Erklärung Was ist ein Frequenzumrichter?

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Ohne Frequenzumrichter keine geregelten Motoren. Kein Wunder also, dass Frequenzumrichter in nahezu allen Industriebereichen überaus weit verbreitet sind. Doch was genau ist ein Frequenzumrichter und aus welchen Grundkomponenten besteht er? Wie funktioniert ein Frequenzumrichter? Wo werden Frequenzumrichter eingesetzt und was bedeutet das z. B. für die Lebensdauer von Motoren und Energieeffizienz von Industrieanlagen?

Ein Frequenzumrichter ist ein elektronisches Gerät, das die Frequenz und Wechselspannung einer elektrischen Stromversorgung umwandelt, um präzise die Drehzahl von elektrischen Motoren mit einer variablen, präzise steuerbaren Wechselspannung zu regeln. Zu den häufigsten Anwendungen für Frequenzumrichter gehören Antriebe u.a. von Ventilatoren, Pumpen, Förderbänder und Drehstromantriebe von Industriemaschinen.

Aus welchen Hauptkomponenten setzt sich ein Frequenzumrichter zusammen?

Im Wesentlichen bestehen Frequenzumrichter aus einem Eingangsfilter, einem Gleichrichter, einem Wechselrichter und einem Steuer- bzw. Regelkreis.

• Der Eingangsfilter ermöglicht es, Störungen oder Spannungsspitzen aus dem Stromnetz zu minimieren.

• Der Gleichrichter besteht aus elektrischen Komponenten wie etwa Schaltthyristoren oder Transistoren als sogenannte gesteuerte oder ungesteuerte Brückenschaltungen.

• Der Zwischenkreis setzt sich vor allem aus Transistoren und Spulen zusammen.

• Der Wechselrichter dient zur Wandlung von Gleichstrom in variablen Wechselstrom und zur Regelung der Ausgangsfrequenz sowie der Höhe der Ausgangsspannung.

• Der Steuer- oder Regelkreis besteht meist aus einer Steuerkarte oder einer Feldbusschnittstelle.

Grundsätzlich setzen sich Frequenzumrichter aus diesen Bestandteilen zusammen, obwohl spezifische Frequenzumrichter keinen Zwischenkreis benötigen, da sie eine dauerhafte Energiezufuhr erfordern.

Wie funktioniert ein Frequenzumrichter?

Ausgehend von oben genannten Systemkomponenten beruht die Funktionsweise von Frequenzumrichtern in der Umwandlung von Gleichstrom (DC-Strom) in Wechselstrom (AC-Strom) mit variabler Frequenz. Die Umrichtung erfolgt in drei Schritten:

Gleichrichtung (Rektifizierung): Der Frequenzumrichter wandelt den eingehenden Wechselstrom in Gleichstrom um. Dies erfolgt mit einem Gleichrichter, der mithilfe von gesteuerten oder ungesteuerten Brückenschaltungen die Wechselspannung in eine konstante Gleichspannung umsetzt.

Zwischenkreis: Im Zwischenkreis wird der Gleichstrom gespeichert und für den nächsten Schritt der Umwandlung mithilfe von Kondensatoren oder Spulen geglättet. Der Zwischenkreis ist somit eine Art Puffer, der nach der Glättung die Gleichspannung in den Wechselrichter einspeist.

Wechselrichter: Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom aus dem Zwischenkreis in eine Wechselspannung mit variabler Frequenz und Amplitude bzw. Spannung. Die Frequenz der Wechselspannung passt zum angeschlossenen Motor bzw. zu dem gewünschten Betriebspunkt, so dass dessen Drehzahl und Drehmoment gesteuert werden kann.

Steuer- und Regelelektronik: Neben der Überwachung und Regelung von Systemparametern wie Spannung, Frequenz und Strom ermöglicht die Elektronik die stufenlose Drehzahlregelung und die Drehmomentsteuerung eines Motors oder die Synchronlaufregelung bei mehreren an einem Umrichter angeschlossenen Elektromotoren.

Zu den häufigsten Betriebsarten von Frequenzumrichtern gehören in diesem Zusammenhang der U/f-Betrieb und die Vektorregelung. Im U/f-Betrieb werden die Spannung und die Frequenz in einem gleichbleibenden Verhältnis geregelt, um ein konstantes Drehmoment über einen weiten Bereich zu liefern. Mitunter ist eine Spannungsanhebung (auch als Boost bezeichnet) erforderlich, um bei niedrigen Drehzahlen Leistungsverluste auszugleichen.

Bei der Vektorregelung werden das Drehmoment und die Drehzahl durch Berücksichtigung der Rotorposition im Elektromotor präziser gesteuert. Diese Betriebsart ist häufig in anspruchsvolleren Antriebsanwendungen zu finden.

Definition

Wie funktioniert ein Elektromotor?

Wo werden Frequenzumrichter eingesetzt?

Frequenzumrichter sind überwiegend an Antrieben für Pumpen, Lüfter und Verdichter zu finden. Schätzungen zufolge sind allein rund zweidrittel aller weltweiten Frequenzumrichter in solchen Anwendungen zur Anpassung der Drehzahl von Elektromotoren und für Energieeinsparungen im Einsatz. Aber auch in der Logistik und Fertigung kann auf Frequenzumrichter zur Steuerung der Geschwindigkeit und der Bewegungsrichtung von Förderbändern und Transportanlagen nicht verzichtet werden.

Während in der Industrieproduktion Frequenzumrichter die präzise Steuerung von Werkzeugen z. B. bei der Metall- oder Holzbearbeitung übernehmen, sorgen sie an Kranen und Handhabungssystemen durch ein sanftes Anfahren und präzise Positionierungen für die sichere Bewegung und das Transportieren von Lasten. In vielen Bereichen der Mobilität wiederum regulieren Frequenzumrichter die Geschwindigkeiten von elektrischen Fahrzeugen. Und die Liste an Beispielen ließe sich an dieser Stelle wohl schier unendlich fortführen.

Welche Sicherheitsmaßnahmen sind in modernen Frequenzumrichtern integriert?

In modernen Frequenzumrichtern sind eine ganze Reihe an Funktionen integriert, um die Sicherheit von Maschinen und Mitarbeitenden zu gewährleisten. Hier einige Beispiele:

Sicherer Stopp 1: Mit dieser Funktion stoppt ein Motor kontrolliert und kommt somit in einer sicheren Position zum Stillstand. Diese Funktion ist vor allem in Anwendungen wichtig, in denen ein plötzlicher Motorstopp zu Gefahrensituationen führen könnte.

Sicherer Halt im Notfall: Mit dieser Funktion wird ein Motor in einem Notfall sofort gestoppt, um die Sicherheit eines Bedieners in kritischen Situationen zu gewährleisten.

Sicher abgeschaltetes Drehmoment: Ein unerwarteter Anlauf eines Motors kann gefährlich sein. Daher sorgt diese Funktion dafür, dass ein Motor in einen drehmomentfreien Betriebszustand versetzt wird. Diese Funktion zur Erhöhung der Bediensicherheit einer Maschine findet sich in sehr vielen Umrichtern.

Sichere begrenzte Drehzahl: In diesem Fall kann der Motor eine zuvor definierte maximale Drehzahl nicht überschreiten. Der Motor selbst sowie die hieran angeschlossenen Maschinen werden somit vor Überlast und Schäden geschützt.

Viele Frequenzumrichter integrieren außerdem eine Sicherheitslogik, die es ohne externe Geräte ermöglicht, verschiedenste Sicherheitsfunktionen zu implementieren und auszuführen. Ein Vorteil ist hierbei u.a. der geringere Verdrahtungsaufwand sowie die einfachere Installation und Inbetriebnahme eines Motors.

Weitere Diagnosefunktionen stellen überdies sicher, dass der Zustand eines Motors und die entsprechenden Sicherheitsfunktionen kontinuierlich überwacht werden. Hierdurch lassen potenzielle Probleme frühzeitig erkennen und rechtzeitig gezielte Maßnahmen ergreifen.

Welche Vorteile haben Frequenzumrichter?

Einer der wichtigsten Funktionen von Frequenzumrichtern ist auch deren zentraler Vorteil: Sie können über einen weiten Bereich die Drehzahl von Elektromotoren bedarfsgerecht anpassen und stufenlos regeln. Somit garantieren sie ein hohes Maß an Einsatzflexibilität unter sehr unterschiedlichen Betriebsbedingungen.

Durch die bedarfsorientierte Anpassung von Motordrehzahlen bieten die Umrichter viele Potenziale für signifikante Energieeinsparungen. So zeigen bspw. Studien beim Einsatz von Frequenzumrichtern an Kompressoren, dass eine um 20 Prozent reduzierte Motordrehzahl zu Energieeinsparungen von etwa 50 Prozent führen kann.

Da Frequenzumrichter den Anlaufstrom erheblich reduzieren, wird die Belastung des Stromnetzes verringert.

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Durch einen Sanftanlauf und die bedarfsgerechte Drehzahlregelung sowie die Vermeidung von Stromspitzen lassen sich der mechanische Verschleiß von Maschinen oder anderer Anlagenkomponenten minimieren. Dies führt zu einer längeren Lebensdauer von Maschinen und Anlagen und reduziert überdies die Wartungskosten.

Frequenzumrichter sind außerdem in der Regel einfach zu parametrieren und erleichtern somit die Integration in bereits bestehende Systeme, wodurch u.a. auch die Umstellung auf moderne Antriebtechnik begünstigt wird.

Die meisten Frequenzumrichter verfügen über erweiterte Funktionen wie z. B. Feedback- und Kontrollmechanismen. Gekoppelt mit entsprechenden Sensoren, lassen sich u.a. Betriebsparameter wie Druck oder Temperatur überwachen und hierdurch die Motorleistung entsprechend anpassen. Diese intelligente Steuerung verbessert letztendlich die Effizienz und Sicherheit von Anlagen.

Wie beeinflussen Frequenzumrichter die Energieeffizienz von Industrieanlagen?

Ein entscheidender Aspekt wurde bereits bei den Vorteilen von Frequenzumrichtern genannt, nämlich erhebliche Energieeinsparungen durch eine anwendungsorientierte Regelung von Motordrehzahlen. Mit der Anpassung von Frequenz und Spannung an die tatsächliche notwendige Last lässt sich zudem die Verlustleistung im Teillastbereich senken, wodurch der Wirkungsgrad eines Antriebssystems erhöht und der Gesamtenergieverbrauch einer Anlage reduziert wird. Darüber hinaus sorgen Frequenzumrichter für eine gleichmäßige Verteilung des Energieverbrauchs und vermeiden somit Lastspitzen.

Indem Frequenzumrichter überdies in der Lage sind, den optimalen Betriebspunkt von Anlagen oder Maschinen zu finden, wird das Verhältnis zwischen Leistung und Energieeffizienz maximiert. Die hochpräzise Regelung sorgt dafür, dass Anlagen und Maschinen in ihrem effizientesten Bereich arbeiten.

Natürlich lassen sich Frequenzumrichter auch in intelligente Netzwerke integrieren, sodass eine durchgängige Überwachung und Analyse des Energieverbrauchs ermöglicht wird.

Am Ende tragen Frequenzumrichter durch die bisher genannten Eigenschaften zur Verringerung von CO2-Emissionen bei – für viele ein besonders wichtiges Thema hinsichtlich einer nachhaltigen Fertigung und weiterhin steigender Energiekosten.

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Anbieter von Frequenzumrichtern (Auszug ohne Anspruch auf Vollständigkeit)

• ABB

• ABM Greiffenberger

• AC-Motoren

• Baumüller

• B&R

• Blemo

• Bonfiglioli

• Danfoss

• DEMAG

• Eaton

• Geovent

• HAINZL Motion & Drives

• Hitachi

• KEB

• Lenze

• Leybold

• Maxon Motor

• Meister Automation

• Mitsubishi Electric

• Nord Drivesystems

• RS Components

• SEW Eurodrive

• Siba

• Siemens

• Unitronics

• VTDRIVE

• Yaskawa

• Ziehl-Abegg

Quellen:WikipediaStudysmarterRS ComponentsMeister AutomationBlemoZiehl-AbeggABBDeutsche ThermoIndustrie-Hydraulik Vogel & Partner Longvista BaumüllerHoyerUnitronicsMaschinenmarktDGUVOptendaDanfossFrankonia AntriebstechnikIndustrie WissenADM Electronic

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