Frequenzumrichter

Ein Frequenzumrichter ist ein Gerät, das aus einem Wechselstrom (auch Drehstrom) mit bestimmter Frequenz eine in Höhe und Frequenz veränderte Spannung generiert. Mit dieser umgerichteten Spannung wird dann der Verbraucher betrieben.
Heute werden dazu meist elektronische Geräte verwendet, früher wurden Netze unterschiedlicher Frequenz über rotierende Umformer gekoppelt. Allerdings werden in Bahnstromumformerwerken immer noch mechanische Anlagen verwendet.

Grundaufbau

Im Prinzip besteht der elektronische (statische) Frequenzumrichter aus einem Gleichrichter, der einen Gleichstrom- oder Gleichspannungs-Zwischenkreis speist, und einem aus diesem Zwischenkreis gespeisten Wechselrichter. Die Höhe der Ausgangsspannung und auch deren Frequenz können in weiten Grenzen geregelt werden.

Daneben findet man gelegentlich sogenannte Direktumrichter, auch Matrixumrichter genannt, bei denen über Halbleiterschalter jede Netzphase mit jeder Phase der Last direkt verbunden werden kann. Der Zwischenkreis mit der Gleichgröße entfällt somit.

Ein Direktrichter mit Thyristoren kann jedoch nur Ausgangsfrequenzen kleiner der Eingangsfrequenz erzeugen, ein Zwischenkreisumrichter kann auch Ausgangsfrequenzen erzeugen, die deutlich oberhalb der Eingangsfrequenz liegen (bis mehrere hundert Hz).

Ansteuerung

Frequenzumrichter für die Antriebstechnik verfügen neben den Leistungsanschlüssen meist über digitale Ein- und Ausgänge, einen Analogeingang sowie einen Analogausgang. Am Analogeingang kann z.B. ein Potentiometer zur Einstellung der Ausgangsfrequenz angeschlossen werden.

Zur analogen Ansteuerung werden die Einheitssignalpegel 0...10 V, 0...20 mA oder 4...20 mA genutzt. Es gibt auch Frequenzumrichter, die über Bussysteme, z. B.LON, Modbus, CAN-BUS, POFIBUS, PROFINET, Ethernet oder auch über Ethernet Powerlink angesteuert werden.

Parametrierung

Umrichter können durch Parametriermöglichkeiten dem jeweils anzutreibenden Motor angepasst werden, um diesen optimal zu betreiben und zu schützen. Dies geschieht heute kaum noch durch Potentiometer und DIP-Schalter, sondern durch eine geeignete Tastatur/Anzeigeeinheit, die sich am Umrichter befindet und die die Navigation in einer Menüstruktur zulässt. Besonders komplexe Umrichter ermöglichen die Programmierung in einer eigenen Programmiersprache oder durch ein entsprechendes grafisches Programm am PC. Fertige Datensätze werden dann über eine Schnittstelle in den Umrichter geladen.

Ebenfalls ist es heutzutage üblich, den fertigen Parametersatz auf einem Speichermedium (z. B. Chip- und Flashkarten) zu speichern, das dann anschließend in den Frequenzumrichter gesteckt wird.

Einige Modelle können selbst die Antriebseigenschaften messen und ihre eigenen Regelparameter im Rahmen der Inbetriebnahme selbständig einstellen. Zuweilen können sie auch programmierte Verfahrbewegungen selbstständig abarbeiten (Motion Control).

Anwendungsgebiete

z.B. Fahrstuhl (FQ ermöglicht Sanftanlauf), Förderbandanlagen etc.

Technischer Hintergrund

Werden Asynchronmotoren direkt am Wechselspannungsnetz betrieben, haben sie eine von ihrer Polzahl und der Netzfrequenz abhängige feste Nenndrehzahl. Beim Anlauf entstehen hohe Stromspitzenwerte und das Drehmoment ist gering. Dem wird konventionell mit verschiedenen Mitteln entgegen gewirkt. Dazu gehören Stern-Dreieck-Schaltung, KUSA-Anlasser, Anlasstransformator und Thyristor -Anlasser mit Phasenanschnittsteuerung. Auf diese Weise kann jedoch kein höheres Drehmoment unterhalb der Nenndrehzahl erreicht werden, ein Betrieb oberhalb der Nenndrehzahl ist ebenfalls nicht möglich.

Erweiterter Drehzahlbereich

Frequenzumrichter ermöglichen es demgegenüber, stufenlos Drehzahlen von null bis zur Nenndrehzahl zu erreichen, ohne dass das Drehmoment sinkt (Grundstellbereich). Betreibt man den Motor über Nenndrehfrequenz (Feldschwächbetrieb), sinkt das abgegebene Moment ab, da die Betriebspannung nicht weiter der erhöhten Frequenz angepasst werden kann. (Siehe U/f Betrieb). Aufgrund dieser Eigenschaften sind Frequenzumrichter in der Industrie weit verbreitet und gestatten den Einsatz von preiswerten Standard-Asynchronmotoren in einem erweiterten Drehzahlbereich.

Anlauf mit hohem Drehmoment

Durch Programmierung einer Frequenzrampe zum Anlauf sind auch schwierige Anlaufbedingungen ohne starke Überstromspitzen zu bewältigen. Mit einer absteigenden Frequenzrampe ist auch das Abbremsen möglich. Viele Frequenzumrichter können dabei selbst überwachen, ob der Motor noch innerhalb eines zulässigen Schlupfes läuft und somit ein "Abreißen" des Drehfeldes verhindern. Umrichter mit Raumzeigermodulation (Space Vector Control) ermöglichen bei einem Asynchronmotor die getrennte Regelung von Drehmoment und Drehzahl, indem die Istfrequenz anhand der registrierten Rückwirkungen des Motors nachgeführt wird.

Rückspeisung und Vierquadrantenbetrieb

Asynchronmotoren können mit rückspeisefähigen Umrichtern auch als Generator betrieben werden. Durch deren Wechselrichter lässt sich die Bremsenergie des Motors aus dem Zwischenkreis auch wieder in das Netz zurückspeisen. Bei Windenergieanlagen und in kleinen Wasserkraftwerken kann so ein preiswerter Asynchrongenerator verwendet werden. Aber auch andere große Motoren speisen sinnvollerweise in das Netz zurück, z.B. Zentrifugen in Zuckerfabriken oder Belastungseinrichtungen auf Motorprüfständen.

Ist der Umrichter in der Lage, in beiden Drehrichtungen Energie vom Netz zum Motor und beim Bremsen auch zurück ins Netz zu übertragen, spricht man von Vierquadrantenbetrieb. Dies ist insbesondere für Fahrzeuge und sonstige Antriebe interessant, die zyklisch bremsen müssen (Nutzbremsung). Dies kann bei Lokomotiven oder anderen Fahrzeugen bei der Bremsung ausgenutzt werden. Hybrid-PKW speisen dabei in ihre Batterien.

Einsatz und Einschränkungen

Frequenzumrichter werden insbesondere an Drehstrommotoren eingesetzt, um deren Anlauf- und Drehzahlverhalten zu verbessern oder zu erweitern. Frequenzumrichter gibt es inzwischen auch für ein- oder zweiphasige Wechselstrommotoren wie z.B. Kondensatormotoren, um auch diese in der Drehzahl zu regeln. Dabei übernimmt der Frequenzumrichter ggf. die Bereitstellung der bislang vom Kondensator erzeugten zweiten Phase.

Es gibt auch eine Frequenzumrichtervariante, die lediglich in die einphasige Zuleitung geschaltet wird und wo dabei am Einphasenmotor mit Kondensator keine Änderungen vorzunehmen sind. Dies ist besonders interessant bei bereits vorhandenen Antrieben wie Pumpen, Lüftern, Tischbohrmaschinen oder Antrieben für Transportbänder. Mit Einschränkungen können auch Spaltpolmotoren an Frequenzumrichtern betrieben werden.

Frequenzumrichter erzeugen starke elektrische Störsignale (EMV) auf der Motorzuleitung, die nicht nur andere Verbraucher stören können, sondern auch im Motor zu einer erhöhten Isolierstoffbelastung führen. Die Motorzuleitung muss zur Vermeidung von Störabstrahlungen oft geschirmt werden. Abhilfe kann auch ein sog. Sinusfilter zwischen Umrichter und Motor schaffen. Solche Sinusfilter unterscheiden sich von einem Netzfilter durch ihre niedrigere Grenzfrequenz und höhere Belastbarkeit. Bei Betrieb oberhalb der Nenndrehzahl treten im Motor erhöhte Wirbelstrom- und Hystereseverluste auf, was jedoch oft durch dessen ebenfalls schneller drehendes Lüfterrad ausgeglichen wird.

Frequenzumrichter verlangen aus diesen Gründen eine fachgerechte Installation. Die Hinweise der Hersteller sind dabei oft hilfreich.

Bau- und Betriebsarten