Frequenzumrichter: Funktion, Aufbau, Einsatz & Hersteller

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aktualisiert am: 25.03.2020 - 09:20:12
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Der Frequenzumrichter ist ein Stromrichter, der Wechselstrom hinsichtlich Frequenz und Amplitude für Stromverbraucher "richtet" bzw. umwandelt. Frequenzumrichter dienen der Steuerung und Versorgung eines (elektrischen) Motors (wie bspw. Drehstrommotoren) bzw. elektrischer Maschinen. Frequenzumrichter werden bei elektrischen Bahnen, Pumpen oder Lüftungen, Hebeanwendungen oder Servoantrieben eingesetzt. Durch den Einsatz von 230V/400V Leiterspannung sind höhere Drehzahlen und damit größere Leistungen möglich.

Frage/Definition: Was ist/sind Frequenzumrichter?
Auch oft gesucht: Frequenzumlader, Stromrichter



Funktion & Aufbau von Frequenzumrichtern

Die passenden Werte für die Frequenz und Amplitude sind abhängig von den Anforderungen der elektrischen Maschine und deren aktuellen Last. Im Gegensatz zu klassischen Umrichtern, die für die Versorgung von unterschiedlichen Verbrauchern arbeiten und ähnlich aufgebaut sind, dienen Frequenzumrichter der Steuerung und Versorgung eines elektrischen Motors. Sie arbeiten damit nicht mit einer festen Frequenz und Spannungsamplitude am Ausgang, sondern erzeugen variable Wechselspannungen.
Damit erzeugt nicht das Stromnetz die Frequenz und Spannungshöhe für die Arbeit des Motors, sondern der Frequenzumrichter regelt Ausgangsfrequenz und Ausgangsspannung.

Grundsätzlich bestehen indirekte und statische Frequenzumrichter aus folgenden Bauteilen:

  • Gleichrichter: speist den Gleichspannungs-Zwischenkreis, können sowohl gesteuerte als auch ungesteuerte Brücken sein, Speisung via Leistungsfaktorkorrektur (PFC) möglich
  • Wechselrichter: wird aus dem Zwischenkreis gespeist, arbeitet mit leistungselektronischen Schaltern (Leistungstransistoren wie MOSFET, IGBT, IGCT)

Dieser Zwischenkreis wiederum setzt sich aus einem Kondensator sowie Induktivitäten zusammen: der Kondensator dient der Glättung der Gleichspannung, die Induktivitäten der Entstörung. Durch die Anschlussmöglichkeit von mehreren Wechselrichtern am Zwischenkreis werden Frequenzumrichter häufig an Werkzeugmaschinen eingesetzt.

Direktumrichter oder Matrixumrichter kommen hingegen ohne Zwischenkreis aus und erfordern eine lückenlose Energiezufuhr (bspw. über Dreiphasenwechselstrom). Sie sind rückspeisefähig und können im Brückenbetrieb arbeiten, d.h. Schaltvorgänge nahezu verlustfrei durchführen. Einsatz finden diese Frequenzumrichter bspw. in Fahrstühlen.

Frequenzumrichter besitzen in der Regel einen sog. Brems-Chopper (Brems-Unterbrecher), wodurch überschüssige Energie in Wärme umgewandelt werden kann. Dies ist deshalb wichtig, da ansonsten die Kondensatoren beschädigt werden können. Für größere Bremsleistungen (um 1kW) wird die Rückspeisung in diese Art der Frequenzumrichter eingebaut.

Vorteile von Frequenzumrichtern

Ein Frequenzumrichter verändert die Drehzahl eines Motors. Dies geschieht stufenlos von fast Null bis zur benötigten Nenndrehzahl:

  • man erhält einen deutlich umfangreicheren Drehzahlbereich
  • das Drehmoment des Motors bleibt unverändert
  • Anlagenbetreiber und Antriebstechnik passen sich den jeweiligen Anforderungen und Bedingungen an

Zudem wird durch ein Frequenzumrichter die Drehrichtung gewechselt, wodurch sich der nachgeschaltete Drehstrommotor in die entgegengesetzte Richtung dreht.

Erweiterungen/Komponenten

Frequenzumrichter können durch mehrere Schnittstellen erweitert werden. Schnittstellen sind für folgende Funktionen in Frequenzumrichtern da:

  • digitale & analoge Eingänge: Anschluss von Potentiometern, etc.
  • Feldbus & Industrial Ethernet: Profibus, Profinet, etc.

Festgelegt werden die Schnittstellen über internationale Normen, um die Erweiterung bei unterschiedlichen Herstellern zu ermöglichen. Für Antriebsprofile der Feldbusse lautet die Norm bspw. IEC 61800-7.

Arten von Frequenzumrichtern

Je nach Art der elektrischen Maschine arbeiten Frequenzumrichter unterschiedliche:

  • mit Einphasenwechselspannung und Dreiphasenwechselspannung
  • mit aus der Einphasenwechselspannung generierende Dreiphasenwechselspannung

Grunsätzlich zu unterscheiden sind aber zwei Arten von Frequenzumrichtern:

  1. stromgeführte Frequenzumrichter: Verhältnis von Strom zu Frequenz ist konstant, für Megawattanwendungen
  2. spannungsgeführte Frequenzumrichter: Verhältnis von Strom zu Frequenz bleibt konstant, für allgegenwärtige Anwendungen

Mithilfe von integrierten Steuerungen wird das Spannungs-/Frequenzverhältnis stetig kontrolliert und angepasst. Daraus ergibt sich die für den Anwendungsfall benötigte Motorendrehzahl.

Nach Anlage und Maschine

Frequenzumrichter müssen an das jeweilige Arbeitsumfeld angepasst sein, dazu zählen:

  • Frequenzumrichter an der Wand (zentral)
  • Frequenzumrichter in einem Schaltschrank (zentral)
  • Frequenzumrichter im Feld (dezentral)

Außerdem sollte die Applikation/Anwendung berücksichtigt werden:

  • Einfach-Frequenzumrichter
  • Applikations-Umrichter / Servo-Mehrfachverstärker

Einsatz & Anwendungsgebiete von Frequenzumrichtern

Darstellung des Einsatzes eines Frequenzumrichters an Sägeblättern bei der Fertigung von Türen

Frequenzumrichter werden in verschiedenen (Industrie-)Branchen eingesetzt. Wichtig:
Wenn elektrische Maschinen (bzw. Drehstrommotoren) direkt am Wechselspannungsnetz hängen, steht nur eine fixe Drehzahl zur Verfügung. Diese ist abhängig von der Polzahl und eingespeisten Frequenz des lokalen Stromnetzes. Wird jedoch eine veränderbare Wechselspannung für die entsprechende Anwendung und damit eine regelbare Geschwindigkeit benötigt, so finden in der Regel Frequenzumrichter ihren Einsatz.

Die Einsatzgebiete sind:

Hersteller von Frequenzumrichtern

Es gibt verschiedene Hersteller von Frequenzumrichter wie:

Danfoss
Danfoss ist insbesondere für die VLT und VACON-Serie der Frequenzumrichter bekannt. Neben den Danfoss Frequenzumrichtern für die Drehzahlregelung bei Motoren, für das Gebäudemanagement (Pumpen- & Lüfteranwendungen) oder für die Wasser- & Abwassertechnik, gibt es auch Servoantriebe im Angebot.
Siemens
Die SINAMICS Siemens Frequenzumrichter können für den Niederspannungs-, Mittelspannungs- sowie Gleichspannungsbereich eingesetzt werden und verfügen über verschiedene Antriebskomponenten.
Lenze
Lenze ist ein Hersteller von Servoumrichtern und Frequenzumrichtern für den Schaltschrankeinbau sowie die Motormontage und den dezentralen Einbau.
Getriebebau Nord
Getriebebau Nord bzw. Nord Drivesystems hat Frequenzumrichter und Motorstarter im Angebot. Diese werden in Form von Produktbaukästen mit Antriebskomponenten ausgeliefert.
SEW-Eurodrive
SEW-Eurodrive bietet Frequenzumrichter für verschiedene Umgebungen und Anwendungen an. Dazu gehören Frequenzumrichter für die Schaltschrankinstallation, Wandmontage sowie dezentrale Installation (als Motorstarter oder Standard-Umrichter).

Online-Shops

In verschiedenen Online-Shops können Frequenzumrichter 230V oder Frequenzumrichter 400V gekauft werden. Eine Auswahl:

  • Sourcetronic
  • Ebay
  • Amazon
  • Conrad

Die Hersteller-Übersicht ist dann insbesondere für den B2B-Bereich interessant, wenn es um den Einsatz von Frequenzumrichtern für größere Projekte in der Industrie geht.

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