Frequenzumrichter

Was macht ein Frequenzumrichter?

Frequenzumrichter gehören in der Leistungselektronik zur Gruppe der Stromrichter. Stromrichter werden zur Wandlung der Stromart, der Spannung und der Frequenz eingesetzt. Je nach konstruktiver Auslegung sind sie auf einen Anwendungsbereich ausgerichtet. Ein Frequenzumwandler wird dem zu regelnden Motor vorgeschaltet. Es gibt stromgeführte und spannungsgeführte Frequenzumrichter. Beim spannungsgeführten Frequenzumrichter bleibt das Verhältnis von Spannung zu Frequenz konstant. Verdoppelt der Frequenzumwandler die Frequenz mit der entsprechenden Steigerung der Drehzahl, verdoppelt sich auch die Spannung, die am Motor anliegt.

Frequenzumrichter Aufbau

Frequenzumrichter sind überwiegend aus den Komponenten Gleichrichter, Zwischenkreis, Wechselrichter und Steuerkreis aufgebaut. Die Wechselspannung aus dem Versorgungsnetz wird im Gleichrichter in eine pulsierende Gleichspannung umgesetzt. In der nachfolgenden Stufe im Frequenzumwandler, dem Zwischenkreis, wird die Spannung aus dem Gleichrichter in eine Gleichspannung umgewandelt und geglättet. Die aus dem Zwischenkreis kommende, konstante Gleichspannung wird abschließend im Wechselrichter in eine Wechselspannung mit der gewünschten Frequenz umgewandelt. Die Frequenz vom Frequenzumwandler steuert die Drehzahl des angeschlossenen Motors. Mit dem Steuerkreis besteht eine Komponente, die Signale von Gleichrichter, Zwischenkreis und Wechselrichter empfängt und diesen Komponenten Signale zusendet.

Frequenzumwandler mit Leistungstransistor

Im Wechselrichter werden heute zunehmend Leistungstransistoren eingesetzt, um die Wechselspannung für den Motor zu erzeugen. Drehstrom mit drei Phasen erzeugt der Frequenzumrichter mit einer Schaltung von sechs Transistoren. Die Steuerung der Transistoren erfolgt über die Signale, die der Steuerkreis an den Wechselrichter abgibt. Im Wechselrichter kommen drei Typen von Transistoren hauptsächlich zum Einsatz. Dies sind LTR, MOSFET und IGBT (Insulated Gate Bipolar) Transistoren. Ihre Eignung für den jeweiligen Einsatzfall ergibt sich aus der Kombination ihrer Eigenschaften wie Leitfähigkeit, Taktfrequenz und Steuerbarkeit.

Frequenzumwandler mit Pulsweitenmodulation

Um die variablen Spannungen und Frequenzen durch das Schalten der Halbleiter im Wechselrichter zu erzeugen, sind zwei Modulationsverfahren üblich. Es sind die Pulsamplitudenmodulation (PAM) und die Pulsweitenmodulation (PWM). Die Pulsweitenmodulation ist bei konstanter Spannung vom Zwischenkreis anwendbar. Die Halbleiter im Wechselrichter werden so geschaltet, dass die Gleichspannung aus dem Zwischenkreis für eine bestimmte Dauer an den Motorwicklungen anliegt. Diese Dauer ist steuerbar, d.h. die Pulsweite kann kontrolliert, bzw. moduliert werden.

Beschleunigung mit dem Frequenzumrichter

Sind das vom Motor gelieferte Drehmoment und die Last im Gleichgewicht, bleibt die Drehzahl konstant. Zum Beschleunigen muss der Motor in der Lage sein, ein höheres Drehmoment aufzubauen. Die Differenz zwischen dem Drehmoment für den Lauf mit konstanter Drehzahl und dem für eine Beschleunigung des Motors erforderlichen Drehmoment wird als Überschussmoment bezeichnet. Solange der Motor ein höheres Drehmoment erzeugen kann, als durch die Last einschließlich mit der Drehzahl zunehmender Widerstände, wie Luftwiderstand und Reibungswiderstand, entgegengesetzt wird, steigt die Drehzahl an. Wird die Last bei einer gegebenen Drehzahl erhöht, sinkt die Drehzahl ab, bis das Überschussmoment Null ist. Wird die Last weiter erhöht, bleibt der Motor stehen.

Wo werden Frequenzumrichter eingesetzt?

Frequenzumrichter sind in einer Vielzahl von Anwendungen im Einsatz. Die Anwendungen lassen sich nach typischen Merkmalen des Lastverlaufes in Anwendungsgebiete einteilen. Im Bereich der industriellen Automatisierungstechnik dominieren Anwendungen für den Antrieb von Maschinen und Anlagen und deren Komponenten. In Werkzeugmaschinen, Industrierobotern und Fertigungseinrichtungen sind Werkzeuge und Werkstücke schnell und präzise zu bewegen. Die eingesetzten Motoren müssen mit dem Frequenzumrichter in der Geschwindigkeit und im Drehmoment gesteuert werden.

Hinzu kommt das Bewegen von Lasten. Wird eine schwere Last vom Stillstand ausgehend in Bewegung versetzt, ist zunächst die Haftreibung zu überwinden. Der Frequenzumwandler muss das für dieses Losbrechen erforderliche Drehmoment einstellen und es nach dem Einsetzen der Bewegung so weit verringern, dass die Beschleunigung der Last nicht zu hoch wird (Sanftanlauf). Frequenzumwandler 230V und Frequenzumwandler 400V sind für diese Einsatzfälle erhältlich.