Ein Frequenzumrichter ist ein Stromrichter, der aus der speisenden Wechselspannung eine andere Wechselspannung erzeugt.
Meist sind Ausgangs-Frequenz und Ausgangs-Amplitude veränderbar. Die Geräte dienen im Gegensatz zu „einfachen“ Umrichtern meist der Versorgung von Drehstrom-Asynchronmotoren, da sie Frequenz und Amplitude der Ausgangswechselspannung mittels Sensortechnik nach den Anwendungen des Motors und dessen aktueller Last einregeln. Sogenannte Servoumrichter besitzen zudem Eingänge für die Winkelposition des Rotors und können als Positionierantrieb verwendet werden.
Frequenzumrichter können je nach Bauart mit Einphasenwechselspannung, Dreiphasenwechselspannung oder Gleichspannung gespeist werden und daraus eine Dreiphasenwechselspannung für die Versorgung von Drehstrommotoren erzeugen.
Umrichter sind elektrisch ähnlich aufgebaut, dienen aber nicht der Steuerung und Versorgung eines elektrischen Motors, sondern arbeiten üblicherweise mit einer fixen Frequenz und Spannungsamplitude am Ausgang zur Versorgung mehrerer unterschiedlicher Verbraucher.
Frequenzumrichter und Umrichter sind elektronische Geräte ohne mechanisch bewegte Komponenten. Im Gegensatz dazu ist ein Umformer eine rotierende elektrische Maschine, wie sie unter anderem in Bahnstromumformerwerken verwendet wird.
mini|Kleinleistungs-Frequenzumrichter für den Betrieb von Asynchron-Drehstrommotoren
Grundaufbau und Funktionsweise mini|Elektronik eines Kleinleistungs-Umrichters
Im Prinzip besteht der indirekte, statische Frequenzumrichter aus einem Gleichrichter, der einen Gleichspannungs-Zwischenkreis speist, und einem aus diesem Zwischenkreis gespeisten Wechselrichter. Der Zwischenkreis besteht aus einem Kondensator zur Glättung der Gleichspannung und Induktivitäten zur Entstörung. Als Gleichrichter kommen dabei sowohl ungesteuerte als auch gesteuerte Brücken zum Einsatz. Die Speisung des Zwischenkreises kann bei Verwendung einer gesteuerten Brücke auch mit einer aktiven Leistungsfaktorkorrektur (PFC) erfolgen.
Am Zwischenkreis können mehrere Wechselrichter angeschlossen werden, daher findet man diese Art Frequenzumrichter sehr häufig in Werkzeugmaschinen. Realisierbar ist auch ein Zwischenkreis, welcher mit Gleichstrom und einer Glättungsdrossel als Speicherelement arbeitet. Das Speicherelement im Zwischenkreis, bei einem Gleichspannungskreis der Kondensator und bei Gleichstrom die Glättungsdrossel, überbrückt dabei die Lücken in der Energiezufuhr.
Außerdem gibt es Direktumrichter, auch als Matrixumrichter bezeichnet, die gänzlich ohne Zwischenkreis auskommen. Matrixumrichter benötigen eine lückenlose Energiezufuhr, üblicherweise werden diese Umrichter für Dreiphasenwechselstrom ausgelegt.
Der Wechselrichter arbeitet mit leistungselektronischen Schaltern (gesteuerten Brücken). Das können unter anderem Leistungstransistoren sein, wie Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), IGC-Thyristoren (IGCT).
Er erzeugt durch Pulsdauermodulation (PDM) eine veränderliche Spannung. Die Höhe der resultierenden Ausgangsspannung und auch deren Frequenz können in weiten Grenzen geregelt werden. Neben der Pulsdauermodulation gibt es auch Sinusfrequenzumrichter mit selbst oszillierender variabler Taktfrequenz, diese erzeugen am Ausgang eine rein sinusförmige Spannung.
Um bremsen zu können, besitzen einfache Frequenzumrichter einen sogenannten Brems-Chopper, der die überschüssige Energie aus dem Zwischenkreis in einen Bremswiderstand leitet und dort in Wärme umwandelt. Ansonsten würde die Zwischenkreisspannung ansteigen und die Kondensatoren zerstören. Der Chopper (Unterbrecher) wird pulsdauer-gesteuert zur quasianalogen Regelung der Heizleistung.
Für Bremsleistungen ab 1 kW – die Grenze ist fließend – werden aufwendigere rückspeisefähige Frequenzumrichter verwendet. Deren Vorteil liegt, finanziell gesehen, weniger in der Reduktion der Energiekosten, sondern in der Einsparung des Bremswiderstandes und dessen Kühlung. Dessen Eingangsschaltung vor dem Zwischenkreis ähnelt der Ausgangsschaltung sehr, nur die Frequenzvorgabe erfolgt netzseitig und mit Blindleistungsminimierung.
Ein Direktrichter mit Thyristoren kann nur Ausgangsfrequenzen kleiner als die Eingangsfrequenz erzeugen. Zwischenkreisumrichter und Direktumrichter mit IGBTs können dagegen auch Ausgangsfrequenzen erzeugen, die oberhalb der Eingangsfrequenz liegen (bis mehrere hundert Hertz).
Direktumrichter sind immer rückspeisefähig. Ein weiterer Vorteil von Direktumrichtern ist, dass diese bei gleicher Ein- und Ausgangsfrequenz ohne Schaltvorgänge praktisch verlustfrei arbeiten (Brückenbetrieb). Daher sind diese als Schwer- oder Sanftanlaufschaltung für ansonsten gleichmäßig laufende Antriebe (bspw. Fahrstühle) besonders geeignet.
Technischer Hintergrund mini|Prinzip eines Frequenzumrichters
Werden Asynchronmotoren direkt am Wechselspannungsnetz betrieben, haben sie eine von ihrer Polpaarzahl und der Netzfrequenz abhängige feste Drehzahl, die Nenndrehzahl. Beim Anlauf entstehen hohe Stromspitzenwerte und das Drehmoment ist gering. Dem wird konventionell mit verschiedenen Mitteln entgegengewirkt. Dazu gehören Stern-Dreieck-Schaltung, 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 nahezu null bis zur Nenndrehzahl zu erreichen, ohne dass das Drehmoment sinkt (Grundstellbereich). Der Motor kann auch über Nenndrehfrequenz betrieben werden (Feldschwächbereich), dann sinkt das abgegebene Moment jedoch ab, da die Betriebsspannung 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.
Der Grundstellbereich kann bei Motoren mit einer Typenschildangabe ihrer Leiterspannung von Δ/Y: 230 V/400 V an einem 400-V-Umrichter bis 87 Hz eingestellt und dadurch mit höherer Drehzahl bei Nenndrehmoment betrieben werden, wenn er in Dreieckschaltung angeschlossen wird. (Dies gilt sinngemäß ebenso für andere Netzspannungen.) Zu beachten ist jedoch u. a., dass der Eigenlüfter eine höhere Belastung darstellt und die Eisenverluste (frequenzabhängig) steigen, sodass der Motor thermisch oder mechanisch überlastet werden kann.
Für die kleinste untere Drehzahl (bzw. untere Grenzfrequenz) ist die Schlupf-Drehzahl (= Synchron-Drehzahl abzüglich Asynchron-Drehzahl beim Bemessungsmoment) und die Polzahl der elektrischen Maschine maßgeblich. Die Schlupf-Frequenz im Rotor errechnet sich aus der Beziehung: Schlupf-Drehzahl mal Polzahl geteilt durch 60: .
Die Schlupf-Frequenz muss für einen sicheren Betrieb überschritten werden (Faustformel: doppelte Schlupf-Frequenz für eine geeignete kleinste Drehzahl), da sonst der Motor im Stillstand blockiert. In modernen Umformern wird diese Einschränkung durch aktive Schlupfkompensation umgangen.
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.
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 einphasige Frequenzumrichter, bei deren Einsatz am Einphasenmotor mit Kondensator keine Änderungen vorzunehmen sind.invertekdrives.com Beschreibung eines einphasigen FU auf der Website der Fa. Invertek Drives; abgerufen am 10. Nov. 2017 Das ist besonders interessant bei bereits vorhandenen Antrieben wie Pumpen, Lüftern, Tischbohrmaschinen oder Antrieben für Transportbänder. Mit Einschränkungen können auch Spaltpolmotoren an solchen Frequenzumrichtern betrieben werden. Die Geräte fahren den Kondensatormotor zunächst mit Nennfrequenz hoch und reduzieren dann die Frequenz entsprechend der gewünschten Drehzahl. Das ist erforderlich, da der Kondensator nur bei Nennfrequenz die zum Start erforderliche Hilfsphase erzeugen kann. Aufgrund dessen können solche Frequenzumrichter nicht das Anlaufmoment erhöhen.
Frequenzumrichter erzeugen starke elektrische Störsignale 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.
Frequenzumrichter verlangen aus diesen Gründen eine fachgerechte Installation.
Bei Betrieb oberhalb der Nenndrehzahl treten im Motor erhöhte Wirbelstrom- und Hystereseverluste auf, was jedoch oft durch dessen ebenfalls schneller drehendes Lüfterrad ausgeglichen wird. Der Motor muss für die Frequenz für den Dauerbetrieb zugelassen sein. Langsamer drehende Motoren bis 3 Hz, wie oft in der Industrie verwendet, werden durch Fremdlüfter gekühlt, deren Drehzahl von einem sogenannten Fremdnetz, also Drehstrom von 50 oder 60 Hz, abhängt.
Frequenzumrichter mit Ausgangsfrequenzen über 600 Hz sind geeignet zur Ansteuerung von Zentrifugen zur Urananreicherung und unterliegen darum Dual-Use-Exportbeschränkungen. Die meisten deutschen Hersteller haben darauf reagiert, indem sie entweder nur noch Produkte (teils deutlich) unter dieser Grenzfrequenz anbieten oder ihre Produkte für größere Frequenzen mit spezieller Firmware anbieten. Derartige Anforderungen sind auch selten; man findet sie bisweilen etwa bei extrem hochtourigen Fräsmotoren sowie bei Turbopumpen. Geräte mit einer niedrigeren Grenzfrequenz sind keinen Beschränkungen unterworfen. Servoumrichter als Spezialfall sind eigentlich nicht für bestimmte feste Drehfeldfrequenzen gedacht, können aber sehr einfach so betrieben werden. Sie stellen darum exportrechtlich einen Grenzfall dar (ungefähr wie ein ziviler Bus, der aber auch ohne Mehraufwand als Truppentransporter benutzt werden kann …).
Anwendungsgebiete Bei Frequenzumrichtern unterscheidet man zwischen mehreren Hauptanwendungsgebieten, welche auch entscheiden, welcher Typ, also mit welcher Charakteristik, verwendet wird:
Elektromobilität
Frequenzumrichter werden bei modernen Elektrischen Bahnen unter der Bezeichnung Traktionsstromrichter dazu verwendet, aus dem jeweiligen Bahnstromsystem der Oberleitung oder der Stromschiene den Drehstrom für die stufenlos regelbaren Drehstrom-Fahrmotoren zu generieren.
Der Traktionsstromrichter besteht typischerweise aus Vierquadrantensteller (4QS), einem mit Gleichspannung betriebenen Zwischenkreis (ZK), Pulswechselrichter (PWR) und in Gleichstromnetzen ggf. einem Bremssteller (BST). Bei Betrieb unter einem Gleichspannungsnetz kann auf den 4QS verzichtet werden.