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Was ist ein Frequenzumrichter und wo wird er eingesetzt?

Was ist ein Frequenzumrichter und wo wird er eingesetzt?

Viele elektrische Maschinen benötigten für ihren Antrieb eine in der Frequenz und Amplitude veränderbare Wechselspannung. Ist jedoch nur eine Wechselspannung vorhanden, so muss diese umgewandelt werden. Zu diesem Zweck werden Frequenzumrichter verwendet.

Aufbau und Funktionsweise

Wechselspannung und Wechselstrom werden durch mehrere Größen charakterisiert. Der Wechselstrom ändert dabei sowohl seine Größe wie auch seine Richtung. Man unterscheidet dabei zwischen indirekten statischen Frequenzumrichtern und direkten Frequenzumrichtern.

Indirekte statische Frequenzumrichter bestehen aus einem Gleichrichter, welcher den integrierten Gleichspannungs-Zwischenkreis speist. Als Gleichrichter werden hierbei sowohl ungesteuerte Brücken als auch gesteuerte Brücken eingesetzt. Als gesteuerte Brücken kommen hier unter anderem Transistoren oder Schaltthyristoren zum Einsatz. Der Zwischenkreis besteht dabei aus einem Kondensator und aus Induktivitäten. Aus diesem Gleichspannungs-Zwischenkreis heraus wird der Wechselrichter gespeist. Diese Art der Frequenzumrichter können auch mit einphasiger Wechselspannung gespeist werden. Die Wechselrichter erzeugen eine veränderliche Spannung durch Pulsweitenmodulatoren. Dabei können die Höhen der resultierenden Ausgangsspannung wie auch die Frequenzen in weiten Bereichen geregelt werden.

Zudem ist es möglich, das an diesen Zwischenkreis mehrere Wechselrichter angeschlossen werden können. Diese Möglichkeit wird in vielen Fällen zum Einbau in den verschiedensten Werkzeugmaschinen genutzt.

  • Direkte Frequenzumrichter werden auch als Matrixumrichter bezeichnet. Diese kommen ohne Zwischenkreis aus. Arbeiten können diese jedoch nur, wenn eine lückenlose Energiezufuhr gegeben ist.

Anwendungsgebiete

Frequenzumrichter werden in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt. Der jeweilige Einsatzbereich entscheidet auch darüber, welcher Frequenzumrichter mit welcher Charakteristik zur Anwendung kommen. Die Anwendungsgebiete liegen unter anderem in den Bereichen von elektrischen Bahnen, bei Pumpenanwendungen, bei Lüfteranwendungen wie auch bei Hebeanwendungen, Fortbewegungsanwendungen oder auch im Servoantrieb. Die umfangreiche Palette der Anwendungsgebiete resultiert vor allen Dingen daraus, das die meisten Frequenzumrichter neben ihren Leistungsanschlüssen auch über digitale Ein- und Ausgänge und/oder über analoge Ein- und Ausgänge verfügen. Daneben sind für die meisten angebotenen Frequenzumrichter auch Anschaltungen für Bussysteme oder für das Industrial Ethernet gegeben.
Daneben ist durch die gegebene Parametrierung der Frequenzumrichter eine Anpassung an den jeweils anzutreibenden Motor gegeben. Diese Parametrierung kann den jeweiligen Motor nicht nur optimal betreiben, sondern schützt diesen auch.

Betriebsarten

Frequenzumrichter werden auch durch ihre Betriebsarten unterschieden. Die einfachste Betriebsart ist hierbei die Regelung der Motorspannung und die Regelung der Frequenz in einem konstanten Verhältnis. Dabei sind die Frequenz und die Spannung zueinander proportional.
Die feldorientierte Regelung wird auch als Vektorregelung bezeichnet. Auf Basis eines unterlagerten Stromreglers besteht dieser Frequenzumrichter aus einem Drehzahlregler. Mit diesem werden die momentanen Blindkomponenten und Wirkstromkomponenten geregelt. Viele dieser Frequenzumrichter beinhalten ein elektronisch abgelegtes Motorenmodell. In diesem werden die Kennwerte des Motors gespeichert. Gute Modelle ermitteln diese sogar selbstständig und adaptieren diese. Aufgrund dessen ist eine separate Drehzahlmessung und Drehzahlrückführung nicht mehr notwendig zur Regulierung der Drehzahl und des Moments. Anhand des Betrages des ermittelten Momentanstromes sowie dessen Phasenlage zur Spannung können daraus die nötigen Motorzustände ermittelt werden. Hierzu gehören die Drehzahl, der Schlupf, der Drehmoment und auch die thermische Verlustleistung. So sind mit der Vektorregelung hohe Drehzahlen und hohe Drehmomenteinstellbereiche möglich.

Schutz und Sicherheit

Werden Motoren an einen Frequenzumrichter angeschlossen, so muss auch eine ausreichende Kühlung gegeben sein. Dabei unterliegen die Temperaturverhältnisse eines Motors verschiedenen Einflüssen. Bei einer fallenden Drehzahl verringert sich auch die Kühlluftmenge und bei einem nicht sinusförmigen Motorstrom entsteht Wärme innerhalb des Motors. Verringert sich die Drehzahl, so kann der Belastungsgrad des Motors herabgesetzt werden durch den Einsatz eines größeren Motors. Hier ist jedoch darauf zu achten, wie hoch die Grenzen des Frequenzumrichters für den anzuschließenden Motor sind. Ist der Einsatz eines größeren Motors nicht möglich und ist der Motorstrom nicht sinusförmig, so ist eine zusätzliche Kühlung unerlässlich. Manche Frequenzumrichter bieten eine Überwachung von Temperaturgrenzen an. Dies geschieht durch eingebaute Temperaturfühler, welche bei einer Erhöhung der zulässigen Temperaturgrenzen die Stromzufuhr unterbrechen.

Für einen zusätzlichen Schutz verfügen sie über einen zusätzlichen Schutz, um gefährliche Berührungsspannungen an den äußeren Gehäuseteilen zu vermeiden. Dieser zusätzliche Schutz ist abhängig von den örtlichen Verhältnissen sowie von den jeweiligen Bestimmungen. Zu den verschiedenen Schutzformen gehören die Nullung, die Erdung und Schutzrelais.
Bei der Nullung kommen Schutzleiter zum Einsatz, welche zwischen der Erdungsklemme und dem Nullleiter, direkt in der Versorgungsleitung der Installation installiert sind. Die Nullung findet man häufig in Wohnungsinstallationen wie auch in Industrienetzen.

Die Erdung erfolgt durch einen Schutzleiter zwischen der Erdungsklemme und der Potentialausgleichsschiene.
Beim Einsatz von Schutzrelais findet man sowohl Fehlerspannungsrelais wie auch Fehlerstromrelais. Angeschlossen werden Fehlerspannungsrelais als Schutzleiter zwischen der Erdungsklemme und dem Erdpotential.

Fehlerstromrelais werden häufig dort eingesetzt, wo eine Nullung nicht erlaubt ist. Daneben findet man sie auch dort, wo der Untergrund eine Erdung nicht zulässt.

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