Frequenzrichter

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Frequenzrichter

Ein Frequenzumrichter ist ein Gerät, das aus einem Wechselstrom (auch Drehstrom) mit bestimmter Frequenz eine in Amplitude und Frequenz veränderte Spannung generiert. Mit dieser umgerichteten Spannung wird dann der Verbraucher (in der Regel ein Asynchronmotor) betrieben.

Ein Frequenzumrichter ist ein elektronisches Ger√§t. Fr√ľher wurden Netze unterschiedlicher Frequenz √ľber rotierende Frequenzumformer gekoppelt. Allerdings werden in Bahnstromumformerwerken immer noch mechanische Anlagen verwendet.

Vollelektronischer Kleinleistungs-Umrichter f√ľr den Betrieb an Asynchron-Drehstrommotoren
Mechanischer Umformer, bestehend aus einer Elektromotor-Generatorkombination
Prinzip eines Frequenzumrichters

Inhaltsverzeichnis

Grundaufbau

Im Prinzip besteht der elektronische (statische) Frequenzumrichter aus einem Gleichrichter, der einen Gleichstrom- oder Gleichspannungs-Zwischenkreis speist, und einem aus diesem Zwischenkreis gespeisten Wechselrichter. Der Wechselrichter arbeitet mit Schalttransistoren (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) oder Schaltthyristoren (Integrated Gate Commutated Thyristor, IGCT) und erzeugt eine pulsweitenmodulierte (PWM) Spannung, die in ihrem Mittelwert die Sinusspannung der gew√ľnschten Frequenz und Amplitude ist. Die Induktivit√§t des Motors besorgt die Gl√§ttung des Stromes. Die H√∂he der resultierenden Ausgangsspannung und auch deren Frequenz k√∂nnen in weiten Grenzen geregelt werden. Es ist zu beachten, dass die Ausgangsstr√∂me des Wechselrichters noch ann√§hernd Gleichstrom √§hneln, lediglich die Spannung wird sinusf√∂rmig umgewandelt. Hintergrund ist, dass Asynchronmaschinen nur eine sinusf√∂rmige Wechselspannung brauchen um ein Drehfeld aufzubauen.

Die Speisung des Zwischenkreises kann auch mit einer aktiven Leistungsfaktorkorrektur-Stufe (PFC) erfolgen.

Um bremsen zu k√∂nnen, besitzen einfache 2-Quadranten-Frequenzumrichter einen sogenannten Brems-Chopper, der die √ľbersch√ľssige Energie aus dem Zwischenkreis in einen Bremswiderstand leitet und dort in W√§rme umwandelt. Ansonsten w√ľrde die Zwischenkreisspannung ansteigen und die Kondensatoren zerst√∂ren.

Weiterhin gibt es Direktumrichter (sogenannte Matrixumrichter), bei denen √ľber Halbleiterschalter jede Netzphase direkt mit jeder Phase der Last verbunden werden kann. Der Zwischenkreis mit der Gleichgr√∂√üe entf√§llt somit. Ein Direktrichter mit Thyristoren kann jedoch nur Ausgangsfrequenzen kleiner der Eingangsfrequenz erzeugen, Zwischenkreisumrichter und Direktumrichter mit IGBT k√∂nnen dagegen auch Ausgangsfrequenzen erzeugen, die oberhalb der Eingangsfrequenz liegen (bis mehrere hundert Hz). Direktumrichter sind r√ľckspeisef√§hig (4-Quadranten-Betrieb).

Ansteuerung

Frequenzumrichter f√ľr die Antriebstechnik verf√ľgen neben den Leistungsanschl√ľssen meist √ľber digitale Ein- und Ausg√§nge, einen Analogeingang sowie einen Analogausgang. Am Analogeingang kann z. B. ein Potentiometer zur Einstellung der Ausgangsfrequenz angeschlossen werden.

Zur analogen Ansteuerung werden die Einheitssignalpegel 0‚Ķ10¬†V, 0‚Ķ20¬†mA oder 4‚Ķ20¬†mA genutzt. Es gibt auch Frequenzumrichter, die √ľber Bussysteme, z. B. BACNet, LON, Modbus, CAN-BUS, PROFIBUS, PROFINET, Ethernet, EtherCAT oder auch √ľber Ethernet Powerlink angesteuert werden.

Parametrierung

Umrichter k√∂nnen durch Parametrierung dem jeweils anzutreibenden Motor angepasst werden, um diesen optimal zu betreiben und zu sch√ľtzen. Dies geschieht heute kaum noch durch Potentiometer und DIP-Schalter, sondern durch eine geeignete Tastatur/Anzeigeeinheit, die sich am Umrichter befindet und die die Navigation in einer Men√ľstruktur zul√§sst. Besonders komplexe Umrichter erm√∂glichen die Programmierung in einer eigenen Programmiersprache oder durch ein entsprechendes grafisches Programm am PC. Fertige Datens√§tze werden dann √ľber eine Schnittstelle in den Umrichter geladen.

Ebenfalls ist es heutzutage √ľblich, den fertigen Parametersatz auf einem Speichermedium (z. B. Chip- und Flashkarten) zu speichern, das dann anschlie√üend in den Frequenzumrichter gesteckt wird.

Einige Modelle k√∂nnen selbst die Antriebseigenschaften messen (h√§ufig als ‚ÄěAutotune‚Äú bezeichnet) und ihre eigenen Regelparameter im Rahmen der Inbetriebnahme selbst√§ndig einstellen. Zuweilen k√∂nnen sie auch programmierte Verfahrbewegungen selbstst√§ndig abarbeiten (Motion Control).

Anwendungsgebiete

Bei Frequenzumrichtern unterscheidet man im Großen und Ganzen zwischen zwei Hauptanwendungsgebieten, welche auch entscheiden, welcher Typ, also mit welcher Charakteristik, verwendet wird:

Pumpen- und L√ľfteranwendungen

Hier wird zu Beginn (ab 0 Hz) fast kein Drehmoment benötigt, welches jedoch ungefähr quadratisch ansteigt und bei der Bemessungsdrehzahl dem Bemessungsdrehmoment entspricht.

Das Antriebsmoment sinkt quadratisch zur Drehzahl, damit sinkt das erforderliche Antriebsmoment bei einer Halbierung des Volumenstroms auf 25¬†%. Da sich die mechanische Antriebsleistung zu M√ó2√óŌÄ√óN berechnet, ist die Antriebsleistung jetzt nur noch ein achtel der Nennleistung. (M <=> Drehmoment, N <=> umdrehungen pro Sekunde) Eventuelle Verluste des Umrichters sind dabei nicht ber√ľcksichtigt.

Hebe- und Fortbewegungsanwendungen

Hier wird zu Beginn (ab 0¬†Hz) ein hohes Losbrechmoment ben√∂tigt, das das Bemessungsmoment weit √ľbersteigt (je nach Anwendung ca 125¬†% - 200¬†%). Da sich der Rotor des Motors danach gleichm√§√üig dreht bzw. gleichm√§√üig beschleunigt, bleibt das ben√∂tigte Drehmoment konstant. Dieses Drehmoment bewegt sich meistens etwas unter der Bemessungsmomentenlinie des Motors.

√úber den Umrichter kann hier auch ein Sanftanlauf der Anlage realisiert werden.

Technischer Hintergrund

Werden Asynchronmotoren direkt am Wechselspannungsnetz betrieben, haben sie eine von ihrer Polzahl und der Netzfrequenz abhängige feste Nenndrehzahl. Beim Anlauf entstehen hohe Stromspitzenwerte und das Drehmoment ist gering. Dem wird konventionell mit verschiedenen Mitteln entgegen gewirkt. Dazu gehören Stern-Dreieck-Schaltung, KUSA-Anlasser, Anlasstransformator und Thyristor-Anlasser mit Phasenanschnittsteuerung. Auf diese Weise kann jedoch kein höheres Drehmoment unterhalb der Nenndrehzahl erreicht werden, ein Betrieb oberhalb der Nenndrehzahl ist ebenfalls nicht möglich.

Erweiterter Drehzahlbereich

Frequenzumrichter erm√∂glichen es demgegen√ľber, stufenlos Drehzahlen von null bis zur Nenndrehzahl zu erreichen, ohne dass das Drehmoment sinkt (Grundstellbereich). Der Motor kann auch √ľber Nenndrehfrequenz (Feldschw√§chbetrieb) betrieben werden, dann sinkt das abgegebene Moment jedoch ab, da die Betriebsspannung nicht weiter der erh√∂hten Frequenz angepasst werden kann (Siehe U/f Betrieb). Aufgrund dieser Eigenschaften sind Frequenzumrichter in der Industrie weit verbreitet und gestatten den Einsatz von preiswerten Standard-Asynchronmotoren in einem erweiterten Drehzahlbereich. Der Drehzahlbereich kann bei Motoren mit Stern-Dreieckwicklung, z.¬†B. Sternschaltung 400 V 50 Hz / Dreieckschaltung 230 V 50 Hz, bei einem 400-V-Umrichter in Dreieckschaltung bis 87 Hz eingestellt (50 Hz x \sqrt{3}) und dadurch mit h√∂herer Drehzahl bei Nennmoment betrieben werden. Zu beachten ist jedoch, dass der Eigenl√ľfter eine h√∂here Belastung darstellt und die Eisenverluste (frequenzabh√§ngig) steigen und dadurch der Motor das thermisch nicht, bzw. auch mechanisch nicht voll zul√§sst.

Anlauf mit hohem Drehmoment

Durch Programmierung einer Frequenzrampe zum Anlauf sind auch schwierige Anlaufbedingungen ohne starke Überstromspitzen zu bewältigen.
Mit einer absteigenden Frequenzrampe ist auch das Abbremsen m√∂glich. Viele Frequenzumrichter k√∂nnen dabei selbst √ľberwachen, ob der Motor noch innerhalb eines zul√§ssigen Schlupfes l√§uft und somit ein ‚ÄěAbrei√üen‚Äú des Drehfeldes verhindern. Umrichter mit Raumzeigermodulation (Space Vector Control) erm√∂glichen bei einem Asynchronmotor die getrennte Regelung von Drehmoment und Drehzahl, indem die Istfrequenz anhand der registrierten R√ľckwirkungen des Motors nachgef√ľhrt wird.

R√ľckspeisung und Vierquadrantenbetrieb

Vierquadrantenbetrieb eines Elektromotors

Ist der Umrichter in der Lage, in beiden Drehrichtungen Energie vom Netz zum Motor und beim Bremsen auch zur√ľck ins Netz zu √ľbertragen, spricht man von Vierquadrantenbetrieb. Durch solche Wechselrichter l√§sst sich die Bremsenergie des Motors aus dem Zwischenkreis wieder in das Netz zur√ľckspeisen.

Asynchronmotoren mit r√ľckspeisef√§higen Umrichtern k√∂nnen so auch bei wechselnden Drehzahlen als Generator betrieben werden. Dies ist insbesondere f√ľr Fahrzeuge und sonstige Antriebe interessant, die zyklisch bremsen m√ľssen. Bei Lokomotiven oder anderen Fahrzeugen kann dadurch die Bremsenergie genutzt werden (Nutzbremsung). Hybrid-PKW speisen dabei in ihre Batterien.

Bei Windkraftanlagen und in kleinen Wasserkraftwerken kann auf diese Weise ein preiswerter Asynchrongenerator verwendet werden, ohne dass dessen Drehzahl an die Netzfrequenz gekoppelt ist.
Aber auch andere gro√üe Motoren speisen sinnvollerweise in das Netz zur√ľck, z.¬†B. Zentrifugen in Zuckerfabriken, Antriebe von Fahrst√ľhlen und Kr√§nen oder Belastungseinrichtungen auf Motorpr√ľfst√§nden.

Einfache Frequenzumrichter (2-Quadrantenbetrieb) wandeln die Bremsenergie mit einem Brems-Chopper in einem Bremswiderstand in W√§rme um. Um die Energie aus dem Zwischenkreis stattdessen zur√ľck ins Netz speisen zu k√∂nnen, ben√∂tigt man einen netzgef√ľhrten Wechselrichter, der bei steigender Kondensatorspannung aus jenen gespeist wird. Solche Energier√ľckspeise-Ger√§te k√∂nnen auch nachger√ľstet werden. Sie werden dazu an einem oder mehreren 2-Quadranten-Frequenzumrichtern anstelle der Brems-Chopper angeschlossen[1]. Dadurch wird Vierquadrantenbetrieb erzielt.

Einsatz und Einschränkungen

Frequenzumrichter werden insbesondere an Drehstrommotoren eingesetzt, um deren Anlauf- und Drehzahlverhalten zu verbessern oder zu erweitern. Frequenzumrichter gibt es inzwischen auch f√ľr ein- oder zweiphasige Wechselstrommotoren wie z. B. Kondensatormotoren, um auch diese in der Drehzahl zu regeln. Dabei √ľbernimmt der Frequenzumrichter ggf. die Bereitstellung der bislang vom Kondensator erzeugten zweiten Phase.

Es gibt auch eine Frequenzumrichtervariante, die lediglich in die einphasige Zuleitung geschaltet wird und wo dabei am Einphasenmotor mit Kondensator keine √Ąnderungen vorzunehmen sind. Dies ist besonders interessant bei bereits vorhandenen Antrieben wie Pumpen, L√ľftern, Tischbohrmaschinen oder Antrieben f√ľr Transportb√§nder.

Mit Einschränkungen können auch Spaltpolmotoren an Frequenzumrichtern betrieben werden.

Frequenzumrichter erzeugen starke elektrische St√∂rsignale auf der Motorzuleitung, die nicht nur andere Verbraucher st√∂ren k√∂nnen, sondern auch im Motor zu einer erh√∂hten Isolierstoffbelastung f√ľhren. Die Motorzuleitung muss zur Vermeidung von St√∂rabstrahlungen oft geschirmt werden. Abhilfe kann auch ein sog. Sinusfilter zwischen Umrichter und Motor schaffen. Solche Sinusfilter unterscheiden sich von einem Netzfilter durch ihre niedrigere Grenzfrequenz und h√∂here Belastbarkeit.

Bei Betrieb oberhalb der Nenndrehzahl treten im Motor erh√∂hte Wirbelstrom- und Hystereseverluste auf, was jedoch oft durch dessen ebenfalls schneller drehendes L√ľfterrad ausgeglichen wird. Der Motor muss f√ľr die Frequenz f√ľr den Dauerbetrieb zugelassen sein. Langsamer drehende Motoren bis 3Hz, wie oft in der Industrie verwendet, werden durch Fremdl√ľfter gek√ľhlt, deren Drehzahl von einem sogenannten Fremdnetz, also Drehstrom von 50 oder 60 Hz abh√§ngt.

Frequenzumrichter verlangen aus diesen Gr√ľnden eine fachgerechte Installation. Die Hinweise der Hersteller sind dabei oft hilfreich.

Bau- und Betriebsarten

U/f-Betrieb

U/f-Kennline

Dies ist die einfachste Betriebsweise eines Frequenzumrichter. Der Umrichter regelt die Motorspannung und die Frequenz in einem konstanten Verh√§ltnis. Frequenz und Spannung sind zueinander proportional. Aufgrund des induktiven Verhaltens des Motors f√ľhrt dies zu einem √ľber weite Bereiche konstanten Drehmoment, ohne den Motor zu √ľberlasten. Bei sehr geringen Drehzahlen f√ľhrt diese Betriebsart aufgrund des ohmschen Widerstandes der Wicklung jedoch zu einem geringeren Drehmoment. Um dies zu beheben, kann oft eine Spannungsanhebung (Boost) im unteren Frequenzbereich eingestellt werden (I x R Kompensation).

Beim U/f-Betrieb variiert die Drehzahl des angeschlossenen Motors abhängig von dessen Belastung.
Eine Schlupfkompensation bzw. konstante Drehzahl kann nur mit einer Regelung mit einem Drehzahlgeber erreicht werden. U/f-Betrieb ist daher nur bei geringen Anforderungen an die Drehzahlkonstanz und ohne Schweranlauf ausreichend.

Die obenstehende Kennlinie zeigt, dass bis Nennfrequenz der magnetische Fluss konstant bleibt. Wird ein Drehstrom-Asynchronmotor mit einem Frequenzumrichter √ľber Nennfrequenz betrieben, so ist die Spannung am H√∂chstwert und dadurch sinkt der magnetische Fluss und folglich auch das Moment.

Feldorientierte Umrichter

Die Vektorregelung oder auch feldorientierte Regelung besteht aus einem Drehzahlregler auf der Basis eines unterlagerten Stromreglers. Die momentanen Blind- und Wirkstromkomponenten werden geregelt. In einem elektronisch im Umrichter abgelegten Motorenmodell werden die Motorkennwerte gespeichert oder ggf. sogar selbstt√§tig ermittelt und adaptiert. Das hat den Vorteil, dass es keine separate Drehzahlmessung und -r√ľckf√ľhrung geben muss, um Drehzahl und Moment zu regeln. Die r√ľckgef√ľhrte, zur Regelung genutzte Gr√∂√üe ist vielmehr ausschlie√ülich der Momentanstrom. Anhand dessen Gr√∂√üe und Phasenlage zur Spannung k√∂nnen alle erforderlichen Motorzust√§nde (Drehzahl, Schlupf, Drehmoment und sogar die thermische Verlustleistung) ermittelt werden.
Auf diese Weise sind sehr hohe Drehzahl- und Momentenstellbereiche m√∂glich. Typisch sind Regelbereiche f√ľr die Drehzahl von 1:120 (mit zus√§tzlichem Drehzahlgeber sogar bis 1:2000). Das Moment reicht von null bis zum Vierfachen des Motor-Nennmomentes.
Die meisten Frequenzumrichter benutzen heute DSP-Schaltkreise oder Mikrocontroller, um diese Informationen aus dem Motorstrom zu gewinnen und zu verarbeiten.

Kommutierungsarten

Kommutierung nennt man analog zum Kommutator bei Gleichstrommaschinen die Steuerung der Stromzufuhr zu den Motorwicklungen durch die Halbleiterschalter im Frequenzumrichter.
Man unterscheidet folgende Kommutierungssarten:

  • Sinuskommutierte Pulsweitenmodulation (PWM, Space Vector PWM oder SVPWM f√ľr Synchron- und Asynchronmaschinen)
  • Blockkommutierte PWM (f√ľr Synchronmaschinen)
  • seltener: Hystereseregler (Zweipunktregler)

Bei einer Blockkommutierung werden immer genau 2 von 3 Drehstromwicklungen bestromt. Die dritte Wicklung ist unbenutzt und wird von einigen Frequenzumrichtern zur Vermessung der Gegen-EMK (Back-EMF) benutzt. Damit k√∂nnen permanenterregte Maschinen vom Frequenzumrichter ohne den sonst erforderlichen Lagegeber optimal kommutiert werden. Aufgrund der permanent konstanten magnetischen Durchflutung ergeben sich gegen√ľber einer Sinuskommutierung kaum Nachteile in der Welligkeit des Drehmoments oder des Wirkungsgrads. In Analogie zu einem Schrittmotor spricht man in dieser Betriebsart auch von einem 6-Schritt-Betrieb.

Zum Betrieb von Asynchronmaschinen ist eine Sinuskommutierung durch den Frequenzumrichter √ľblich (Sinusumrichter; die Pulsweiten werden sinusf√∂rmig moduliert). Hierbei sind immer genau 3 von 6 Halbleiter-Schaltern eingeschaltet. Die Erzeugung der Schaltsignale erfolgt in der Regel durch Mikrokontroller, welche speziell f√ľr Motoranwendungen in Ausf√ľhrungen mit 6 PWM-Ausg√§ngen erh√§ltlich sind.

Wechselrichter mit IGBTs und antiparallelen Dioden

Die sechs Ventile und ihre antiparallelen Dioden in der nebenstehenden Wechselrichterschaltung sind in der Reihenfolge ihres Leitbeginns bei Blockkommutierung nummeriert. Als eingeschaltet gilt ein Ventil, wenn es selbst oder seine Diode leitet.


Es sind die folgenden 8 Schaltzustände möglich.

Nummer Eingeschaltet Schaltzustand
der Br√ľckenzweige
0 V2,V4,V6 000
1 V1,V2,V3 110
2 V2,V3,V4 010
3 V3,V4,V5 011
4 V4,V5,V6 001
5 V5,V6,V1 101
6 V6,V1,V2 100
7 V1,V3,V5 111


Die Zust√§nde 1 bis 6 bilden an einer symmetrischen Last phasenverschobene Sternspannungen mit den Augenblickswerten +Uo/3, +2Uo/3, +Uo/3, -Uo/3, ‚ąí2Uo/3, -Uo/3, +Uo/3, ‚Ķ u. s. w. Ihre Grundschwingungen entsprechen einem Drehstromsystem.

Die Zustände 0 und 7 schalten die Last spannungsfrei. Sie werden benutzt, um die Ausgangs-spannungen im kurzfristigen Mittel zu verringern. Ein sinusförmiger Strom wird nun durch eine zeitgewichtete Umschaltung zwischen den 8 Zuständen erreicht.

Zur Verminderung von Schaltvorg√§ngen und der zugeh√∂rigen Schaltverluste werden die Zust√§nde in ihrer Reihenfolge sinnvoll kombiniert. Nehmen wir an, die Spannung an der Last soll in kleinen Schritten bei verminderter Spannung vom Schaltzustand 1 (V1V2V3) zum Zustand 2 (V2V3V4) ver√§ndert, d. h. die angeschlossene Maschine um 60¬į-elektrisch weitergedreht werden. Daf√ľr bietet sich die Schaltfolge

 …V1V2V3, V1V3V5, V2V3V4, V2V4V6, V2V3V4, V1V3V5, V1V2V3…u.s.w.   an.

Die einzelnen Leitzeiten ergeben sich aus dem verwendeten Steueralgorithmus und aus der Höhe des geforderten Parameters (Spannung, Strom, Drehmoment).

Mit dieser Reihenfolge der Schaltzustände findet immer nur ein Schaltvorgang bei jeder Kommutierung statt. Übliche PWM-Frequenzen in der Antriebstechnik liegen zwischen 2 kHz und ca. 20 kHz. Mit zunehmender Schaltfrequenz wird der Sinus besser angenähert, die Schaltverluste im Umrichter nehmen zu, die Verluste im Motor durch die bessere sinusförmige Spannung ab.

Optimierung durch √úberlagerung von Oberschwingungen

F√ľr eine weitere Optimierung der Sinuskommutierung ist die √úberlagung der dritten Harmonischen zur gew√ľnschten Ausgangsfrequenz gebr√§uchlich.

Sinus mit dritter Oberschwingung

Blau dargestellt ist ein normaler Sinus f1(x)= 100*sin(x). Der Faktor 100 soll eine Modulation mit PWM von 0 bis 100¬†% symbolisieren. Gr√ľn dargestellt ist die dritte Harmonische f2(x)= 15*sin(3x). Die Frequenz ist genau 3 mal so hoch und die Phasenlage gleich wie die Grundschwingung f1(x). Die Amplitude mit 15¬†% Pulsweite wurde zun√§chst willk√ľrlich gew√§hlt. Die schwarz dargestellte Kurve zeigt nun eine Addition beider Sinusfrequenzen mit f1(x)+f2(x). Es entsteht ein resultierendes Signal mit kleinerer Amplitude, welches eher einem Rechtecksignal als einer Sinuskurve √§hnlich ist. Au√üerdem ist der Maximalwert der Amplitude kleiner als die urspr√ľnglich unverzerrte Sinuskurve, weil die 3. Harmonische Frequenz am Maximalwert der Grundschwingung immer ihr umgekehrtes Maximum hat. Werden beide Sinusschwingungen nun in einem Mikrokontroller √ľber eine Tabelle erzeugt, so wird zur Addition keine Rechenleistung ben√∂tigt und der Pulsweitenmodulator ist nur zu etwa 85¬†% seines m√∂glichen maximalen Arbeitsbereichs ausgenutzt. Die verbleibenden 15¬†% k√∂nnen zur Leistungssteigerung des Frequenzumrichters benutzt werden.

Nun ist es jedoch äußerst problematisch, verschiedene Drehstromverbraucher (u. a. Asynchronmotoren) mit anderen Kurvenformen als mit Sinus zu betreiben. Daher wird im Folgenden noch gezeigt, dass die Kommutierung mit der dritten Harmonischen keinerlei Einfluss auf die Sinuskurvenform am Ausgang des Frequenzumrichters hat.

Differenzspannung zwischen zwei Phasen
Differenzspannung zwischen zwei Phasen mit dritter Oberschwingung
  • Blau dargestellt ist L1(x)=100*sin(x)
  • Gr√ľn dargestellt ist L2(x)=100*sin(x+2/3*pi)
  • Rot dargestellt ist L3(x)=100*sin(x+4/3*pi)

Dies ergibt das √ľbliche Bild von 3 Drehstromphasen. Wird nun anstelle einer Sternschaltung ein Verbraucher zwischen den Phasen angeschlossen (Dreiecksschaltung), so ergibt sich als Differenzspannung zwischen 2 beliebigen Phasen jeweils wieder eine sinusf√∂rmige Spannung mit erh√∂hter Amplitude (gelb dargestellt). Ergibt also die Differenz zwischen L1(x)-L2(x) ein sinusf√∂rmiges Resultat, so bleibt dies weiterhin g√ľltig, wenn zu L1(x) und L2(x) jeweils eine gleiche Funktion hinzugerechnet wird. Bei einer Verschiebung von 2/3 pi zwischen den Drehstromphasen ist die dritte Oberschwingung (orange dargestellt) zur n√§chsten Phase jedoch v√∂llig identisch, da sie um genau eine volle Periode verschoben ist. Daher ergeben sich bei der Kommutierung mit der 3. Oberschwingung am Ausgang des Frequenzumrichters wiederum sinusf√∂rmige Spannungen und Str√∂me und zwar unabh√§ngig davon, ob der Verbraucher in Stern oder Dreieck angeschlossen ist.

Die dadurch erreichte Leistungssteigerung des Frequenzumrichters sowie eines daran angeschlossenen Antriebs liegt in der Regel bei etwa 15 %. Dies entspricht etwa dem Amplitudenverlust einer 6-Puls-Drehstrom-Gleichrichterschaltung, welcher im Zwischenkreis etwa 86 % der Spitzenspannung liefert.

EMV-Problematik

Schaltvorgänge

Frequenzumrichter arbeiten mit steilen Schaltflanken, um die Verlustleistung zu minimieren und einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Bei IGBT-Frequenzumrichtern f√ľr 400¬†V Netzbetrieb (560¬†V Zwischenkreisspannung) schalten die IGBTs innerhalb von rund 200¬†ns um. Dies f√ľhrt zu einer Spannungssteilheit an den Motorleitungen von circa 3¬†kV/¬Ķs. Eine typische kapazit√§tsarme Motorleitung ist ein gemeinsam abgeschirmtes mehradriges Kabel mit einem Kapazit√§tsbelag von ca. 200¬†pF/m. Die Flankensteilheit f√ľhrt zu Umladestr√∂men von circa 0,6¬†A/m. Dies summiert sich bei langen Motorleitungen zu Umladestr√∂men bis zu 20¬†A auf, die auch bei Ger√§ten kleiner Leistung flie√üen und den Wechselrichter erheblich belasten. Bei langen Motorleitungen wachsen die Str√∂me aufgrund der Wellenausbreitung (5¬†ns/m) nicht weiter an.

F√ľr die Installation von Frequenzumrichtern ist wichtig, dass diese Str√∂me einer au√üerordentlich leistungsstarken Quelle entspringen. Wenn diese Str√∂me nicht den Weg flie√üen k√∂nnen, auf dem sie keinen Schaden anrichten, dann suchen die Str√∂me sich ihren Weg. Wenn die Motorleitung ungeeignet angeschlossen ist, z. B. Anschluss eines m√∂glichen Leitungsschirms als verdrilltes Leitungsende (Pigtail) oder gar keine Auflage der Abschirmung, dann flie√üen die Umladestr√∂me √ľber Leitungen und Schaltungsteile z. B. Steuerklemmen oder Feldbussysteme und k√∂nnen dort massive St√∂rungen bewirken.

Ein geeigneter Anschluss der Motorleitung (z. B. die gro√üfl√§chige Auflage einer m√∂glichen Leitungsabschirmung) ist essenziell f√ľr ein gutes EMV-Verhalten des Frequenzumrichters. Ein g√ľnstiges EMV-Verhalten ist durch eine geeignete Filterung im Umrichter zu erreichen, indem der Filter auf kurzem Weg dem St√∂rstrom einen Pfad zum Zwischenkreis bietet, vorzugsweise in der N√§he der St√∂rquellen, den IGBTs. Dabei ist darauf zu achten, dass die Filterelemente nicht zu einer zu starken Verschleifung der Schaltflanken f√ľhren, da langsame Schaltzeiten schnell zur √úberhitzung in den IGBTs f√ľhren k√∂nnen. Dieser Effekt kann auch durch geeignete K√ľhlung abgefangen werden.

Die Produktnorm f√ľr Frequenzumrichter EN61800-3 legt Grenzwerte f√ľr St√∂raussendungen fest.

Netzr√ľckwirkungen

Ein einfacher Frequenzumrichter besteht netzseitig aus einem ungesteuerten Gleichrichter und einem Gleichspannungs-Zwischenkreis mit Elektrolytkondensatoren als Energiespeicher.
Das Netz (Spannungsquelle mit niedriger Impedanz) und der Zwischenkreis (Kondensatoren) werden mit Hilfe der Gleichrichterdioden aufeinandergeschaltet. Dies f√ľhrt zu impulsartigen Ladestr√∂men (geringer Stromflusswinkel), die das Netz stark belasten. Durch Vorschalten von Netzdrosseln lassen sich die Netzr√ľckwirkungen mildern. Der Anschluss von Frequenzumrichtern direkt an das Netz f√ľhrt zu einer starken Belastung von Netz und Zwischenkreis durch einen erh√∂hten Effektivstrom und reduziert unter Umst√§nden die Lebensdauer des Frequenzumrichters.

Inzwischen gibt es Frequenzumrichter, die ohne Zwischenkreiskondensator direkt aus dem Drehstrom-Netz √ľber synchron gesteuerte Leistungshalbleiter zugleich gleich- und umrichten (Matrix-Umrichter). Die resultierende hochfrequente Leistungsentnahme l√§sst sich wesentlich einfacher (mit kleinen Kondensatoren und Drosseln) filtern, als die impulsf√∂rmige Leistungsaufnahme bei ungesteuerten Gleichrichtern. Nachteilig dabei ist allerdings eine leicht reduzierte maximale Ausgangsspannung, da keine Spitzenwert-Gleichrichtung stattfindet.

Eine weitere Variante ist die Vorschaltung einer PFC-Stufe zur Ladung des Zwischenkreiskondensators, die auch r√ľckspeisef√§hig sein kann. Dies erlaubt einen fast netzr√ľckwirkungsfreien Betrieb ohne Drehmoment-Schwankungen.

Netzr√ľckwirkungen f√ľr Frequenzumrichter sind in EN61000-3-2 festgelegt. Interessant ist hierbei, dass es keine Grenzwerte f√ľr Frequenzumrichter mit einer Nennleistung von mehr als 1KW gibt, w√§hrend Umrichter kleinerer Leistung Grenzwerte einhalten m√ľssen.

Geräuschverhalten

Bei der Verwendung einer PWM-Taktfrequenz im H√∂rbereich entstehen oft st√∂rende Ger√§usche. Diese werden durch mechanische Schwingungen der Motorwicklungen hervorgerufen, die sich mit der Pulsfrequenz magnetisch anziehen und wieder absto√üen. Zur Vermeidung dieses Effektes wird die Pulsfrequenz, wenn m√∂glich, auf >16¬†kHz erh√∂ht, was allerdings die Verlustleistung des Frequenzumrichters erh√∂ht. Die √ľbliche Pulsfrequenz liegt bei kleinen Umrichtern jenseits des h√∂rbaren Bereiches und ist gew√∂hnlich einstellbar von 3 bis 16‚ĶkHz. Durch moderne Steuerverfahren l√§√üt sich diese auf das Ger√§usch einwirkende Pulsfrequenz w√§hrend des Betriebes auch um einen Mittelwert zyklisch ver√§ndern (wobbeln). Das subjektive Ger√§uschverhalten wird dadurch wesentlich verbessert. Das "Wobbeln" der Pulsfrequenz hat bei richtiger Anwendung keinen Einfluss auf das Betriebsverhalten.

Quellen

Literatur

  • Klaus Bystron: Leistungselektronik Technische Elektronik Band II. 1. Auflage, Carl Hanser Verlag, M√ľnchen Wien, 1979, ISBN 3-446-12131-5
  • Gert Hagmann: Leistungselektronik. 3. Auflage, AULA-Verlag GmbH, Wiebelsheim, 2006, ISBN 978-3-89104-700-2
  • Gregor D. H√§berle, Heinz O. H√§berle: Transformatoren und Elektrische Maschinen in Anlagen der Energietechnik. 2. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 1990, ISBN 3-8085-5002-3

Referenzen

  1. ‚ÜĎ http://www.elektromotoren.de/energierueckspeisung.html Energier√ľckspeisung mit Prinzipschaltbild

Siehe auch


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  • Aufzugsanlage ‚ÄĒ Eine Aufzugsanlage, kurz Aufzug, Fahrstuhl oder Lift genannt, ist eine Anlage, mit der Personen oder Lasten in einer beweglichen Kabine, einem Fahrkorb oder auf einer Plattform in vertikaler oder schr√§ger Richtung zwischen zwei oder mehreren… ‚Ķ   Deutsch Wikipedia


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