Frequenzumrichter

Frequenzgeregelte Antriebslösungen sorgen in nahezu allen Branchen für Bewegung. Dem riesigen Einsatzspektrum steht eine Vielzahl von Antriebskomponenten gegenüber. Mithilfe einiger grundsätzlicher Erklärungen und Tipps zum Umgang mit Frequenzumrichtern schaffen Sie es mühelos, das optimale Antriebssystem für Ihre Anwendung im Handumdrehen auszuwählen.

Was ist ein Frequenzumrichter?

Frequenzumrichter sind elektronische Geräte, die zur Umformung einer (mehr oder weniger) festen Frequenz und Spannung in eine variable Frequenz und Spannung dienen. Damit ist es möglich einen Elektromotor, drehzahlveränderbar zu betreiben.

Wofür werden Frequenzumrichter verwendet?

Frequenzumrichter zum drehzahlveränderbaren Betrieb von einphasigen und dreiphasigen Elektromotoren finden sich heutzutage praktisch überall – nicht nur in der Industrie, sondern auch im Alltag. Angefangen von kleinsten Leistungen für Antriebe der Trommel in einer Waschmaschine bis hin zu mittleren Leistungen für die Pumpen in der städtischen Wasserversorgung.

 

In der Industrie werden drehzahlveränderbare Antriebe für folgende Applikationen genutzt:

  • Pumpen, Lüften, und Verdichten
  • Positionieren, Verarbeiten, Bewegen und Bearbeiten

Diese werden in zahllosen Branchen eingesetzt:

  • Nahrungsmittel und Genussmittelindustrie
  • Automobilindustrie
  • Heizungstechnik, Lüftungstechnik und Klimatechnik
  • Wasser- und Abwasserwirtschaft
  • Papierindustrie
  • Öl und Gas
  • Chemie
  • Logistik
  • Windkraft, Wasserkraft und Fotovoltaik
  • Marine

Motorstarter, Sanftstarter, Frequenzumrichter – Wie wähle ich die richtige Lösung für meine Anwendung?

Motorstarter, auch Softstarter, Sanftstarter oder Sanftanlaufgeräte genannt, sind keine Frequenzumrichter, sondern Geräte zur Spannungsabsenkung. Sie werden eingesetzt, wenn Motoren an Netzen betrieben werden müssen, die entweder sehr schwach sind oder in denen auch andere Verbraucher angeschlossen sind, die sehr empfindlich gegen Spannungsschwankungen sind. Will man dagegen die Drehzahl eines Elektromotors im Dauerbetrieb verändern, muss ein Frequenzumrichter eingesetzt werden. Dies bietet Vorteile: Flexibilität, Prozessoptimierung und Energieeinsparung.

Welche Arten von Frequenzumrichtern gibt es? 

  • Niederspannungsumrichter für Motorspannungen im Bereich von 230 V – 690 V (einphasig, dreiphasig – Wechselspannung oder Drehspannung)
  • Mittelspannungsumrichter für Motorspannungen im Bereich von 2,3 kV – 13,8 kV, insbesondere für Antriebsleistungen > 2,5 MW
  • DC-Umrichter für Gleichstrommotoren bestehen aus einem Gleichrichter
  • Schutzkleinspannungs-Umrichter für den Einsatz mit Motorspannungen von 24 VDC bis 48 VDC
  • Servoumrichter

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Viele Begriffe in der Antriebstechnik im Zusammenhang mit Umrichtern - was ist damit gemeint?

In der Literatur findet man die Begriffe Frequenzumrichter (FU), Frequenzumformer, Umrichter, Konverter, Gleichrichter, Wechselrichter, Inverter. Auch englischsprachige Begriffe bzw. Abkürzungen sind im deutschen Sprachgebrauch bereits eingeführt:

  • VFD (variable frequency drive - drehzahlveränderbarer Antrieb)
  • ASD (adjustable speed drive – Antrieb mit einstellbarer Drehzahl)
  • VSI (voltage source inverter – Spannungszwischenkreis-Umrichter)
  • CSI (current source inverter – Stromzwischenkreis-Umrichter)

Hier eine kurze Erklärung der gängigen Begriffe im Zusammenhang mit Frequenzumrichtern:

  • Frequenzumrichter zur Umwandlung einer Wechselspannung- oder Drehspannung (einphasig- oder dreiphasig) einer Frequenz in eine Wechselspannung- oder Drehspannung mit anderer Frequenz.
  • Frequenzumformer ist eine mechanische Vorrichtung, die aus einem Motor und einem Generator besteht.
  • Stromrichter/Umrichter steht für eine elektrische Schaltung, mit der eine oder mehrere elektrische Größen – zum Beispiel Spannung, Strom, Frequenz – verändert werden können.
  • Konverter ist ein in der Wissenschaft gebrauchter Begriff für Umrichter.
  • Gleichrichter ist eine Anordnung zur Umwandlung von Wechselstrom oder Drehstrom in Gleichstrom. Stromrichteranordnungen, die zur Netzrückspeisung (Energie-Rückgewinnung) oder zum Bremsen eingesetzt werden, müssen einen gesteuerten Eingangsstromrichter haben.
  • Wechselrichter zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom oder Drehstrom.
  • Puls-Umrichter oder PWM-Umrichter / -Wechselrichter (PWM: Puls-Weiten-Modulation): Mit dieser Methode kann durch geeignete Wahl der Impuls- und Pausendauer eine Ausgangsspannung einstellen werden, die – je nach Pulsfrequenz – im Mittelwert eine nahezu perfekten Sinusform aufweist.
  • Spannungszwischenkreis-Umrichter bestehen aus einem ungesteuerten oder gesteuerten Gleichrichter, einem Zwischenkreis mit Kondensatoren und einem Wechselrichter. Der motorseitige Stromrichter erzeugt ein Drehstromsystem mit einstellbarer Frequenz und Spannung, die einen Strom einprägt, der im Motor ein vorgegebenes Drehmoment entwickelt.
  • Im Zwischenkreis sind die beiden Hauptkomponenten netzseitiger und motorseitiger Stromrichter  verbunden, der bei Stromzwischenkreis-Umrichtern aus einer Drossel zur Glättung des Stroms und bei Spannungszwischenkreis-Umrichtern aus einem Kondensator zur Glättung der Spannung besteht. 

Was ist der Zusammenhang zwischen einem Frequenzumrichter und einem Elektromotor?

Die Drehzahl eines Elektromotors hängt von der Frequenz der speisenden Spannung und von der Ausführung des Läufers – der Polzahl oder Polpaarzahl – ab.

 

Diese Eigenschaften sind fest vorgegeben (außer bei den sogenannten polumschaltbaren Motoren) und können, nicht geändert werden.

Mit einem Frequenzumrichter ist es möglich die Motorspannung und deren Frequenz in einem weiten Bereich zu verändern, wodurch die Drehzahl eines Elektromotors verstellbar wird.

Beides zusammen, Umrichter und Motor ermöglicht den Motor anzutreiben, ihn zu bremsen und dies sogar mit Energierückgewinnung (Netzrückspeisung).

Was ist erforderlich, um ein Antriebssystem zusammen zu stellen?

Neben Frequenzumrichter und Motor sind für den drehzahlveränderbaren Betrieb noch einige weitere Komponenten erforderlich:

  • Netzschütz oder Leistungsschalter
  • Leistungskabel zwischen Umrichter und Motor
  • Ggf. Eingangssicherungen
  • Ggf. Netzdrossel oder Netzfilter
  • Ggf. Ausgangsdrossel bzw. Sinusfilter
  • Ggf. Kommunikation zwischen der Umrichter-Steuerung und einer übergeordneten Anlagensteuerung
  • Ggf. Luftkanäle für die Zu- und Abfuhr der Kühlluft für den Umrichter ggf. mit Luftfilter
  • Ggf. Kühlanlage bei wassergekühlten Umrichtern 

Auswahl, Konfiguration, Kaufen von SINAMICS Umrichtern und Antriebskomponenten

Wie spare ich Energie und Kosten beim Einsatz von Frequenzumrichtern?

Durch die Drehzahlregelung liefert der Motor nur genau die Leistung, die vom Prozess benötigt wird. Bei Applikationen, die systembedingt auch Bremsbetrieb erfordern, ist ein Umrichter zu wählen, der die beim Bremsen entstehende Energie als elektrische Energie in das Netz zurückspeist.

 

Beispiele:

  • Förderbänder
  • Hebezeuge und Krane
  • Expansionsturbinen
  • Prüfstandsantriebe
  • Windkraft, Wasserkraft, Fotovoltaik 

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Wann benötige ich einen extra Bremswiderstand beim Einsatz von Frequenzumrichtern? 

Bremswiderstände werden dann eingesetzt, wenn ein Antriebssystem– insbesondere im Störfall – abgebremst oder zum Stillstand gebracht werden muss. Die kinetische Energie des Antriebsstrangs wird dabei über Widerstände, die im Zwischenkreis angeordnet sind, in Wärme umgewandelt und dem Antriebsstrang entzogen.

Der Begriff Bremswiderstand darf nicht mit Haltebremse verwechselt werden, mit der lediglich sichergestellt werden soll, dass ein stillstehendes Antriebssystem nicht durch die Arbeitsmaschine in Bewegung gesetzt wird.

 

Wählen Sie den richtigen Bremswiderstand für Ihr Antriebssystem

Wann benötige ich ein extra Filter beim Einsatz von Frequenzumrichtern?

Im Zusammenhang mit Frequenzumrichtern sind zwei Arten von Filtern zu betrachten:

  • Netzfilter verhindern, dass die vom Frequenzumrichter erzeugten Ober­schwingungen in das Netz gelangen und  andere Verbraucher stören.
    Diese Netzfilter können je nach Anforderung der Anlagen- bzw. Netzbetreiber entweder LC-Filter (Sinusfilter) sein oder Netzdrosseln – auch Kommutierungsdrosseln genannt.
  • Ausgangsfilter schützen den Motor vor den vom Wechselrichter erzeugten, steilen Spannungsflanken. Diese Filter sind erforderlich, wenn die Kabelverbindung zwischen Wechselrichter und Motor sehr lang ist.
    In solchen Fällen kann es zu Reflexionen und Spannungsüberhöhungen auf den Kabeln kommen, wodurch die Motorisolation zerstört werden kann. Diese Ausgangsfilter können  entweder Sinusfilter oder du/dt-Begrenzungsdrosseln sein.

Wählen Sie den passenden Filter für Ihren Umrichter

Frequenzumrichter und Normen, was muss ich beachten?

Neben der Produktnorm IEC 61800-5-1, die für Elektrische Leistungsantriebssysteme mit einstellbarer Drehzahl gilt, sind in zunehmendem Maß auch Normen, Vorschriften sowie länderspezifische Bestimmungen zu berücksichtigen, die von Anwendern, Anlagenbetreibern und Netzbetreibern, gefordert werden – beispielsweise Anforderungen an die Netzqualität. Dies beruht vorwiegend darauf, dass in den Netzen immer mehr aktive Stromrichter eingesetzt werden, wie zum Beispiel für Fotovoltaik oder Windkraftanlagen. Andere Beispiele sind Namur Anschlüsse, um Anschlussanforderungen von Teilen der chemischen Industrie zu bedienen, sowie Robustheitsanforderungen, wie sie für maritime Applikationen verlangt werden und durch Schiffszertifizierungen bestätigt werden.

 

Normen und Richtlinien zum Schaltschrankbau