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Frequenzumrichter

 

Vielfältige Spannung für Motoren: Der Frequenzumrichter macht’s möglich

Frequenzumrichter gewinnen in der Automatisierungstechnik zunehmend an Bedeutung. Immer mehr Aufgaben werden von Drehstrommotoren in Kooperation mit Frequenzumrichtern übernommen. Dadurch verringern sich die Kosten der Antriebskomponenten. Hier erfahren Sie, wie ein Frequenzumrichter funktioniert und worauf es beim Kauf eines Umrichters ankommt.

Frequenzumrichter erleichtern die Automation

Was ist ein Frequenzumrichter?

Ein Frequenzumrichter wandelt die vorgegebene Wechselspannung aus dem örtlichen Stromnetz in eine Wechselspannung mit variabler Amplitude und Frequenz um. So lassen sich Spannungen erzeugen, die exakt auf das angeschlossene Gerät abgestimmt sind. Frequenzumrichter werden hauptsächlich eingesetzt, um das Anlauf- und Drehzahlverhalten von Wechsel-/Drehstrommotoren zu verbessern. Ohne Frequenzumrichter wären solche Motoren nicht (stufenlos) regelbar, sondern könnten nur mit der vom Stromnetz vorgegebenen Drehzahl betrieben werden.

Frequenzumrichter können für zwei unterschiedliche Betriebsarten vorgesehen sein:

  • Beim Einphasenbetrieb wird der Umrichter an das herkömmliche Wechselstromnetz angeschlossen.

  • Beim Dreiphasenbetrieb wird der Umrichter mit Drehstrom gespeist. Drehstrom kommt vor allem in Antrieben für Fahrzeuge oder Industriemaschinen zum Einsatz.

Mit Frequenzumrichtern können Sie stufenlos Drehzahlen bis zur Nenndrehzahl (das heißt der Drehzahl, bei der der Motor unter Volllast die maximale Leistung erreicht) einstellen, ohne dass das Drehmoment des Motors absinkt. Auch Frequenzen über der Nenndrehzahl sind machbar, allerdings sinkt dann das abgegebene Drehmoment. Aufgrund ihrer Variabilität sind Frequenzumrichter wichtige Bauelemente in modernen Technikanwendungen. Mit ihrer Hilfe lassen sich Produktionsabläufe optimieren und der Stromverbrauch senken.

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 speist wiederum einen Wechselrichter, der dann die gewünschte Spannungsamplitude- und frequenz für das zu speisende Gerät ausspuckt.

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 (in Form von Drehstrom). Außerdem liefern sie eine vergleichsweise geringe maximale Ausgangsspannung.

Kaufkriterien für Frequenzumrichter – Worauf muss man achten?

Folgende technische Parameter eines Frequenzumrichters müssen mit den Anforderungen der von Ihnen geplanten Anwendung konform sein:

  • Welche Eingangsspannung steht Ihnen zur Verfügung? Je nach Modell können Frequenzumrichter 230 V, 400 V oder 580 V Wechsel- beziehungsweise Drehstrom verarbeiten.

  • Die Ausgangsspannung und die maximale Ausgangsleistung, die der Umrichter zur Verfügung stellen kann, müssen zu Ihrer Anwendung passen. Typische Ausgangsleistungen bewegen sich im Bereich von 0,1 bis 15 kW.

  • Auch der Frequenzbereich des Umrichters muss die von Ihnen gewünschten Werte enthalten. Manche Geräte generieren lediglich Frequenzen, die nahe bei der Standardeingangsfrequenz von 50 Hz angesiedelt sind (zum Beispiel 48 bis 62 Hz). Andere Umrichter decken das volle Spektrum von 0 Hz bis 650 Hz ab.

Die meisten Frequenzumrichter lassen sich an Feldbusse oder Ethernet koppeln, zum Beispiel über eine Profibus-Schnittstelle. In der Norm IEC 61800-7 verbindlich festgelegte Antriebsprofile gewährleisten, dass sich die Umrichter verschiedener Hersteller an den Feldbussen gleich verhalten.

Digitales Keypad mit Drehzahlpotentiometer

Neben den Leistungsanschlüssen können Umrichter weitere Ein- und Ausgänge haben. Darüber lässt sich beispielsweise ein Potentiometer zur Einstellung der Ausgangsfrequenz anschließen. Die meisten modernen Frequenzumrichter verfügen jedoch über eine Tastatureinheit und ein Digitaldisplay, um eine komfortable Anpassung an den jeweils angeschlossenen Motor zu gewährleisten.

Manche Umrichter lassen sich mit Hilfe einer eigenen Programmiersprache ganz individuell konfigurieren. Der fertige Code wird dann über eine weitere Schnittstelle in den Umrichter geladen.

Interessante Anwendungsbereiche

Frequenzumrichter werden bevorzugt in folgenden Anwendungsgebieten eingesetzt.

Bei elektrischen Zügen generieren Frequenzumrichter aus dem Strom, der über die Oberleitung oder die Stromschiene geliefert wird, einen Drehstrom für die stufenlos regelbaren Antriebsmotoren.

Ein typisches Beispiel für Rotoren mit variabler Drehzahl sind moderne Windkraftanlagen. Hier muss ein Frequenzumrichter ganze Arbeit leisten, um die erzeugte Spannung mit der vom Gesetzgeber festgelegten Frequenz ins Stromnetz einzuspeisen.

Beim Servoantrieb wird die Geschwindigkeit oder das Drehmoment eines Motors elektronisch geregelt. Einfache Servoantriebe werden beispielsweise im Modellbau eingesetzt. Sie spielen aber vor allem in komplexen Produktionsanlagen oder Industrierobotern eine wichtige Rolle, wenn starke Drehzahl- und Drehmomentänderungen mit höchster Präzision gesteuert werden müssen. 

Bei Hebe- und Fortbewegungsanwendungen wird zu Beginn ein hohes Drehmoment gefordert, um die Anlage in Schwung zu bringen. Anschließend bleibt das benötigte Drehmoment konstant. Frequenzumrichter gewährleisten ein sanftes Anlaufen der Anlage.

Im Gegensatz dazu wird bei Pump- und Lüftungsanwendungen zu Beginn fast kein Drehmoment benötigt, da der anfängliche Luftwiderstand verschwindend klein ist. Mit zunehmender Drehzahl steigt das notwendige Drehmoment jedoch stark an. Ein Frequenzumrichter sorgt dafür, dass sich die Rotoren stets ordnungsgemäß drehen. 

Die am häufigsten gestellten Fragen zu Frequenzumrichtern

Was hat es mit der Frequenzrampe auf sich?

Die Frequenzrampe ist ein Einstellungsmodus, bei dem der Umrichter die Frequenz der Ausgangsspannung kontinuierlich von Null bis zum gewünschten Wert hochfährt. So lassen sich Überstromspitzen beim Start des Motors vermeiden. Auch das Abbremsen des Umrichters funktioniert am besten mit einer (absteigenden) Frequenzrampe.

Was ist ein (rotierender) Umformer?

In einem Umformer werden rotierende elektrische Bauteile (zum Beispiel ein elektrischer Motor und ein Generator) verwendet, um variable Ausgangsspannungen zu erzeugen. Im Gegensatz dazu enthalten Frequenzumrichter keinerlei mechanisch bewegte Komponenten. Ein Umformer erfüllt also eine ähnliche Funktion wie ein Frequenzumrichter, die Spannungsanpassung erfolgt jedoch auf elektromechanischem Weg.

Was ist der Unterschied zwischen einem Frequenzumrichter und einem Transformator?

Auch mit einem Transformator lässt sich aus einer festen Eingangsspannung eine variable Ausgangsspannung herstellen. Transformatoren können aber nur die Amplitude der Spannung verändern, nicht deren Frequenz. Für komplexe Wechsel- und Drehstromanwendungen reichen Transformatoren allein also nicht aus. Sie kommen aber häufig als Bauteil innerhalb von Frequenzumrichtern zum Einsatz, zum Beispiel um verschiedene Spannungsniveaus zu erzeugen.

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