Frequenzumrichter
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Ein Frequenzumrichter ist ein Gerät, das aus einem Wechselstrom (auch Drehstrom) mit bestimmter Frequenz eine in Höhe und Frequenz veränderte Spannung generiert. Mit dieser umgerichteten Spannung wird dann der Verbraucher betrieben.
Heute werden dazu meist elektronische Geräte verwendet, früher wurden Netze unterschiedlicher Frequenz über rotierende Umformer gekoppelt. Allerdings werden in Bahnstromumformerwerken immer noch mechanische Anlagen verwendet.
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[Bearbeiten] Grundaufbau
Im Prinzip besteht der elektronische (statische) Frequenzumrichter aus einem Gleichrichter, der einen Gleichstrom- oder Gleichspannungs-Zwischenkreis speist, und einem aus diesem Zwischenkreis gespeisten Wechselrichter. Die Höhe der Ausgangsspannung und auch deren Frequenz können in weiten Grenzen geregelt werden.
Daneben findet man gelegentlich sogenannte Direktumrichter, auch Matrixumrichter genannt, bei denen über Halbleiterschalter jede Netzphase mit jeder Phase der Last direkt verbunden werden kann. Der Zwischenkreis mit der Gleichgröße entfällt somit.
Ein Direktrichter mit Thyristoren kann jedoch nur Ausgangsfrequenzen kleiner der Eingangsfrequenz erzeugen, ein Zwischenkreisumrichter kann auch Ausgangsfrequenzen erzeugen, die deutlich oberhalb der Eingangsfrequenz liegen (bis mehrere hundert Hz).
[Bearbeiten] Ansteuerung
Frequenzumrichter für die Antriebstechnik verfügen neben den Leistungsanschlüssen meist über digitale Ein- und Ausgänge, einen Analogeingang sowie einen Analogausgang. Am Analogeingang kann z.B. ein Potentiometer zur Einstellung der Ausgangsfrequenz angeschlossen werden.
Zur analogen Ansteuerung werden die Einheitssignalpegel 0...10 V, 0...20 mA oder 4...20 mA genutzt. Es gibt auch Frequenzumrichter, die über Bussysteme, z. B. LON, Modbus, CAN-BUS, PROFIBUS, PROFINET, Ethernet oder auch über Ethernet Powerlink angesteuert werden.
[Bearbeiten] Parametrierung
Umrichter können durch Parametriermöglichkeiten dem jeweils anzutreibenden Motor angepasst werden, um diesen optimal zu betreiben und zu schützen. Dies geschieht heute kaum noch durch Potentiometer und DIP-Schalter, sondern 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 entsprechendes grafisches Programm am PC. Fertige Datensätze werden dann über eine Schnittstelle in den Umrichter geladen.
Ebenfalls ist es heutzutage üblich, den fertigen Parametersatz auf einem Speichermedium (z. B. Chip- und Flashkarten) zu speichern, das dann anschließend in den Frequenzumrichter gesteckt wird.
Einige Modelle können selbst die Antriebseigenschaften messen und ihre eigenen Regelparameter im Rahmen der Inbetriebnahme selbständig einstellen. Zuweilen können sie auch programmierte Verfahrbewegungen selbstständig abarbeiten (Motion Control).
[Bearbeiten] Anwendungsgebiete
[Bearbeiten] Technischer Hintergrund
Werden Asynchronmotoren direkt am Wechselspannungsnetz betrieben, haben sie eine von ihrer Polzahl und der Netzfrequenz abhängige feste Nenndrehzahl. Beim Anlauf entstehen hohe Stromspitzenwerte und das Drehmoment ist gering. Dem wird konventionell mit verschiedenen Mitteln entgegen gewirkt. Dazu gehören Stern-Dreieck-Schaltung, KUSA-Anlasser, 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.
[Bearbeiten] Erweiterter Drehzahlbereich
Frequenzumrichter ermöglichen es demgegenüber, stufenlos Drehzahlen von null bis über die Nenndrehzahl zu erreichen, ohne dass das Drehmoment sinkt. Sie sind daher in der Industrie weit verbreitet und gestatten den Einsatz von preiswerten Standard-Asynchronmotoren in einem erweiterten Drehzahlbereich.
[Bearbeiten] 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.
[Bearbeiten] Rückspeisung und Vierquadrantenbetrieb
Asynchronmotoren können mit rückspeisefähigen Umrichtern auch als Generator betrieben werden. Durch deren Wechselrichter lässt sich die Bremsenergie des Motors aus dem Zwischenkreis auch wieder in das Netz zurückspeisen. Bei Windenergieanlagen und in kleinen Wasserkraftwerken kann so ein preiswerter Asynchrongenerator verwendet werden. Aber auch andere große Motoren speisen sinnvollerweise in das Netz zurück, z.B. Zentrifugen in Zuckerfabriken oder Belastungseinrichtungen auf Motorprüfständen.
Ist der Umrichter in der Lage, in beiden Drehrichtungen Energie vom Netz zum Motor und beim Bremsen auch zurück ins Netz zu übertragen, spricht man von Vierquadrantenbetrieb. Dies ist insbesondere für Fahrzeuge und sonstige Antriebe interessant, die zyklisch bremsen müssen (Nutzbremsung). Dies kann bei Lokomotiven oder anderen Fahrzeugen bei der Bremsung ausgenutzt werden. Hybrid-PKW speisen dabei in ihre Batterien.
[Bearbeiten] 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 eine Frequenzumrichtervariante, die lediglich in die einphasige Zuleitung geschaltet wird und an dem Einphasenmotor mit Kondensator keine Änderungen vorzunehmen sind. Dies ist besonders interessant bei bereits vorhandenen Antrieben wie Pumpen, Lüftern, Tischbohrmaschinen oder Antrieben für Transportbänder.
Mit Einschränkungen können auch Spaltpolmotoren an Frequenzumrichtern betrieben werden.
Frequenzumrichter erzeugen starke elektrische Störsignale (EMV) 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.
Bei Betrieb oberhalb der Nenndrehzahl treten im Motor erhöhte Wirbelstrom- und Hystereseverluste auf, was jedoch oft durch dessen ebenfalls schneller drehendes Lüfterrad ausgeglichen wird.
Frequenzumrichter verlangen aus diesen Gründen eine fachgerechte Installation. Die Hinweise der Hersteller sind dabei oft hilfreich.
[Bearbeiten] Bau- und Betriebsarten
[Bearbeiten] U/f-Betrieb
Dies ist die einfachste Betriebsweise eines Frequenzumrichter. Der Umrichter regelt die Motorspannung und die Frequenz in einem konstanten Verhältnis. Frequenz und Spannung sind zueinander proportional. Aufgrund des induktiven Verhalten des Motors führt dies zu einem über weite Bereiche konstanten Drehmoment, ohne den Motor zu überlasten. Bei sehr geringen Drehzahlen führt diese Betriebsart aufgrund des ohmschen Widerstandes der Wicklung jedoch zu einem geringeren Drehmoment. Um dies zu beheben, kann oft eine Spannungsanhebung im unteren Frequenzbereich eingestellt werden.
Beim U/f-Betrieb variiert die Drehzahl des angeschlossenen Motors abhängig von dessen Belastung.
Eine Schlupfkompensation bzw. konstante Drehzahl kann nur mit einer Regelung mit einem Drehzahlgeber erreicht werden. U/f-Betrieb ist daher nur bei geringen Anforderungen an die Drehzahlkonstanz und ohne Schweranlauf ausreichend.
[Bearbeiten] Feldorientierte Umrichter
Die Vektorregelung oder auch feldorientierte Regelung besteht aus einem Drehzahlregler auf der Basis eines unterlagerten Stromreglers. Die momentanen Blind- und Wirkstromkomponenten werden geregelt. In einem elektronisch im Umrichter abgelegten Motorenmodell werden die Motorkennwerte gespeichert oder ggf. sogar selbsttätig ermittelt und adaptiert. Das hat den Vorteil, dass es keine separate Drehzahlmessung und -rückführung geben muss, um Drehzahl und Moment zu regeln. Die rückgeführte, zur Regelung genutzte Größe ist vielmehr ausschließlich der Momentanstrom. Anhand dessen Größe und Phasenlage zur Spannung können alle erforderlichen Motorzustände (Drehzahl, Schlupf, Drehmoment und sogar die thermische Verlustleistung) ermittelt werden.
Auf diese Weise sind sehr hohe Drehzahl- und Momentenstellbereiche möglich. Typisch sind Regelbereiche für die Drehzahl von 1:120 (mit zusätzlichem Drehzahlgeber sogar bis 1:2000). Das Moment reicht von null bis zum Vierfachen des Motor-Nennmomentes.
Die meisten Frequenzumrichter benutzen heute DSP-Schaltkreise oder Mikrocontroller, um diese Informationen aus dem Motorstrom zu gewinnen und zu verarbeiten.
[Bearbeiten] Kommutierungssarten
Kommutierung nennt man analog zum Kommutator bei Gleichstrommaschinen die Steuerung der Stromzufuhr zu den Motorwicklungen durch die Halbleiterschalter im Frequenzumrichter.
Man unterscheidet folgende Kommutierungssarten:
- Sinuskommutierte Pulsweitenmodulation (PWM, Space Vector PWM oder SVPWM für Synchron- und Asynchronmaschinen)
- Blockkommutierte PWM (für Synchronmaschinen)
- seltener: Hystereseregler (Zweipunktregler)
Bei einer Blockkommutierung werden immer genau 2 von 3 Drehstromwicklungen bestromt. Die dritte Wicklung ist unbenutzt und wird von einigen Frequenzumrichtern zur Vermessung der Gegen-EMK (Back-EMF) benutzt. Damit können permanenterregte Maschinen vom Frequenzumrichter ohne den sonst erforderlichen Lagegeber optimal kommutiert werden. Aufgrund der permanent konstanten magnetischen Durchflutung ergeben sich gegenüber einer Sinuskommutierung kaum Nachteile in der Welligkeit des Drehmoments oder des Wirkungsgrads. In Analogie zu einem Schrittmotor spricht man in dieser Betriebsart auch von einem 6-Schritt-Betrieb.
Zum Betrieb von Asynchronmaschinen ist eine Sinuskommutierung durch den Frequenzumrichter üblich (Sinusumrichter; die Pulsweiten werden sinusförmig moduliert). Hierbei sind immer genau 3 von 6 Halbleiter-Schaltern eingeschaltet. Die Erzeugung der Schaltsignale erfolgt in der Regel durch Mikrokontroller, welche speziell für Motoranwendungen in Ausführungen mit 6 PWM-Ausgängen erhältlich sind.
Anordnung der 6 Transistoren in der Endstufe (Drehstrom-Vollbrücke) eines Frequenzumrichters
| T1 | T3 | T5 |
| T2 | T4 | T6 |
Entsprechend der binären Gewichtung ergeben sich wie bei der Blockkommutierung hauptsächlich 6 relevante Zustände:
| Zustand | Eingeschaltet |
| 0=000 | T2,T4,T6 |
| 1=001 | T2,T4,T5 |
| 2=010 | T2,T3,T6 |
| 3=011 | T2,T3,T5 |
| 4=100 | T1,T4,T6 |
| 5=101 | T1,T4,T5 |
| 6=110 | T1,T3,T6 |
| 7=111 | T1,T3,T5 |
Ein sinusförmiger Strom wird nun durch eine zeitgewichtete Umschaltung zwischen den stromführenden Zuständen erreicht. Zur Anpassung der Amplitude kann die Endstufe außerdem auch abgeschaltet werden, weshalb 2 weitere Zustände eingeführt werden, bei welchen kein Strom fließen kann. Im obenstehenden Beispiel sind dies die Zustände 0 und 7, bei welchen jeweils die oberen 3 oder die unteren 3 Transistoren der Endstufe eingeschaltet sind.
Im Prinzip könnte man eine Sinuskommutierung auch durch Einfügen von nur einem einzigen "Aus"-Zustand erreichen. Hierbei sind jedoch die Schaltverluste der Endstufe nicht optimal. Um diese klein zu halten, erfolgt der Aus-Zustand 000 immer nach den Zuständen 1=001, 2=010 und 4=100, während auf die Zustände 6=110, 5=101 und 3=011 vorzugsweise der Aus-Zustand 7=111 folgt. Mit dieser Verteilung auf 2 Aus-Zustände findet immer nur ein Schaltvorgang bei der Kommutierung statt. Übliche PWM-Frequenzen in der Antriebstechnik liegen zwischen 2 kHz und ca. 20 kHz. Mit zunehmender Schaltfrequenz wird der Sinus besser angenähert und die Schaltverluste nehmen zu.
Für eine weitere Optimierung der Sinuskommutierung ist die Überlagung der dritten Harmonischen zur gewünschten Ausgangsfrequenz gebräuchlich.
Blau dargestellt ist ein normaler Sinus f1(x)= 100*sin(x). Der Faktor 100 soll eine Modulation mit PWM von 0 bis 100 % symbolisieren. Grün dargestellt ist die dritte Harmonische f2(x)= 15*sin(3x). Die Frequenz ist genau 3 mal so hoch und die Phasenlage gleich wie die Grundschwingung f1(x). Die Amplitude mit 15 % Pulsweite wurde zunächst willkürlich gewählt. Die schwarz dargestellte Kurve zeigt nun eine Addition beider Sinusfrequenzen mit f1(x)+f2(x). Es entsteht ein resultierendes Signal mit kleinerer Amplitude, welches eher einem Rechtecksignal als einer Sinuskurve ähnlich ist. Außerdem ist der Maximalwert der Amplitude kleiner als die ursprünglich unverzerrte Sinuskurve, weil die 3. Harmonische Frequenz am Maximalwert der Grundschwingung immer ihr umgekehrtes Maximum hat. Werden beide Sinusschwingungen nun in einem Mikrokontroller über eine Tabelle erzeugt, so wird zur Addition keine Rechenleistung benötigt und der Pulsweitenmodulator ist nur zu etwa 85 % seines möglichen maximalen Arbeitsbereichs ausgenutzt. Die verbleibenden 15 % können zur Leistungssteigerung des Frequenzumrichters benutzt werden.
Nun ist es jedoch äußerst problematisch, verschiedene Drehstromverbraucher (u. a. Asynchronmotoren) mit anderen Kurvenformen als mit Sinus zu betreiben. Daher wird im Folgenden noch gezeigt, dass die Kommutierung mit der dritten Harmonischen keinerlei Einfluss auf die Sinuskurvenform am Ausgang des Frequenzumrichters hat.
Blau dargestellt sind L1(x)=10*sin(x) --- Grün dargestellt ist L2(x)=10*sin(x+2/3*pi) --- Schwarz dargestellt ist L3(x)=10*sin(x+4/3*pi) ---
Dies ergibt das übliche Bild von 3 Drehstromphasen. Wird nun anstelle einer Sternschaltung ein Verbraucher zwischen den Phasen angeschlossen (Dreiecksschaltung), so ergibt sich als Differenzspannung zwischen 2 beliebigen Phasen jeweils wieder eine sinusförmige Spannung mit erhöhter Amplitude. Ergibt also die Differenz zwischen L1(x)-L2(x) ein sinusförmiges Resultat, so bleibt dies weiterhin gültig, wenn zu L1(x) und L2(x) jeweils eine gleiche Funktion hinzugerechnet wird. Bei einer Verschiebung von 2/3 pi zwischen den Drehstromphasen ist die dritte Oberwelle zur nächsten Phase jedoch völlig identisch, da sie um genau eine volle Periode verschoben ist. Daher ergeben sich bei der Kommutierung mit der 3. Oberwelle am Ausgang des Frequenzumrichters wiederum sinusförmige Spannungen und Ströme und zwar unabhängig davon, ob der Verbraucher in Stern oder Dreieck angeschlossen ist.
Die dadurch erreichte Leistungssteigerung des Frequenzumrichters sowie eines daran angeschlossenen Antriebs liegt in der Regel bei etwa 15 %. Dies entspricht etwa dem Amplitudenverlust einer 6-Puls-Drehstrom-Gleichrichterschaltung, welcher im Zwischenkreis etwa 86 % der Spitzenspannung liefert.
[Bearbeiten] EMV-Problematik (Schaltvorgänge)
Frequenzumrichter arbeiten mit steilen Schaltflanken, um die Verlustleistung zu minimieren und einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Bei IGBT-Frequenzumrichtern für 400V Netzbetrieb (560V Zwischenkreisspannung) schalten die IGBTs innerhalb von rund 200ns um. Dies führt zu einer Spannungssteilheit an den Motorleitungen von rund 3kV / µs. Eine typische kapazitätsarme Motorleitung ist ein gemeinsam abgeschirmtes mehradriges Kabel mit einem Kapazitätsbelag von ca. 200pF/m. Die Flankensteilheit (= Der Zorn des Wechselrichters) führt zu Umladeströmen von rund 0,6A/m. Dies summiert sich bei langen Motorleitungen zu Umladeströmen bis zu 20A auf, die auch bei Geräten kleiner Leistung fließen, eine nicht unerhebliche Belastung für den Wechselrichter. Bei langen Motorleitungen wachsen die Ströme aufgrund der Wellenausbreitung (5ns/m) nicht weiter an.
Für die Installation von Frequenzumrichtern ist wichtig, dass diese Ströme einer außerordentlich energiereichen Quelle entspringen. Wenn diese Ströme nicht den Weg fließen können, auf dem sie keinen Schaden anrichten, dann suchen die Ströme sich ihren Weg. Wenn die Motorleitung schlecht angeschlossen ist, z.B. Anschluss der Abschirmung als verdrilltes Leitungsende (Pigtail) oder gar keine Auflage der Abschirmung, dann fließen die Umladeströme über Leitungen und Schaltungsteile z.B. Steuerklemmen oder Feldbussysteme und führen dort zu massiven Störungen.
Ein sauberer Anschluss der Motorleitung ("Wasserleitungstechnik", großflächige Auflage der Abschirmung) ist essenziell für ein gutes EMV-Verhalten des Frequenzumrichters.
Die Produktnorm für Frequenzumrichter EN61800-3 legt Grenzwerte für Störaussendungen fest.
[Bearbeiten] EMV-Problematik (Netzrückwirkungen)
Ein Frequenzumrichter besteht netzseitig aus einem ungesteuerten Gleichrichter und einem Spannungs-Zwischenkreis mit Elektrolytkondensatoren als Energiespeicher.
Das Netz (Spannungsquelle aufgrund der niedrigen Impedanz) und der Zwischenkreis (Spannungsquelle aufgrund der Kondensatoren) werden mit Hilfe der Gleichrichterdioden aufeinandergeschaltet. Dies führt zu impulsartigen Ladeströmen, die das Netz stark belasten. Durch Vorschalten von dreiphasigen Netzdrosseln lassen sich die Netzrückwirkungen mildern. Der Anschluss von Frequenzumrichern direkt an das Netz führt zu einer starken Belastung von Netz und Zwischenkreis. Dies reduziert die Lebensdauer des Frequenzumrichter.
Netzrückwirkungen für Frequenzumrichter sind in EN61800-3-2 festgelegt. Interessant ist hierbei, dass es keine Grenzwerte für Frequenzumrichter mit einer Nennleistung von mehr als 1KW gibt wärend Umrichter kleinerer Leistung Grenzwerte einhalten müssen.
[Bearbeiten] Geräuschverhalten
Bei der Verwendung einer PWM-Taktfrequenz im Hörbereich entstehen oft störende Geräusche. Diese werden durch mechanische Schwingungen der Motorwicklungen hervorgerufen, die sich mit der Pulsfrequenz magnetisch anziehen und wieder abstoßen. Zur Vermeidung dieses Effektes wird die Pulsfrequenz wenn möglich auf >16kHz erhöht, was allerdings die Verlustleistung des Frequenzumrichters erhöht. Die übliche Standardpulsfrequenz liegt bei 6kHz und ist gewöhnlich einstellbar von 3kHz bis 16kHz.
[Bearbeiten] Siehe auch
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