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Frequenzumrichter

Über diesen Artikel

Lesezeit

3 Minuten

Veröffentlichung

29.07.2020

Letztes Update

01.04.2022

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Frequenzumrichter – Funktionsweise, Aufbau und Vorteile der Drehzahlregelung

Inhalt des Wiki-Artikels

 

Frequenzumrichter für die Regelung von Drehzahlen

Ein Frequenzumrichter ist ein elektronisches Gerät, mit dem sich die Drehzahl von elektrischen Maschinen wie einem Drehstrommotor regeln lässt. Er generiert aus Wechselspannung mit fester Drehzahl eine Wechselspannung, die in Amplitude und Frequenz veränderbar ist. Frequenzumrichter werden Motoren vorgeschaltet, um die Ausgangsfrequenz und -spannung zu regeln. Bei diesem Prozess verändert sich das Drehmoment des Motors nicht, aber er verfügt über einen wesentlich größeren Drehzahlbereich. Darüber hinaus ist mit einem Frequenzrichter ein direkter Wechsel der Drehrichtung möglich. Es gibt stromgeführte Frequenzumrichter, die für Anwendungen im oberen Megawattbereich geeignet sind, und spannungsgeführte Frequenzumrichter, die im unteren Megawatt- oder im Kilowattbereich eingesetzt werden. Aus der Industrie sind Frequenzumrichter nicht mehr wegzudenken, sie werden unter anderem bei Pumpen- und Lüfterantrieben, Kränen, Transport- und Montagebändern eingesetzt.1

Funktionsweise von Frequenzumrichtern

Den ersten seriell gefertigten Frequenzumrichter stellte die Firma Danfoss 1968 vor. Seitdem wurden die Geräte beständig weiterentwickelt, anfangs waren es ölgekühlte Schwergewichte, heute gibt es vollelektronische Frequenzumrichter mit LCD-Display.2 Mit modernen Frequenzumrichter lässt sich sogar Energie einsparen, so dass durch sie die Energiewende unterstützt wird. Auch wenn sich äußerlich viel getan hat, ist der Aufbau von Frequenzumrichtern im Prinzip gleich geblieben. Um die Frequenz der eingespeisten Wechselspannung zu ändern, damit die Drehzahl eines Motors geregelt werden kann, muss das Gerät auch die Höhe der Ausgangsspannung anpassen können. Sogenannte spannungsgeführte Umrichter halten das Verhältnis von Frequenz und Spannung stabil, während stromgeführte Umrichter für ein gleichbleibendes Verhältnis von Frequenz und Strom sorgen.

Aufbau von Frequenzumrichtern

Prinzipiell besteht ein Frequenzumrichter aus einem Gleichrichter, einem Zwischenkreis, einem Wechselrichter und einem Steuerkreis. Der Gleichrichter erzeugt aus der eingehenden Wechselspannung eine Gleichspannung, die vom sich anschließenden Zwischenkreis stabilisiert und geglättet wird. Schließlich generiert der Wechselrichter eine Wechselspannung mit der für den angeschlossenen Motor notwendigen Ausgangsfrequenz. Der Steuerkreis dient dazu, Berechnungen auszuführen und die einzelnen Bauteile sowie kritische Parameter zu überwachen. Die Basis dafür bildet eine Steuerkarte, in die über eine Feldbusschnittstelle oder Steuerklemmen Vorgaben oder für Berechnungen nötige Informationen eingespeist werden. Moderne Frequenzumrichter werden in der Gebäudeautomation, der Automatisierungs- und der Wasser-Abwasser-Technik eingesetzt. Sie optimieren Prozesse und helfen auf diese Weise dabei, Energie zu sparen. Darüber hinaus eignen sie sich als Stand-alone-Lösungen für immer mehr Funktionen.3

Vorteile von Drehzahlregelungen

Frequenzumrichter werden eingesetzt, weil die Regelung der Drehzahl einige Vorteile mit sich bringt. Primär erhöht sich die Effizienz von Systemen, gleichzeitig wird Energie eingespart. Sowohl die Drehzahl als auch das Drehmoment oder die Antriebsleistung können den Prozessanforderungen angepasst werden. Maschinen sind dank Frequenzumrichtern einer geringeren mechanischen Belastung ausgesetzt, das Geräuschniveau bei Geräten wie Lüftern und Pumpen nimmt ab, insgesamt wird dadurch das Arbeitsumfeld verbessert. Die Drehzahl beziehungsweise das Drehmoment kann – unabhängig von der Last – mit Hilfe eines modernen Frequenzumrichters auf ± 0,5 Prozent genau angepasst und aufrechterhalten werden.

Mit Frequenzumrichtern Energie sparen

Auf Elektromotoren entfallen rund 48 Prozent des globalen Energieverbrauchs, bei Industrieanwendungen ist der Anteil mit 65 bis 75 Prozent sogar noch deutlich höher. Das Einsparpotenzial durch Frequenzumrichter ist also hoch. Die Geräte tragen zur Entwicklung und Optimierung energieeffizienter Motoren bei, dank derer bis zu zehn Prozent der üblicherweise aufgewendeten Energie eingespart werden können. Dank der anpassbaren Drehzahlregelung kann sich der Energieverbrauch darüber hinaus beim Betrieb bis zu 30 Prozent reduzieren. Noch größere Einsparungen sind möglich, wenn das Gesamtsystem optimiert wird, nämlich bis zu 60 Prozent. Die meisten Maßnahmen zur Energieeinsparung mittels Frequenzumrichtern lassen sich in Kürze und auf einfache Art realisieren. Ein besonders großes Einsparpotenzial ist bei Pumpen und Lüftern gegeben.

Direktumrichter ohne Zwischenkreis

Die meisten Frequenzumrichter verfügen über einen Zwischenkreis, doch es gibt auch welche, die ohne diesen aus Wechselspannung mit festen Parametern eine variable Spannung erzeugen. Diese Geräte werden Direktumrichter genannt und in der Regel lediglich für Hochleistungsanwendungen im Megawattbereich genutzt. Oft werden sie in Verbindung mit Synchronmotoren eingesetzt, ideal sind sie für Anwendungen, die eine hohe dynamische Leistung erfordern. Direktumrichter verfügen bei einer Netzfrequenz von 50 Hertz über einen reduzierten Frequenzreglungsbereich von etwa 25 bis 30 Hertz.4

Frequenzumrichter im Miniformat

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt die Entwicklung von hochintegrierten Frequenzumrichtern für energiesparende Umwälzpumpen. Das Projekt zielt darauf ab, leistungsstarke Umrichter soweit zu verkleinern, dass sie direkt im Motorengehäuse Platz finden. Dies soll gelingen, indem die Steuerelektronik und Leitungshalbleiter in eine Leiterplatte eingebracht werden, die dem Motor angekoppelt wird. Externe Schnittstellen und Kabel könnten auf diese Weise eingespart werden, die Kosten würden reduziert. Die Mini-Frequenzumrichter wären deutlich kleiner als die herkömmlichen Geräte und nicht nur für Umwälzpumpen, sondern auch für viele andere elektrische Antriebe nutzbar.5

Frequenzumrichter für das Stromnetz

Die Wende hin zu erneuerbaren Energien macht eine Modifizierung des Stromnetzes erforderlich, damit der Strom in beide Richtungen fließen kann. Die Erzeugung, Umwandlung und Speicherung von elektrischer Energie soll direkt in engmaschigen Netze erfolgen. Dafür braucht es Umrichter, die Netzstabilität und einen wirtschaftlichen Betrieb ermöglichen. Mit deren Entwicklung befasst sich das Kopernikus-Projekt Ensure. Ein neues Schaltungskonzept mit voneinander entkoppelten leistungsstarken und leistungsschwachen Komponenten soll dafür sorgen, dass die geforderten Bedingungen an ein Stromnetz für erneuerbare Energien erfüllt werden. Das Konzept sieht einen leistungsstarken Frequenzumrichter mit recht niedriger Stufenzahl vor, der an einen Multilevel-Umrichter gekoppelt wird. Durch diese Prozedur weist der Multilevel-Umrichter eine sehr hohe Leistungsdichte auf, darüber hinaus ist er dank zahlreicher Ausgangsspannungsstufen ideal für den Einsatz im Stromnetz.6

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