Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt kurz das Funktionsprinzip und die grundlegenden Leistungsmerkmale von Frequenzumrichtern und erläutert detailliert die Vorsichtsmaßnahmen bei deren Anwendung und Auswahl. Außerdem wird beschrieben, wie der geeignete Frequenzumrichtertyp anhand der spezifischen Lastcharakteristika ausgewählt wird. Schlüsselwörter: Frequenzumrichter; Lastcharakteristika; Oberwellenunterdrückung; Typ. Asynchronmotoren sind die wichtigsten Antriebskomponenten in Energie-, Chemie- und anderen Produktionsunternehmen. Da sie einen hohen Energieverbrauch aufweisen, kann ihre Ausgangsleistung nicht proportional zur Last angepasst werden. Sie lässt sich meist nur durch das Öffnen von Leitblechen oder Ventilen regulieren, während der Energieverbrauch des Motors kaum variiert, was zu hohen Energieverlusten führt. In den letzten Jahren hat sich die Nutzung von Frequenzumrichtern zur technischen Transformation der Motorstromversorgung zu einem wichtigen Mittel für Unternehmen entwickelt, um Energie zu sparen, den Verbrauch zu senken und die Effizienz zu steigern. Dies ist auf die zunehmende Reife der Frequenzumrichter-Produktionstechnologie und die wachsende Verbreitung von Frequenzumrichtern zurückzuführen. 1. Prinzip der Drehzahlregelung mit variabler Frequenz: n = 60 f(1 - s)/p (1) Dabei ist n die Drehzahl des Asynchronmotors, f die Frequenz des Asynchronmotors, s der Schlupf des Motors und p die Polpaarzahl. Wie aus Gleichung (1) ersichtlich, ist die Drehzahl n proportional zur Frequenz f. Durch Ändern der Frequenz f lässt sich die Motordrehzahl anpassen. Im Frequenzbereich von 0 bis 50 Hz ist der Regelbereich sehr groß. Die Drehzahlregelung mit variabler Frequenz erfolgt durch Änderung der Netzfrequenz. Der Frequenzumrichter nutzt hierfür in der Regel das AC-DC-AC-Verfahren. Zunächst wird der Wechselstrom (Netzfrequenz) mittels Gleichrichter in Gleichstrom (DC) umgewandelt. Anschließend wird der Gleichstrom wieder in Wechselstrom (AC) mit einstellbarer Frequenz und Spannung umgewandelt, um den Motor zu versorgen. Der Frequenzumrichter besteht im Allgemeinen aus vier Teilen: Gleichrichtung, Zwischenkreis, Wechselrichter und Steuerung. Die Gleichrichtung erfolgt über einen dreiphasigen, ungesteuerten Brückengleichrichter, der Wechselrichter über einen dreiphasigen IGBT-Brückenwechselrichter. Das Ausgangssignal ist eine Pulsweitenmodulation (PWM). Der Zwischenkreis dient der Filterung, der Speicherung von Gleichstromenergie und der Blindleistungskompensation. 2. Oberwellenunterdrückung: Ein wichtiges Problem beim Einsatz von Frequenzumrichtern sind Oberwellenstörungen. Im Betrieb können die Oberwellenströme des Ausgangsstroms die Stromversorgung beeinträchtigen. Obwohl verschiedene Hersteller von Frequenzumrichtern Maßnahmen zur Oberwellenreduzierung ergriffen und die nationalen Normen weitgehend erfüllt haben, bleiben Oberwellen ein entscheidender Faktor bei der Auswahl und dem Einsatz von Frequenzumrichtern. Die Ausgangsspannung eines Frequenzumrichters enthält Oberwellen, die nicht der Grundfrequenz entsprechen. Niederfrequente Oberwellen haben in der Regel einen größeren Einfluss auf die Motorlast und verursachen Drehmomentschwankungen, während höherfrequente Oberwellen den Leckstrom im Ausgangskabel des Frequenzumrichters erhöhen und somit die Motorleistung beeinträchtigen. Daher müssen sowohl hohe als auch niedrige Oberschwingungen im Ausgangssignal des Frequenzumrichters unterdrückt werden. Da der Gleichrichterteil des Frequenzumrichters eine ungeregelte Diodenbrückengleichrichterschaltung und der Zwischenfilterteil einen großen Kondensator als Filter verwendet, entspricht der Eingangsstrom des Gleichrichters dem Ladestrom des Kondensators. Dieser stellt eine relativ steile Impulswelle mit einem hohen Oberschwingungsanteil dar. Zur Oberschwingungsunterdrückung werden hauptsächlich folgende Maßnahmen ergriffen: a. Erhöhung der Innenimpedanz des Netzteils des Frequenzumrichters. Normalerweise kann die Innenimpedanz des Netzteils die Blindleistung des DC-Filterkondensators des Frequenzumrichters puffern. Diese Innenimpedanz entspricht der Kurzschlussimpedanz des Transformators. Ist die Leistung des Netzteils geringer als die des Wechselrichters, ist die Innenimpedanz relativ höher und der Oberschwingungsgehalt niedriger. Umgekehrt ist bei einer höheren Leistung des Netzteils im Vergleich zum Wechselrichter die Innenimpedanz relativ niedriger und der Oberschwingungsgehalt höher. Daher sollte bei der Auswahl eines Netzteiltransformators für einen Wechselrichter ein Transformator mit hoher Kurzschlussimpedanz bevorzugt werden. b. Einbau von Drosseln: Der Einbau von Drosseln erhöht die interne Impedanz der Wechselrichter-Stromversorgung. Durch den gleichzeitigen Einbau von Drosseln auf der AC- oder DC-Seite des Wechselrichters lassen sich Oberwellenströme unterdrücken. c. Mehrphasenbetrieb von Transformatoren: Der Gleichrichter eines Wechselrichters ist üblicherweise ein 6-Puls-Gleichrichter, was zu relativ hohen Oberwellen führt. Der Mehrphasenbetrieb des Transformators, beispielsweise durch die Verwendung zweier Transformatoren mit 30° Phasenverschiebung (Stern-Dreieck- oder Dreieck-Dreieck-Kombination) zur Bildung eines 12-Puls-Gleichrichters, kann Oberwellenströme reduzieren und Oberwellen unterdrücken. d. Anpassung des Trägerverhältnisses des Wechselrichters: Eine Erhöhung des Trägerverhältnisses des Wechselrichters kann niederfrequente Oberwellen effektiv unterdrücken. e. Einsatz von Filtern: Filter können Amplitude und Phase der Oberwellenströme im Frequenzumrichter erfassen und Ströme mit gleicher Amplitude, aber entgegengesetzter Phase zu den Oberwellenströmen erzeugen, wodurch diese effektiv absorbiert und eliminiert werden. 3. Lastanpassung 3.1 Rechteckige Drehmomentlasten: Ventilatoren und Pumpen gehören zu den am häufigsten eingesetzten Geräten in industriellen Umgebungen, und Frequenzumrichter werden üblicherweise für diese Lasten verwendet. Es handelt sich hierbei um eine rechteckige Drehmomentlast. Im Allgemeinen können Frequenzumrichter mit U/f = const-Regelung die Anforderungen dieser Lasten erfüllen. Im Folgenden werden die Aspekte erläutert, die bei der Auswahl solcher Frequenzumrichter anhand ihrer Hauptmerkmale zu berücksichtigen sind. 3.1.1 Vermeidung von Überlastungen: Ventilatoren und Pumpen sind im Allgemeinen nicht überlastungsgefährdet. Bei der Auswahl der Kapazität des Frequenzumrichters sollte sichergestellt werden, dass diese etwas größer oder gleich der Motorkapazität ist. Die Anforderungen an die Überlastkapazität des ausgewählten Frequenzumrichters sind ebenfalls relativ gering und erreichen im Allgemeinen 120 % für 1 Minute. Es sollte jedoch auf die Auswahl und Voreinstellung der Funktionsparameter des Frequenzumrichters geachtet werden. Da das ohmsche Drehmoment der Last proportional zum Quadrat der Drehzahl ist, überschreitet das ohmsche Drehmoment der Last bei einer Betriebsfrequenz oberhalb der Nennfrequenz des Motors das Nenndrehmoment, was zu einer Überlastung des Motors führen kann. Daher muss die maximale Betriebsfrequenz streng kontrolliert werden, um die Nennfrequenz des Motors nicht zu überschreiten. 3.1.2 Abstimmung der Anlauf- und Abschaltzeiten des Umrichters beim Anfahren/Abschalten: Da die Lastträgheit von Ventilatoren und Pumpen relativ groß ist, ist die Abstimmung ihrer Anlauf- und Abschaltzeiten auf die Anlauf- und Abschaltzeiten des Umrichters von entscheidender Bedeutung. Bei der Auswahl und dem Einsatz von Umrichtern sollten die Anlauf- und Abschaltzeiten anhand der Lastparameter berechnet werden, um die kürzestmögliche Zeit zu wählen und sicherzustellen, dass es beim Anfahren des Umrichters nicht zu Überstromauslösungen und beim Abschalten des Umrichters nicht zu Überspannungsauslösungen kommt. Produktionsprozesse stellen jedoch mitunter sehr hohe Anforderungen an die Anlaufzeit von Ventilatoren und Pumpen. Wenn die berechneten Zeiten diese Anforderungen nicht erfüllen, muss der Umrichter neu ausgelegt und ausgewählt werden. 3.1.3 Vermeidung von Resonanzen Da Frequenzumrichter Energieeinsparungen durch die Änderung der Motordrehzahl mittels Anpassung der Netzfrequenz erzielen, kann die Motordrehzahl mit dem Resonanzpunkt und der Resonanzfrequenz des Lastwellensystems übereinstimmen. Dies kann zu unzulässigen Vibrationen führen, die unter Umständen einen Geräteausfall oder Schäden verursachen können. Daher sollte bei der Auswahl und Voreinstellung der Funktionsparameter des Frequenzumrichters die Resonanzfrequenz des Lastwellensystems berücksichtigt und die Sprungfrequenzen und -breiten so eingestellt werden, dass Systemresonanzen vermieden werden. 3.1.4 Druckaufbau und Wasserschlag Pumpenlasten sind im Betrieb anfällig für Druckaufbau und Wasserschlag. Daher sollten bei der Auswahl des Frequenzumrichters spezifische Einstellungen zur Behebung dieses Problems während der Funktionskonfiguration vorgenommen werden. a. Druckaufbau: Bei niedrigen Drehzahlen der Pumpenlasten steigt der Druck aufgrund des Schließens des Auslassventils an, was zu Kavitation in der Pumpe führen kann. Durch Begrenzung der minimalen Frequenz des Frequenzumrichters zur Einschränkung der kritischen Drehzahl für den Pumpenfluss lässt sich dieses Phänomen verhindern. b. Wasserschlag: Bei plötzlichem Stromausfall kommt es aufgrund der Schwerkraft der Flüssigkeit in der Pumpenleitung zu einem Rückfluss in der Pumpe. Ist das Rückschlagventil nicht dicht oder fehlt es, dreht sich der Motor rückwärts, was zu Fehlfunktionen oder zum Durchbrennen des Frequenzumrichters führen kann, da der Motor Strom erzeugt. Bei der Auslegung des Frequenzumrichtersystems sollte der Frequenzumrichter gemäß der Bremskurve abgeschaltet werden. Der Hauptstromkreis sollte erst nach vollständigem Stillstand des Motors getrennt werden. Alternativ kann eine Funktion zur automatischen Bremsabschaltung implementiert werden, um dieses Problem zu vermeiden. 3.2 Lasten mit konstantem Drehmoment: Förderbänder sind ein typisches Beispiel für Lasten mit konstantem Drehmoment. Charakteristisch für eine solche Last ist, dass das Lastdrehmoment unter einer bestimmten Last vom Reibungswiderstand zwischen Band und Trommel sowie vom Trommelradius abhängt. Das Drehmoment ist drehzahlunabhängig und bleibt daher bei Drehzahländerungen konstant. Bei der Auswahl eines Frequenzumrichtersystems für eine Last mit konstantem Drehmoment ist neben den üblichen Anforderungen auch die Ansteuerungsmethode des Frequenzumrichters zu berücksichtigen. a. Drehzahlbereich der Last: Bei einem kleinen Drehzahlbereich empfiehlt sich ein Frequenzumrichter mit einfacherer V/f-Ansteuerung. Bei einem großen Drehzahlbereich sollte ein Vektorregelungsverfahren mit Rückkopplung in Betracht gezogen werden. b. Eine konstante Drehmomentlast bedeutet lediglich, dass das Drehmoment des Lastwiderstands unter einer festen Last konstant bleibt; es ändert sich jedoch mit der Last. Bei einem kleinen Drehmomentänderungsbereich kann ein einfacherer V/f-Wechselrichter gewählt werden. Bei Lasten mit einem großen Drehmomentänderungsbereich sollte jedoch ein rückkopplungsfreies Vektorregelungsverfahren in Betracht gezogen werden. c. Wenn die Last keine hohen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften stellt, kann ein einfacherer V/f-Wechselrichter gewählt werden. Bei höheren Anforderungen muss jedoch ein Vektorregelungsverfahren mit Rückkopplung verwendet werden. 4. Fazit Die obigen Ausführungen basieren auf den Erfahrungen des Autors bei der Auswahl und Anwendung von Wechselrichtern und dienen relevanten Fachkräften als Referenz beim Kauf und der Anwendung von Wechselrichtern. Mit zunehmender Intelligenz, hoher Zuverlässigkeit, niedrigem Preis und Wartungsfreiheit von Wechselrichtern werden deren energiesparende und verbrauchsreduzierende Wirkung noch deutlicher hervortreten.