Frequenzumrichter

Was ist ein Frequenzumrichter?

Ein Frequenzumrichter ist in der Lage, bestimmte Eigenschaften einer Wechselspannung zu verändern wie die Frequenz und die Amplitude. Es handelt sich hierbei um sehr wichtige Parameter einer Wechselspannung, die für die direkte Versorgung von elektrischen Maschinen wie beispielsweise Drehstrommotoren eine wesentliche Rolle spielen. Diese Maschinen benötigen meist bestimmte Sollwerte bezüglich der Frequenz und der Amplitude einer Versorgungsspannung. In einigen Fällen müssen diese Parameter sogar veränderbar sein, zum Beispiel für die Regelung einer Motordrehzahl. Frequenzumrichter gibt es in unterschiedlichen Formen und mit verschiedenen Zusatzfunktionen wie etwa die Erfassung von Zustandsparametern einer elektrischen Maschine in Form von Winkelgebern, die dazu dienen, die momentane Position eines Motors bzw. dessen Rotor zu erfassen.

Zur Funktion der Frequenzumrichter

Frequenzumrichter wie Dreh- oder Wechselstromumrichter unterscheiden sich im Aufbau deutlich von herkömmlichen Transformatoren, die lediglich die Amplitude einer Wechselspannung umwandeln können. Zum Einsatz kommen solche Frequenzumrichter hauptsächlich für die direkte Stromversorgung von elektrischen Maschinen, die mit Drehstrommotoren oder Wechselstrommotoren angetrieben werden. Häufig beinhalten die Geräte zusätzliche Funktionen für die Motorsteuerung wie beispielsweise die Erfassung der aktuellen Drehzahl sowie deren lastabhängige Regelung. Es handelt sich um elektronische Geräte ohne mechanisch bewegte Komponenten, bei denen die Umwandlung der für den Betrieb der Motoren notwendigen Frequenzen durch eine elektronische Schaltung erfolgt. Man unterscheidet im Wesentlichen zwischen folgenden Bauarten:

– indirekte Umrichter, bei denen zunächst eine Umwandlung der Eingangsspannung in eine Gleichspannung erfolgt, um anschließend einen ausgangsseitigen Wechselrichter elektronisch anzusteuern, der wiederum die notwendige bzw. gewünschte Ausgangsfrequenz erzeugt
– direkte Umrichter, die meist wesentlich kompakter aufgebaut werden können und keinen modularen Aufbau wie die indirekten Ausführungen besitzen
– verschiedene Formen von Mischtopologien, die mit Zwischenkreisen ausgestattet sein können, dafür aber keine Energiespeicher besitzen

Wie die Frequenzumrichter praktisch eingesetzt werden

Frequenzumrichter sind vereinfacht gesagt Geräte zur Drehzahlsteuerung bis hin zur Regelung von Drehstrommotoren. Würden diese Motoren direkt am Stromnetz betrieben, stünde nur eine einzelne Drehzahl zur Verfügung, je nach Schaltungsart gegebenenfalls auch zwei. Diese Drehzahl ist unter anderem abhängig von der aktuellen Netzfrequenz. Viele Maschinen erfordern jedoch Antriebe, welche in der Drehzahl anpassbar bzw. regelbar sind. Hier kommen die Frequenzumrichter als Schaltgeräte zum Einsatz. Mit ihnen lässt sich die Drehzahl eines Motors stufenlos von fast null bis hin zur benötigten Nenndrehzahl einstellen. Ein wesentlicher Vorteil durch den Einsatz dieser Geräte besteht darin, dass das Drehmoment des Motors auch bei Drehzahlveränderungen nahezu unverändert bleibt. Auf diese Weise ist es möglich, die Anlagen bzw. deren Antriebsbedingungen immer den aktuell erforderlichen Bedingungen anzupassen. Eine Umschaltung der Drehrichtung ist ebenfalls möglich, und zwar durch einen einfachen Steuerbefehl, mit dem die Phasenfolge des Drehstroms geändert wird.

Verschiedene Frequenzumrichter für unterschiedliche Einsatzgebiete

Die Frequenzumrichter für die Drehzahlregelung von Motoren werden im Wesentlichen unterschieden zwischen strom- und spannungsgeführten Ausführungen. Die stromgeführten Frequenzumrichter sorgen für ein konstantes Verhältnis der Versorgungsspannung zu deren Ausgangsfrequenz. Sie werden hauptsächlich für Anwendungen im höheren Leistungsbereich (beispielsweise im oberen Megawattbereich) eingesetzt. In den darunter liegenden Bereichen wie im unteren Megawatt- oder Kilowattbereich werden dagegen oft spannungsgeführte Frequenzumrichter verwendet. Bei ihnen ist das Verhältnis von Spannung zur Frequenz immer konstant. Ist zum Beispiel ein angeschlossener Motor auf eine Nennspannung in Höhe von 230 Volt und die übliche Netzfrequenz von 50 Hz ausgelegt, halbiert sich die Eingangsspannung bei der Halbierung der Eingangsfrequenz ebenfalls.

Mögliche Einsatzgebiete der Motorsteuerungen und -regelungen

Motorsteuerungen in Form der Frequenzumrichter kommen in den unterschiedlichsten Branchen oder in verschiedenen Bereichen der Industrie zum Einsatz. Das fängt an bei Antrieben von Pumpen und Lüftungsgeräten, reicht über verschiedenste Bauformen von Maschinen bis hin zu Transporteinrichtungen für Bereiche wie die Produktfertigung. Sogar größere Maschinen wie elektrisch betriebene Kräne oder sonstige Baumaschinen benötigen in der Drehzahl steuerbare oder regelbare Motoren und sind somit ebenfalls wichtige Einsatzgebiete der Frequenzumrichter. Im Bereich der Fertigung sorgen die Geräte für einstellbare Drehzahlen und somit optimal eingestellte Fertigungsprozesse. Ein angenehmer Nebeneffekt besteht darin, dass die Motordrehzahl jederzeit so angepasst werden kann, dass auch ein energieoptimierter Betrieb von Maschinen möglich ist.

Frequenzumrichter je nach Bedarf optimal einsetzen

Es gibt neben den schon genannten Ausführungen von Frequenzumrichtern auf die jeweiligen Einsatzgebiete angepasste Ausführungen, beispielsweise für die Wandmontage oder die Schaltschrankinstallation. Auch eine dezentrale Installation direkt im jeweiligen Anwendungsbereich ist möglich, beispielsweise für die Montage möglichst nahe am Motor bzw. an der jeweiligen Maschine. Es hängt immer davon ab, wie anspruchsvoll der jeweilige Anwendungsbereich ist und welcher Einsatz bzw. welche Bauform am sinnvollsten eingesetzt wird. Sehr gängig sind beispielsweise einfache Frequenzumrichter für die Wandmontage oder die Schaltschrankinstallation, die eine zentrale Steuerung von verschiedenen Maschinen ermöglichen. Die Geräte für die Wandmontage werden besonders gerne dann eingesetzt, wenn die Anschaffung eines teuren Schaltschrankes nicht erforderlich ist oder gewünscht wird. Erhältlich sind die Geräte in verschiedenen Schutzarten bis hin zu IP 66, beispielsweise für den Einsatz in extrem staubigen oder auch feuchten Umgebungen. Gleiches gilt übrigens auch für die Frequenzumrichter für die dezentrale Installation, die es in verschiedenen Ausführungen und Leistungsklassen gibt.