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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.

Grundsätzliches

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 kann jedoch nur Ausgangsfrequenzen kleiner der Eingangsfrequenz erzeugen, ein Zwischenkreisumrichter kann auch Ausgangsfreqenzen erzeugen, die deutlich oberhalb der Eingangsfrequenz liegen (bis mehrere hundert Hz).

Rückspeisung

Durch geeignete Wechselrichter lässt sich Bremsenergie eines Motors aus dem Zwischenkreis auch wieder in das Netz zurückspeisen. Dies kann bei Lokomotiven oder anderen Fahrzeugen bei der Bremsung ausgenutzt werden. Die Hybrid-PKW speisen dabei in ihre Batterien. 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.

Ansteuerung

Ausgeführte Frequenzumrichter für die Antriebstechnik verfügen neben den Leistungsanschlüssen über digitale Ein- und Ausgänge, einen Analogeingang sowie einen Analogausgang. Als Standardsignale werden hier 0...10 V, 0...20 mA oder 4...20 mA genutzt. Es gibt Frequenzumrichter, die über Bussysteme, z. B. LON, CAN-BUS, PROFIBUS, Ethernet oder auch über Ethernet Powerlink angesteuert werden.

Parametrierung

Umrichter können durch Parametriermöglichkeiten dem jeweils anzutreibenden Motor angepasst werden. 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 durch Messung der Antriebseigenschaften ihre eigenen Regelparameter im Rahmen der Inbetriebnahme selbständig einstellen und später auch programmierte Verfahrbewegungen selbstständig abarbeiten (Motion Control).

Einsatz

Frequenzumrichter sind in der Industrie weit verbreitet. Sie gestatten den Einsatz von preiswerten Normmotoren in einem weiten Drehzahlbereich. Insbesondere bei Drehstrommotoren gibt es günstige Anwendungsgebiete. Inzwischen gibt es auch Frequenzumrichter für einphasige Wechselstrommotoren wie z.B. Kondensatormotoren, um bereits vorhandene Motoren nachträglich in der Drehzahl zu regeln.

So erlaubt ein Umrichter mit Raumzeigermodulation (Space Vector Control) auch bei einem Asynchronmotor die getrennte Regelung von Drehmoment und Drehzahl.

Werden Käfigläufer-Drehstrommotoren am starren 50-Hz-Netz betrieben, drehen sie nur mit einer Geschwindigkeit. Da beim Anlauf hohe Stromspitzenwerte entstehen, wird mit verschiedenen Mitteln dem entgegen gewirkt. Dazu gehören Stern-Dreieck-Schaltung, KUSA-Anlasser, Anlasstransformator und Thyristor-Anlasser mit Phasenanschnittsteuerung. Der Umrichter ermöglicht es, stufenlos Drehzahlen ab 0 1/min bis über die Nenndrehzahl einzustellen.

Die Motoren können bei entsprechender Umrichterauslegung auch als Generatoren betrieben werden. Dies ist insbesondere für Fahrzeuge und sonstige Antriebe interessant, die zyklisch bremsen müssen, aber auch für die Errichtung einfacher Kraftwerke mit Asynchrongeneratoren.

FUs verlangen nach einer fachgerechten Installation. Hier sind die Angaben des Herstellers zu berücksichtigen.

Bauarten

U/f-Frequenzumrichter

Dies ist die 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. Um dies zu beheben, wird meist eine Spannungsanhebung im unteren Frequenzbereich eingestellt, die zu einem erhöhten Anfahrmoment führt. 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.

Feldorientierte Umrichter

Die Vektorregelung oder auch feldorientierte Regelung besteht aus einem Drehzahlregler mit unterlagertem Stromregler. Es werden die beiden Stromkomponenten, sprich im D- und Q- System, Id und Iq geregelt. In einem Maschinenmodell werden alle Motorgrößen gespeichert und ggf. auch adaptiert. Das hat den Vorteil, dass keine Drehzahlrückführung wirksam sein muss, um Drehzahl und Moment feldorientiert zu regeln. Die rückzuführende Komponente ist in diesem Fall der Strom. 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. Dieses Verfahren ist Stand der Technik.

Kommutierungssarten

Man unterscheidet folgende Kommutierungssarten:

  • Sinuskommutierte 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. Durch den Vergleich mit einem Schrittmotor spricht man in dieser Betriebsart auch von einem 6-Schritt-Betrieb.

Zum Betrieb von Asynchronmaschinen ist hingegen eine Sinuskommutierung durch den Frequenzumrichter üblich. Hierbei sind immer genau 3 von 6 Schaltern der Endstufe eingeschaltet. Die Signalerzeugung 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.

3rdharmonic.png

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.

EMV-Problematik

Frequenzumrichter arbeiten mit steilen Schaltflanken, um die Verlustleistung zu minimieren und einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Die dabei auftretenden HF-Anteile wirken als leitungsgebundene Störungen in das speisende Netz zurück. Je nach Einsatzort (Industrie- oder Wohnbereich) kann der Einsatz von internen oder externen EMV-Filtern erforderlich werden.

Eine sogenannte Produktnorm (EN61800-3), welche speziell für Frequenzumrichter verbindlich ist, legt die einzuhaltenden Grenzwerte für Störaussendungen fest.

Siehe auch

Leistungselektronik | Elektrische Maschinen

Frequentieregelaar | Frequency changer

 

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