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frequenzumrichter

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Frequenzumrichter

Table of contents
1 Grundsätzliches
2 Rückspeisung
3 Ansteuerung
4 Parametrierung
5 Einsatz
6 Bauarten

Grundsätzliches

Ein Frequenzumrichter ist ein Gerät, das aus einem Wechselstrom einer Frequenz einen Wechselstrom einer anderen Frequenz macht. Mit dieser umgerichteten Frequenz wird dann der Verbraucher betrieben. Heute werden dazu meist elektronische Geräte verwendet, früher wurden Netze unterschiedlicher Frequenz über rotierende Umformer gekoppelt. Im Prinzip besteht der elektronische Frequenzumrichter aus einem Gleichrichter, der einen Gleichstrom-Zwischenkreis speist, und einem aus diesem Zwischenkreis gespeisten Wechselrichter. Die Höhe der Ausgangsspannung und auch dessen Frequenz können in weiten Grenzen geregelt werden.

Rückspeisung

Durch geeignete Gleichrichter lässt sich Bremsenergie des Motors auch über den Zwischenkreis wieder in das Netz zurückspeisen. Dies kann bei Lokomotiven oder anderen Fahrzeugen, wie den neuen Hybrid-PKW, zur Bremsung ausgenutzt werden. Bei Windenergieanlagen und in kleinen Wasserkraftwerken kann so ein preiswerter Asynchrongenerator verwendet werden. Aber auch andere große Motoren speisen sinnvollerweise in das Netz zurück. Andernfalls muss die rückgespeiste Energie durch Brems-Widerstände aus dem Zwischenkreis entfernt werden.

Ansteuerung

Ausgeführte Frequenzumrichter verfügen neben den Leistungsanschlüssen über digitale Ein- und Ausgänge sowie über mindestens einen Analogeingang für den Drehzahlsollwert. Es gibt Frequenzumrichter, die über Bussysteme angesteuert werden.

Parametrierung

Umrichter können durch Parametriermöglichkeiten dem jeweils anzutreibenden Motor angepasst werden. Dies geschieht entweder durch Potentiometer und DIP-Schalter (heute kaum noch) oder 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 enstprechendes grafisches Programm am PC. Fertige Datensätze werden dann über eine Schnittstelle in den Umrichter geladen. Einige Modelle erlauben es, dabei komplette Verfahrbewegungen selbstständig ausführen.

Einsatz

Frequenzumrichter sind weit verbreitet in der Industrie. Sie gestatten den Einsatz von preiswerten Normmotoren in einem weiten Drehzahlbereich. Insbesondere bei Drehstrommotoren gibt es günstige Anwendungsgebiete. So erlaubt ein Umrichter mit Vektorkontrolle auch bei einem Asyncronmotor das volle Drehmoment bereits ab dem Stillstand.

Bauarten

Volt/Hertz-Frequenzumrichter

Einfachste Ausführung aktueller Frequenzumrichter. Der Umrichter regelt die Motorspannung und die Frequenz in einem linearen Verhältnis. Dies führt zu einem sehr schwachen Drehmoment bei geringen Drehzahlen. Abhängig von der aktuellen Belastung des angeschlossenen Motors variiert dessen Drehzahl entsprechend. Eine Schlupfkompensation reagiert ohne Rückführung durch einen Drehgeber ebenfalls nicht auf eine Änderung der Belastung. Diese Ausführung ist für einfache Applikationen mit geringer Drehzahlvarianz und ohne Schweranlauf ausreichend.

Vektor-geregelte Umrichter

Bei diesem Typ von Umrichter beeinflusst entweder den Magnetisierungsstrom Id und/oder den momentbildenden Strom Iq. Das Vektorprodukt dieser beiden Ströme bildet den Gesamtstrom. Das Kreuzprodukt der Vektoren Id X Iq erzeugt das Drehmoment im Motor.

Flussvektor Umrichter
Hierbei wird der Frequenzsollwert von einem Stromregler vorgegeben. Dadurch verbesert sich die Antriebsdynamik. Motormoment oder Drehzahl können gesteuert werden, allerdings mit eingeschränkter Regelgüte.

Feldorientierte Umrichter
Bei diesem Typ können gleichzeitig Moment und Drehzahl geregelt werden. Es werden sowohl die beiden Stromkomponenten als auch deren Winkel geregelt. Mit diesem Typ ist sowohl eine genaue Momentenregelung und Drehzahlregelung als auch eine schnelle Reaktion auf Belastungsschwankungen möglich. Sehr hohe Drehzahl- und Momentenstellbereiche sind möglich. Typisch sind Regelbereiche für die Drehzahl von 1:120 (mit Rückführung durch Drehgeber bis 1:2000) und für das Moment von 0 x Mn bis 4 x Mn. Moderne Geräte benutzen DSP-Bausteine, um aus dem Motor eine Rückführung zu erhalten. Die Regelgüte entspricht damit fast den Werten, die mit einem Feedback-Drehgeber erreicht werden können.

Sensorless Vector
Befinden sich von der Regelgüte nahe an den feldorientierten Umrichtern, haben jedoch nicht die Möglichkeit, das Drehmoment zu regeln. Regelbereiche sind ähnlich dem feldorientierten Umrichter. Diese Geräte sind zur Zeit aufgrund Ihrer geringen Mehrkosten gegenüber den Volt/Hertz-Umrichtern weit verbreitet.

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