Der
Frequenzumrichter
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
Frequenzumrichter
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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