: Der Umrichter lässt sich auch als Generator betreiben! Dieser Mechanismus ist besonders nützlich, wenn Antriebe häufig abgebremst werden müssen, zum Beispiel in Zentrifugen, Aufzügen oder Elektrolokomotiven.

Welche Frequenzumrichter-Gerätearten gibt es?

  • Niederspannungsumrichter für Motorspannungen im Bereich von 230 V bis 690 V (einphasige, dreiphasige Wechselspannung)
  • Mittelspannungsumrichter für Motorspannungen im Bereich von 2,3 kV bis 13,8 kV, insbesondere für Antriebsleistungen 2,5 MW
  • DC-Umrichter für Gleichstrommotoren bestehen aus einem Gleichrichter sowie einem Gleichstromsteller
  • Schutzkleinspannungs-Umrichter für den Einsatz mit Motorspannungen von 24 VDC bis 48 VDC
  • Servoumrichter (hier wird zusätzlich auch die Position des Antriebs gesteuert)

Für welche Applikationen werden drehzahlveränderbare Antriebe (Motor + Frequenzumrichter) genutzt?

Frequenzumrichter kommen in den unterschiedlichsten Applikationen der Industrie zum Einsatz. So zum Beispiel bei Antrieben von Pumpen, Lüftern und Verdichtern, Bearbeitungsmaschinen, Transport- und Montagebändern, Kränen oder Handhabungssystemen. Sie werden in der Regel zum Positionieren, Verarbeiten, Bewegen und Bearbeiten genutzt.

In welchen Branchen werden Frequenzumrichter eingesetzt?

  • Nahrungsmittel und Genussmittelindustrie
  • Automobilindustrie
  • Heizungstechnik, Lüftungstechnik und Klimatechnik
  • Wasser- und Abwasserwirtschaft
  • Papierindustrie
  • Öl und Gas
  • Chemie
  • Logistik
  • Windkraft, Wasserkraft und Fotovoltaik
  • Marine

Welche Normen muss man im Zusammenhang mit Frequenzumrichtern beachten?

Neben der Produktnorm IEC 61800–5–1, die für Elektrische Leistungsantriebssysteme mit einstellbarer Drehzahl gilt, sind in zunehmendem Maß auch Normen, Vorschriften sowie länderspezifische Bestimmungen zu berücksichtigen, die von Anwendern, Anlagenbetreibern und Netzbetreibern, gefordert werden – beispielsweise hinsichtlich der Anforderungen an die Netzqualität. Dies beruht vorwiegend darauf, dass in den Netzen immer mehr aktive Stromrichter eingesetzt werden, die Netz mit Oberwellen belasten, wie zum Beispiel für Fotovoltaik oder Windkraftanlagen. Andere Beispiele sind Namur-Anschlüsse, um Anschlussanforderungen von Teilen der chemischen Industrie zu bedienen, sowie Robustheitsanforderungen, wie sie für maritime Applikationen verlangt werden und durch Schiffszertifizierungen bestätigt werden.

Aktuelle Meldungen zum Themenfeld der elektrischen Antriebstechnik (Elektromotoren) finden sich hier:
https://kem.industrie.de/elektromotoren/

Quellen:
https://new.siemens.com/de/de/produkte/antriebstechnik/themenfelder/frequenzumrichter.html
http://danfoss.ipapercms.dk/Drives/DD/Global/SalesPromotion/FWK/DE/FWK/?ref=17179944578
https://www.danfoss.com/de-de/about-danfoss/our-businesses/drives/knowledge-center/knowledge-articles/
https://www.sew-eurodrive.de/produkte/umrichtertechnik/frequenzumrichter.html
https://de3a.mitsubishielectric.com/fa/de/products/drv/inv/local
https://www.eti.kit.edu/1376.php
https://www.vde.com/de/etg/arbeitsgebiete/informationen/chronik-motoren-antriebe
https://www.heise.de/select/make/2016/4/1471848030656234
https://www.conrad.de/de/o/frequenzumrichter-1101123.html
https://www.ihks-fachjournal.de/funktion-der-drehzahlregelung-mit-frequenzumrichtern/
www.net4energy.com/

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