1. Entwicklung von Frequenzumrichtern: Gleichstrom- und Wechselstromantriebe wurden im 19. Jahrhundert, also vor über 100 Jahren, erfunden und sind heute die wichtigsten Antriebsgeräte für Kraftmaschinen. Aus technischen Gründen wurden jedoch lange Zeit Wechselstrommotoren (einschließlich Asynchron- und Synchronmotoren) in Konstantdrehzahlantrieben eingesetzt, die etwa 80 % aller elektrischen Antriebssysteme ausmachten, während Gleichstrommotoren hauptsächlich in Antriebssystemen mit Drehzahlregelung verwendet wurden. Bekanntermaßen weisen Gleichstrommotoren aufgrund ihrer Konstruktion folgende Nachteile auf: (1) Bürsten und Kommutatoren müssen regelmäßig ausgetauscht werden, was die Wartung erschwert und die Lebensdauer verkürzt; (2) Aufgrund der Kommutierungsfunken sind Gleichstrommotoren nur bedingt für den Einsatz in rauen Umgebungen mit brennbaren und explosiven Gasen geeignet; (3) Ihre komplexe Konstruktion erschwert die Herstellung von Gleichstrommotoren mit hoher Leistung, hoher Drehzahl und hoher Spannung. Im Vergleich zu Gleichstrommotoren bieten Wechselstrommotoren folgende Vorteile: (1) robuste Bauweise, zuverlässiger Betrieb und einfache Wartung; (2) keine Kommutierungsfunken, wodurch sie sich für raue Umgebungen mit brennbaren und explosiven Gasen eignen; (3) einfache Herstellung von Wechselstrommotoren mit hoher Leistung, hoher Drehzahl und hoher Spannung. Daher bestand lange Zeit der Wunsch, Gleichstrommotoren in vielen Anwendungsbereichen durch regelbare Wechselstrommotoren zu ersetzen, und es wurden umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Drehzahlregelung von Wechselstrommotoren durchgeführt. Bis in die 1970er-Jahre brachte die Forschung und Entwicklung von Wechselstrom-Drehzahlregelungssystemen jedoch keine wirklich zufriedenstellenden Ergebnisse, was die breite Anwendung dieser Systeme einschränkte. Genau aus diesem Grund müssen elektrische Antriebssysteme wie Ventilatoren und Pumpen, die in der industriellen Produktion weit verbreitet sind und eine Drehzahlregelung erfordern, mit Leitblechen und Ventilen zur Regulierung von Windgeschwindigkeit und Volumenstrom ausgestattet werden. Dies erhöht nicht nur die Komplexität des Systems, sondern führt auch zu Energieverschwendung. Nach der zweiten Ölkrise Mitte der 1970er-Jahre wurde die Bedeutung der Energieeinsparung vollends erkannt, und die Forschung und Entwicklung im Bereich der Wechselstrom-Drehzahlregelung wurde weiter intensiviert. Mit der Entwicklung der Leistungselektronik, Mikroelektronik und Regelungstechnik sowie der kontinuierlichen Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Leistungshalbleiterbauelementen und Mikroprozessoren hat auch die Frequenzumrichtertechnologie bedeutende Fortschritte erzielt. Durch den Einsatz verschiedener komplexer Regelungstechnologien in Frequenzumrichtern konnte deren Leistung kontinuierlich verbessert und ihr Anwendungsbereich stetig erweitert werden. Heute werden Frequenzumrichter nicht nur in traditionellen elektrischen Antriebssystemen, sondern auch in nahezu allen Bereichen der industriellen Produktion sowie in Haushaltsgeräten wie Klimaanlagen, Waschmaschinen und Kühlschränken eingesetzt. Die Frequenzumrichtertechnologie ist eine umfassende Technologie, die auf Regelungstechnik, Leistungselektronik, Mikroelektronik und Computertechnik basiert und sich mit dem Fortschritt dieser Basistechnologien kontinuierlich weiterentwickelt. II. Vorteile von Frequenzumrichtern (FU) zur Drehzahlregelung: Im Vergleich zu herkömmlichen Wechselstromantrieben bieten FU-basierte Systeme zur Drehzahlregelung von Wechselstrommotoren zahlreiche Vorteile. Dazu gehören Energieeinsparung, einfache Drehzahlregelung vorhandener Motoren, ein großer Drehzahlbereich, effiziente und stufenlose Drehzahlregelung, einfaches Umschalten zwischen Vorwärts- und Rückwärtslauf, hochfrequenter Start-Stopp-Betrieb, elektrische Bremsung, die Möglichkeit, mehrere Motoren mit einem einzigen FU zu steuern, ein hoher Leistungsfaktor, ein geringer Leistungsbedarf und die Möglichkeit, leistungsstarke Steuerungssysteme zu realisieren. Die wichtigsten Vorteile von FU-basierten Drehzahlregelungssystemen werden im Folgenden erläutert. In vielen Fällen dient der Einsatz von FU der Energieeinsparung, insbesondere bei den in der Industrie weit verbreiteten Ventilatoren, Gebläsen und Pumpen. Die FU-Drehzahlregelung kann herkömmliche Methoden zur Steuerung von Luftstrom, Fördermenge und Förderhöhe mittels Leitblechen und Ventilen ersetzen und so erhebliche Energieeinsparungen ermöglichen. Da für eine energiesparende Drehzahlregelung kein großer Drehzahlbereich und keine hohe Genauigkeit des Motors erforderlich sind, werden üblicherweise kostengünstigere Standard-FU eingesetzt. Da ein Frequenzumrichter als Wechselstromquelle mit einstellbarer Frequenz betrachtet werden kann, lässt sich die Drehzahlregelung bestehender, mit konstanter Drehzahl laufender Asynchronmotoren einfach durch den Anschluss des Frequenzumrichters und der zugehörigen Komponenten zwischen Netzanschluss und Motor realisieren, ohne dass größere Änderungen am Motor oder am System selbst erforderlich sind. In Wechselstromantriebssystemen mit Frequenzumrichtern erfolgt die Drehzahlregelung des Asynchronmotors durch Änderung der Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters. Dadurch kann der Motor während der Drehzahlregelung in einem Bereich mit geringem Schlupf betrieben werden, was zu einem größeren Drehzahlbereich und einem höheren Wirkungsgrad führt. Im Allgemeinen erreicht der Drehzahlbereich von Standard-Frequenzumrichtern 1:10 oder mehr, während der Drehzahlbereich von Hochleistungs-Vektorregelungs-Frequenzumrichtern bis zu 1:1000 beträgt. Darüber hinaus lässt sich bei der Drehzahlregelung eines Asynchronmotors mit einem Vektorregelungs-Frequenzumrichter auch das Ausgangsdrehmoment des Motors direkt steuern. Die Kombination eines Hochleistungs-Vektorregelungs-Frequenzumrichters mit einem dedizierten Frequenzumrichtermotor ermöglicht somit eine Regelungsleistung, die der eines hochpräzisen DC-Servomotors entspricht oder diese sogar übertrifft. In Wechselstromantrieben, die mit konventioneller Netzstromversorgung betrieben werden, erfordert das Umschalten der Drehrichtung des Motors Schaltgeräte wie Leistungsschalter zur Phasenumschaltung. Bei Verwendung eines Frequenzumrichters (VDC) zur Drehzahlregelung wird die Phasenumschaltung am Ausgang durch einfaches Ändern der Schaltfolge der Kommutatorbauelemente im internen Wechselrichter des VDC erreicht. Dies ermöglicht ein einfaches Vorwärts-/Rückwärtsschalten ohne zusätzliche Schaltgeräte. Wird beim Umschalten der Drehrichtung eines netzbetriebenen Motors die Phasenfolge geändert, bevor der Motor stillsteht, fließt aufgrund der geänderten Phasenfolge ein Strom, der den Anlaufstrom überschreitet. Dies birgt die Gefahr eines Motorschadens. Daher darf die Kommutierung in der Regel erst nach dem vollständigen Stillstand des Motors erfolgen. In Wechselstrom-Drehzahlregelungssystemen mit VDCs kann die Beschleunigung des Motors durch Änderung der Ausgangsfrequenz des VDC mittels einer Rampenfunktion gesteuert und somit der Beschleunigungsstrom begrenzt werden. Daher lassen sich VDCs bei der Drehzahlregelung leichter in automatische Steuerungssysteme mit anderen Geräten integrieren. Bei Wechselstromantrieben, die mit konventioneller Netzstromversorgung betrieben werden, verhindern der hohe Anlaufstrom des Motors und die Leistungsverluste proportional zur Anlaufzeitbegrenzung häufiges Starten und Stoppen. Wechselstrom-Drehzahlregelungssysteme mit Frequenzumrichtern ermöglichen jedoch häufigeres Starten und Stoppen, da die Motoren mit sanfter Beschleunigung und Verzögerung bei niedrigen Drehzahlen an- und abfahren. Dies führt zu geringerem Stromverbrauch und reduzierter Wärmeentwicklung. Diese Eigenschaften von Frequenzumrichtern lassen sich in Förderbändern und beweglichen Arbeitstischen mit Wechselstromantrieben nutzen, um Energieeinsparungen zu erzielen. Denn in Förderbändern und beweglichen Arbeitstischen mit Asynchronmotoren für Konstantdrehzahlantrieb laufen die Motoren typischerweise permanent. Mit der Drehzahlregelung durch Frequenzumrichter können die Motoren häufiger starten und stoppen, sodass das Förderband oder der Arbeitstisch nur dann anhält, wenn sich Güter oder Werkstücke darauf befinden. Dadurch wird Energie gespart. In einem Frequenzumrichter-Antriebssystem wird die Motordrehzahl durch Änderung der Ausgangsfrequenz des Umrichters geregelt. Wird die Ausgangsfrequenz des Umrichters unter die der tatsächlichen Motordrehzahl entsprechende Frequenz reduziert, wird die mechanische Energie der Last in elektrische Energie umgewandelt und ins Stromnetz zurückgespeist. Dies führt zu einer elektrischen Bremsung. Darüber hinaus verfügen einige Frequenzumrichter auch über eine Gleichstrombremsfunktion. Das heißt, wenn eine Bremsung erforderlich ist, kann über den Frequenzumrichter eine Gleichspannung an den Motor angelegt werden, und der von dieser Spannung erzeugte Strom wird zum Bremsen genutzt. Im Vergleich zur mechanischen Bremsung bietet die elektrische Bremsung viele Vorteile, wie z. B. eine geringere Größe, einfachere Wartung und höhere Zuverlässigkeit. Da die elektrische Bremsung jedoch im Stillstand kein Haltemoment erzeugen kann, sind in bestimmten Situationen geeignete Maßnahmen erforderlich, beispielsweise die gleichzeitige Verwendung mit mechanischen Bremsen. Die Möglichkeit des Hochgeschwindigkeitsantriebs ist einer der wichtigsten Vorteile der Drehzahlregelung mittels Frequenzumrichter. Dies liegt daran, dass Gleichstrommotoren durch Faktoren wie Bürsten und Kommutatorringe in ihrer Drehzahl begrenzt sind. Asynchronmotoren hingegen können ohne diese Einschränkungen theoretisch deutlich höhere Drehzahlen erreichen. Die Drehzahl eines Asynchronmotors berechnet sich wie folgt: wobei n die Motordrehzahl (U/min), f die Netzfrequenz (Hz), p die Polzahl des Motors und s der Schlupf ist. Beim Betrieb eines Asynchronmotors mit Netzfrequenz (50 Hz) erreicht ein zweipoliger Motor maximal 3000 U/min. Für höhere Drehzahlen ist ein spezielles Hochfrequenznetzteil oder ein mechanischer Drehzahlübersetzer erforderlich. Moderne Hochfrequenzumrichter hingegen erreichen Ausgangsfrequenzen von bis zu 3000 kHz. Mit einem solchen Umrichter lassen sich so Drehzahlen von bis zu 180.000 U/min erzielen. Dank der Weiterentwicklung der Umrichtertechnologie steigt die Ausgangsfrequenz von Hochfrequenznetzteilen stetig an, wodurch noch höhere Drehzahlen möglich werden. Im Vergleich zu Hochgeschwindigkeitsantrieben mit mechanischen Drehzahlübersetzern bieten Hochgeschwindigkeitsantriebe mit Hochfrequenzumrichtern eine höhere Zuverlässigkeit und sind wartungs- und reparaturfreundlicher, da außer dem Asynchronmotor keine weiteren mechanischen Bauteile benötigt werden. Bei Umrichter-Drehzahlregelungssystemen können Umrichter und Motor separat konfiguriert werden. Durch die geeignete Kombination verschiedener Asynchronmotoren lassen sich AC-Drehzahlregelungssysteme für unterschiedliche Betriebsumgebungen realisieren, ohne dass besondere Anforderungen an den Frequenzumrichter selbst gestellt werden müssen. In explosionsgefährdeten und korrosionsbeständigen Umgebungen kann beispielsweise der Motor einfach durch einen speziellen Motor ersetzt und ein Standard-Frequenzumrichter in einer Umgebung ohne diese Anforderungen eingesetzt werden. Da der Frequenzumrichter selbst als Wechselstromversorgung mit Frequenz- und Spannungsregelung fungiert, kann er mehrere Asynchron- oder Synchronmotoren gleichzeitig antreiben und so Investitionskosten sparen. Dies ist mit DC-Drehzahlregelungssystemen schwer zu erreichen. Werden mehrere Motoren gleichzeitig mit einem Frequenzumrichter betrieben, laufen bei Synchronmotoren alle mit der gleichen Drehzahl (Synchrondrehzahl). Beim Betrieb von Asynchronmotoren mit unterschiedlichen Leistungen und Lasten entstehen jedoch aufgrund von Schlupf Drehzahlunterschiede. Da der Frequenzumrichter den Asynchronmotor nach der AC/DC-Wandlung antreibt, wird der Leistungsfaktor der Stromversorgung nicht durch den Leistungsfaktor des Motors beeinflusst und bleibt nahezu konstant. Wird ein Asynchronmotor an das Stromnetz angeschlossen, beträgt der Anlaufstrom das 5- bis 6-Fache seines Nennstroms. Wird er hingegen mit einem Frequenzumrichter betrieben, ist der Anlaufstrom deutlich geringer, da die Ausgangsfrequenz des Umrichters stark reduziert werden kann. Dadurch kann auch die Eingangsleistung des Frequenzumrichters reduziert werden. Im Allgemeinen genügt es, wenn die Eingangsleistung des Frequenzumrichters etwa das 1,5-Fache der Ausgangsleistung des Motors beträgt. Dies zeigt auch, dass der Frequenzumrichter als Unterspannungsanlasser fungieren kann. Mit der Weiterentwicklung der Regelungstechnik, der Drehzahlregelung von Wechselstrommotoren und der Elektronik hat die Frequenzumrichtertechnologie erheblich an Bedeutung gewonnen und sich stark weiterentwickelt. Aktuell erreichen oder übertreffen Steuerungssysteme, die aus Hochleistungs-Frequenzumrichtern und speziellen Asynchronmotoren bestehen, die Leistung von Gleichstrom-Servosystemen. Darüber hinaus bieten Asynchronmotoren viele Vorteile gegenüber Gleichstrom-Servomotoren, wie beispielsweise eine hohe Umweltverträglichkeit und einfache Wartung. Daher ersetzen diese leistungsstarken Wechselstrom-Drehzahlregelungssysteme in vielen Anwendungen, die eine hochpräzise und schnelle Steuerung erfordern, zunehmend die Gleichstrom-Servosysteme. Da Hochleistungs-Frequenzumrichter über vielfältige externe Schnittstellen verfügen, können sie als Komponenten in automatischen Steuerungssystemen eingesetzt werden, um das benötigte System zu realisieren. Aufgrund dieser Vorteile finden Frequenzumrichter in verschiedenen Bereichen breite Anwendung. III: Entwicklungstrends der Frequenzumrichtertechnologie Frequenzumrichter sind seit über 25 Jahren im praktischen Einsatz. In diesem Zeitraum haben die Leistungselektronik und Mikroelektronik, die die Grundlage der Frequenzumrichtertechnologie bilden, enorme Fortschritte gemacht. Durch den Einsatz neuer leistungselektronischer Bauelemente und leistungsstarker Mikroprozessoren sowie die Weiterentwicklung der Steuerungstechnik verbessert sich das Preis-Leistungs-Verhältnis von Frequenzumrichtern kontinuierlich, während ihre Größe abnimmt. Hersteller arbeiten weiterhin an der Miniaturisierung von Frequenzumrichtern. Aus technischer Sicht wird sich die Frequenzumrichtertechnologie mit dem weiteren Wachstum des Marktes und der Entwicklung verwandter Technologien in folgenden Bereichen weiterentwickeln: (1) Höhere Kapazität und kleinere Abmessungen; (2) Hohe Leistung und Multifunktionalität; (3) Verbesserte Bedienfreundlichkeit; (4) Längere Lebensdauer und höhere Zuverlässigkeit. (5) Umweltfreundlicher Betrieb. Mit der Weiterentwicklung von Leistungshalbleiterbauelementen werden auch zukünftig größere Kapazitäten und kleinere Abmessungen möglich sein. In den letzten Jahren haben sich spannungsgesteuerte Leistungshalbleiterbauelemente wie IGBTs (Isolated Gate Bipolar Transistors) rasant weiterentwickelt und finden zunehmend Anwendung in Bereichen, in denen traditionell BJTs (Bipolar Junction Transistors) und Leistungs-MOSFETs (Field-Effect Transistors) zum Einsatz kommen. Intelligente Leistungsmodule (IPMs) und monolithische Leistungs-ICs, die IGBTs als Schaltelemente nutzen, integrieren Leistungsschalter, Treiber- und Schutzschaltungen in einem Gehäuse und bieten so Vorteile wie hohe Leistung und Zuverlässigkeit. Dank ihrer verbesserten Strom- und Spannungsfestigkeit werden sie daher zwangsläufig in kleinen und mittelgroßen Frequenzumrichtern breitere Anwendung finden. Mit der Weiterentwicklung der Mikroelektronik und Halbleitertechnologien steigt auch die Leistungsfähigkeit von CPUs, Halbleiterbauelementen und Sensoren in Frequenzumrichtern stetig. Parallel zur Weiterentwicklung der Frequenzumrichtertechnologie reift die Theorie der Wechselstrom-Drehzahlregelung, und die moderne Regelungstechnik findet stetig neue Anwendungsgebiete. All diese Faktoren schaffen die Voraussetzungen für eine weitere Leistungssteigerung von Frequenzumrichtern. Mit zunehmender Verbreitung und Anwendung von Frequenzumrichtern steigen auch die Anforderungen der Anwender stetig an, was die Hersteller dazu anspornt, Leistung und Funktionen kontinuierlich zu verbessern, um den Bedürfnissen der Anwender gerecht zu werden und im hart umkämpften Markt wettbewerbsfähig zu bleiben. Angesichts des wachsenden Marktes für Frequenzumrichter ist die Frage, wie die Bedienung vereinfacht werden kann, sodass auch weniger erfahrene Techniker und Laien die Technologie schnell beherrschen, für die Hersteller zu einer entscheidenden Herausforderung geworden. Nur bedienerfreundliche Produkte können kontinuierlich neue Anwender gewinnen und den Markt weiter ausbauen; daher werden zukünftige Frequenzumrichter noch benutzerfreundlicher sein. Dank der Fortschritte in der Halbleiter- und Leistungselektronik verbessern sich Lebensdauer und Zuverlässigkeit der in Frequenzumrichtern verwendeten Komponenten stetig, was wiederum die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Frequenzumrichter selbst erhöht. In den letzten Jahren hat das Thema Umweltschutz stark an Bedeutung gewonnen, was zur Entstehung des Begriffs „grüne Produkte“ geführt hat. Daher muss auch der Einfluss von Frequenzumrichtern auf die Umwelt berücksichtigt werden. In der Anfangsphase der Verbreitung und Anwendung von Frequenzumrichtern stellte Lärm ein erhebliches Problem dar. Mit dem Aufkommen rauscharmer IGBT-Frequenzumrichter konnte dieses Problem weitgehend gelöst werden. Mit der Behebung der Lärmproblematik verlagerte sich der Fokus jedoch auf andere Umweltauswirkungen von Frequenzumrichtern, und es werden neue Lösungen erforscht. Beispielsweise verzerren bei Frequenzumrichtern mit Diodengleichrichterschaltungen und spannungsgesteuerten PWM-Wechselrichterschaltungen die vom Umrichter selbst erzeugten Oberschwingungen die Versorgungsspannung und den Versorgungsstrom und beeinträchtigen somit andere an dieselbe Stromversorgung angeschlossene Geräte. Dieses Problem lässt sich jedoch durch den Einsatz von PWM-Gleichrichterschaltungen im Frequenzumrichter weitgehend beheben. Obwohl Frequenzumrichter mit PWM-Gleichrichterschaltungen aufgrund von Faktoren wie Preis und Steuerungstechnik noch nicht weit verbreitet sind, ist die kontinuierliche Reduzierung der Umweltauswirkungen von Frequenzumrichtern bis hin zur Einführung wirklich emissionsfreier Frequenzumrichter mit der Weiterentwicklung der Frequenzumrichtertechnologie und dem gestiegenen Umweltbewusstsein der Öffentlichkeit zu einem unumgänglichen Trend geworden. Viertens: Es heißt, die Drehzahlregelung mit variabler Frequenz sei besser als die mit Gleichstrom. Wird die Gleichstrom-Drehzahlregelung tatsächlich auslaufen? Der Grund für die größere Verbreitung der Frequenzumrichter (FU) gegenüber der Gleichstrom-Drehzahlregelung liegt in den Wechselstrommotoren, nicht in einem überlegenen Funktionsprinzip. FU können lediglich zur Drehzahlregelung eingesetzt werden und ermöglichen keine präzise Drehmomentregelung. Der Grund ist einfach: Bei der Gleichstrom-Drehzahlregelung sind Anker und Erreger nicht gekoppelt, sondern getrennt, was eine präzise Regelung des Anker- und Erregerstroms ermöglicht. Bei der Wechselstrom-Drehzahlregelung sind Anker- und Erregerstrom gekoppelt, was eine präzise Regelung unmöglich macht. Obwohl moderne FU über Vektorregelung verfügen, die mithilfe moderner Regelungstechnik den gekoppelten Anker- und Erregerstrom in Wechselstrommotoren durch Vektortransformation entkoppelt und somit steuert – im Wesentlichen eine Simulation des Gleichstrom-Drehzahlregelungsprinzips –, ist es nach wie vor sehr schwierig, die Regelungseigenschaften der Gleichstrom-Drehzahlregelung zu erreichen. Daher wird die Gleichstrom-Drehzahlregelung weiterhin häufig in Branchen mit hohen Drehmomentanforderungen, wie Walzwerken und der Papierherstellung, eingesetzt. Für die reine Drehzahlregelung können aktuelle Frequenzumrichter die Eigenschaften der Gleichstrom-Drehzahlregelung gut nachbilden, da die Vorteile von Wechselstrommotoren von Gleichstrommotoren nicht erreicht werden. Die Bürsten und die Größe von Gleichstrommotoren schränken ihren Anwendungsbereich ein. Die Frequenzumrichtertechnik (FU) entwickelte sich ursprünglich für Lüfter und Pumpen, angetrieben durch den Bedarf an Energieeinsparung. Obwohl FU für diese Anwendungen die optimale Wahl darstellt, halte ich diese Energieeinsparung angesichts der aktuellen Strompreise und der Kosten des FU selbst für vernachlässigbar. Es dauert mindestens fünf bis sechs Jahre, bis sich die Investition in den FU amortisiert hat, und die Betriebsbedingungen können sich in dieser Zeit ändern. Daher eignen sich FU am besten für Anwendungen, die eine Drehzahlregelung erfordern, aber weniger strenge Anforderungen an das Anlaufverhalten und die Drehmomentanpassung stellen – und davon gibt es zahlreiche, was die weite Verbreitung von FU erklärt. Man könnte also argumentieren, dass die Verwendung eines Gleichstrom-Drehzahlreglers zur Steuerung eines Wechselstrommotors der beste Ansatz wäre. Wenn Ihnen das gelänge, wären Sie der nächste Bill Gates und würden vielleicht sogar einen Nobelpreis gewinnen. Zugehörigkeit des Autors: Tangshan Jianlong Industrial Co., Ltd. Adresse: Nr. 32, Jianshe South Road, Zunhua City, Provinz Hebei, Walzwerk Jianzhou Nr. 2 064200 E-Mail: [email protected]