15 wichtige Fakten zu Frequenzumrichtern (FU) für Elektroingenieure
1. Was ist ein Frequenzumrichter?
Ein Frequenzumrichter ist ein Steuergerät, das mithilfe der Schaltvorgänge von Leistungshalbleitern Netzfrequenzleistung in elektrische Energie einer anderen Frequenz umwandelt. Er ermöglicht Funktionen wie den Sanftanlauf von Asynchronmotoren, die Drehzahlregelung mit variabler Frequenz, eine verbesserte Betriebsgenauigkeit, die Anpassung des Leistungsfaktors sowie den Schutz vor Überstrom, Überspannung und Überlast.
2. Unterschiede zwischen PWM und PAM
PWM steht für Pulsweitenmodulation, ein Modulationsverfahren, das die Ausgangsgröße und -wellenform durch Änderung der Pulsbreite einer Impulsfolge nach einer bestimmten Regel anpasst. PAM steht für Pulsamplitudenmodulation, ein Modulationsverfahren, das den Ausgangswert und die Wellenform durch Änderung der Pulsamplitude einer Impulsfolge nach einer bestimmten Regel anpasst.
3. Warum ändert sich die Spannung eines Frequenzumrichters proportional zur Frequenz?
Das elektromagnetische Drehmoment eines Motors entsteht durch das Zusammenspiel von Stromstärke und magnetischem Fluss. Die Stromstärke darf den Nennwert nicht überschreiten, da der Motor sonst überhitzt. Verringert sich der magnetische Fluss, sinkt auch das elektromagnetische Drehmoment, was zu einer Verringerung der Belastbarkeit führt.
Aus der Formel E = 4,44 * K * F * N * Φ geht hervor, dass sich der Magnetkreis des Motors bei frequenzvariabler Drehzahlregelung in einem erheblichen Bereich mit der Betriebsfrequenz fX ändert. Dies kann leicht zu einer starken Sättigung des Magnetkreises führen, was wiederum erhebliche Verzerrungen des Erregerstromverlaufs und die Entstehung sehr hoher Stromspitzen zur Folge hat.
Daher müssen Frequenz und Spannung proportional angepasst werden. Das heißt, während die Frequenz geändert wird, wird die Ausgangsspannung des Frequenzumrichters so geregelt, dass der magnetische Fluss des Motors konstant bleibt und ein schwaches Magnetfeld sowie magnetische Sättigung vermieden werden. Dieses Regelungsverfahren wird hauptsächlich bei energiesparenden Frequenzumrichtern für Ventilatoren und Pumpen eingesetzt.
4. Wie ändert sich das Motordrehmoment, wenn V und f proportional geändert werden?
Mit sinkender Frequenz reduziert sich die Spannung proportional. Da die Wechselstromimpedanz abnimmt, während der Gleichstromwiderstand unverändert bleibt, sinkt das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen. Daher muss bei niedrigen Frequenzen und einem gegebenen V/f-Verhältnis die Ausgangsspannung leicht erhöht werden, um ein bestimmtes Anlaufdrehmoment zu erzielen. Diese Kompensation wird als Anlaufverstärkung bezeichnet. Hierfür können verschiedene Methoden eingesetzt werden, darunter automatische Verfahren, die Auswahl des V/f-Modus oder die Einstellung des Potentiometers.
5. Im Handbuch wird ein Drehzahlbereich von 60–6 Hz (10:1) angegeben. Bedeutet dies, dass unterhalb von 6 Hz keine Ausgangsleistung vorhanden ist?
Die Leistung kann auch unterhalb von 6 Hz abgegeben werden, jedoch liegt die minimale Betriebsfrequenz aufgrund von Faktoren wie Motortemperaturanstieg und Anlaufdrehmoment bei etwa 6 Hz. Bei dieser Frequenz kann der Motor das Nenndrehmoment abgeben, ohne dass es zu ernsthaften Überhitzungsproblemen kommt. Die tatsächliche Ausgangsfrequenz (Anlauffrequenz) des Wechselrichters variiert je nach Modell zwischen 0,5 und 3 Hz.
6. Was bedeutet "open loop"?
Ein Regelkreissystem nutzt einen Drehzahlsensor (PS), um die tatsächliche Drehzahl an die Steuereinheit zurückzumelden. Ein System ohne PS wird als offener Regelkreis bezeichnet. Die meisten universellen Frequenzumrichter arbeiten im offenen Regelkreis, obwohl einige Modelle optional eine PS-Rückmeldung bieten. Die sensorlose Regelung berechnet die tatsächliche Motordrehzahl anhand eines mathematischen Modells und des magnetischen Flusses und nutzt dabei im Wesentlichen einen virtuellen Drehzahlsensor.
7. Was passiert, wenn die tatsächliche Geschwindigkeit von der vorgegebenen Geschwindigkeit abweicht?
Im offenen Regelkreis schwankt die Motordrehzahl unter Last innerhalb des Nennschlupfbereichs (1–5 %), selbst wenn der Wechselrichter eine vorgegebene Frequenz ausgibt. Für Anwendungen, die eine hohe Drehzahlgenauigkeit erfordern und bei denen die Drehzahl auch bei Lastschwankungen nahe an der Solldrehzahl liegen muss, kann ein Wechselrichter mit PG-Rückkopplungsfunktion (optional) eingesetzt werden.
8. Verbessert sich die Drehzahlgenauigkeit nach einer Rückmeldung, wenn ein Motor mit PG verwendet wird?
Wechselrichter mit PG-Rückkopplungsfunktion verbessern die Genauigkeit. Der Wert der Drehzahlgenauigkeit hängt jedoch von der Genauigkeit des PG selbst und der Auflösung der Ausgangsfrequenz des Wechselrichters ab.
9. Was versteht man unter Stall Prevention Function?
Ist die vorgegebene Beschleunigungszeit zu kurz, übersteigt die Änderung der Ausgangsfrequenz des Wechselrichters die Drehzahländerung (elektrische Kreisfrequenz) deutlich. Dies führt zu einer Überstromabschaltung des Wechselrichters und damit zum Stillstand des Betriebs. Um einen Stillstand zu verhindern und den Motorlauf zu gewährleisten, muss die Stromstärke zur Frequenzregelung erfasst werden. Ist der Beschleunigungsstrom zu hoch, muss die Beschleunigungsrate entsprechend reduziert werden. Gleiches gilt für die Verzögerung. Die Kombination beider Faktoren bildet die Stillstandsfunktion.
10. Welche Bedeutung haben Modelle, bei denen Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten separat eingestellt werden können, und Modelle, bei denen Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten gemeinsam eingestellt werden können?
Modelle, bei denen Beschleunigung und Verzögerung separat eingestellt werden können, eignen sich für Anwendungen, die eine kurze Beschleunigung und langsame Verzögerung erfordern, oder für kleine Werkzeugmaschinen mit engen Produktionszykluszeiten. Bei Anwendungen wie Lüfterantrieben, bei denen Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten länger sind, können diese jedoch gemeinsam eingestellt werden.
11. Welche Schutzfunktionen besitzt ein Frequenzumrichter?
Schutzfunktionen lassen sich in folgende zwei Kategorien unterteilen:
(1) Automatische Korrektur von Fehlzuständen, wie z. B. Verhinderung von Überstromblockaden und Verhinderung von regenerativen Überspannungsblockaden.
(2) Blockierung des PWM-Steuersignals des Leistungshalbleiterbauelements nach Erkennung einer Anomalie, wodurch der Motor automatisch gestoppt wird. Beispiele hierfür sind Überstromabschaltung, regenerative Überspannungsabschaltung, Überhitzung des Halbleiterlüfters und Schutz vor kurzzeitigem Stromausfall.
12. Warum werden die Schutzfunktionen des Frequenzumrichters aktiviert, wenn die Last über eine Kupplung angeschlossen wird?
Wird eine Kupplung zum Anschluss einer Last verwendet, ändert sich der Motor im Moment des Anschlusses sprunghaft von einem unbelasteten Zustand in einen Bereich mit hohem Schlupf. Der dabei fließende hohe Strom führt dazu, dass der Wechselrichter aufgrund von Überstrom auslöst und somit nicht mehr betriebsbereit ist.
13. Warum schaltet sich der Frequenzumrichter ab, wenn große Motoren im selben Werk gleichzeitig anlaufen?
Beim Anlauf eines Motors fließt ein Anlaufstrom entsprechend seiner Nennleistung. Dies verursacht einen Spannungsabfall im Transformator auf der Statorseite des Motors. Dieser Spannungsabfall ist umso größer, je höher die Motorleistung ist. An denselben Transformator angeschlossene Umrichter erkennen Unterspannung oder kurzzeitige Abschaltung und lösen dadurch unter Umständen die Schutzfunktion (IPE) aus, was zum Stillstand des Motors führt.
14. Ist es möglich, einen Motor ohne Sanftanlauf direkt an einen Frequenzumrichter anzuschließen?
Bei sehr niedrigen Frequenzen ist dies möglich. Ist die Frequenz jedoch hoch, ähneln die Bedingungen dem direkten Anlauf an einer Netzfrequenzquelle. Es fließt ein hoher Anlaufstrom (das 6- bis 7-Fache des Nennstroms), und da der Wechselrichter den Überstrom abschaltet, kann der Motor nicht anlaufen.
15. Kann ein Frequenzumrichter zum Antrieb eines Einphasenmotors verwendet werden? Kann er mit einer Einphasen-Stromversorgung betrieben werden?
Im Allgemeinen nein. Bei Einphasenmotoren mit drehzahlgeregeltem Anlaufschalter brennt die Hilfswicklung durch, wenn unterhalb des Betriebspunktes gearbeitet wird; bei Motoren mit Kondensatoranlauf oder Kondensatorbetrieb führt dies zu einer Kondensatorexplosion. Frequenzumrichter sind üblicherweise dreiphasig, einige Modelle mit geringer Leistung können jedoch auch mit einphasigem Stromnetz betrieben werden.
