Frequenzumrichter

Frequenzumrichter gewinnen in vielen Anwendungsgebieten der Industrie 4.0 an Bedeutung. Ihr großer Verdienst ist, dass sie das Anlauf- und Drehzahlverhalten von Drehstrommotoren optimieren. So könnte man diese Arten von Motoren ohne Frequenzumrichter nicht stufenlos regeln, sondern ausschließlich mit einer konstanten, von der Frequenz der Versorgungsspannung abhängigen Drehzahl betreiben. Der Beitrag erklärt, was Frequenzumrichter sind, wie sie funktionieren und welche Vorteile sie für die Industrie bringen.

Frequenzumrichter Definition: Was sind Frequenzumrichter?

Bei einem Frequenzumrichter (FU) handelt es sich um ein elektronisches Gerät, mit dessen Hilfe man die Drehzahl von elektrischen Motoren verändern und regeln kann. Im Unterschied zu Wechselspannung und fester Drehzahl bringt der Frequenzumrichter eine in Frequenz und Amplitude (Höhe der Ausgangsspannung) veränderbare Wechselspannung hervor.

Da die Geräte in der Lage sind, Ausgangsfrequenz und Ausgangsspannung zu regeln, werden sie den Drehstrommotoren vorgeschaltet. Zwar verändert sich dadurch nicht das Drehmoment des Motors. Es vergrößert sich aber der Drehzahlbereich. Außerdem kann man mit einem Frequenzumrichter einen direkten Wechsel der Drehrichtung erreichen.

Der Grund für den Einsatz von Frequenzumrichtern ist folgender: Wenn elektrische Maschinen direkt am Wechselspannungsnetz betrieben werden, steht ihnen – je nach eingespeister Frequenz des öffentlichen Stromnetzes – nur eine fixe Drehzahl zur Verfügung. Benötigt die Anwendung aber eine variable Wechselspannung, werden Frequenzumrichter herangezogen. Diese erzeugen aus einer konstanten Wechselspannung eine in veränderbare Wechselspannung, also eine regelbare Geschwindigkeit.

Man unterscheidet zwischen spannungsgeführten Umrichtern, die sich für Anwendungen im unteren Megawatt- und Kilowattbereich eignen, und stromgeführten Geräten, die für den oberen Megawattbereich ausreichen. In der Industrie werden die elektronischen Geräte beispielsweise für Pumpenantriebe und Lüfter, Kräne sowie Transport- und Montagebändern verwendet.

Unterschied Frequenzumrichter und -umformer: Die beiden Begriffe klingen zwar ähnlich, bezeichnen aber Unterschiedliches. So weicht die mechanische Drehzahl beim Frequenzumformer aufgrund der festen Kupplung nicht von der des Elektromotors ab. Dahingegen können Frequenzumrichter zwischen mehreren Drehzahlen – von Null bis zur Nenndrehzahl der Netzfrequenz – wechseln.

Frequenzumrichter Funktion: Wie funktionieren Frequenzumrichter?

Der erste in Serie hergestellte Frequenzumrichter stammt von dem Unternehmen Danfoss und kam 1968 auf den Markt. Seitdem gab es in diesem Feld der Elektrotechnik kontinuierliche Weiterentwicklungen – die heute zum Einsatz von vollelektronischen Frequenzumrichtern mit LCD-Display geführt haben.

Zwar hat sich im Bereich der Forschung und Entwicklung in den vergangenen Jahrzehnten vieles getan. So gibt es bereits Frequenzumrichter, die zum Umweltschutz beitragen, indem sie Energie einsparen. Vom Frequenzumrichter Aufbau her hat sich bei den Geräten jedoch kaum etwas geändert.

So bestehen die Geräte in der Regel aus einem Gleichrichter, einem Wechselrichter, einem Zwischen- und einem Steuerkreis. Der Gleichrichter dient dazu, aus der hereinkommenden Wechselspannung eine Gleichspannung zu erzeugen, die dann vom Zwischenkreis stabilisiert wird. Im Anschluss erzeugt der Wechselrichter eine Wechselspannung, deren Ausgangsfrequenz der des angebundenen Motors entspricht.

Der Steuerkreis wiederum erfüllt die Aufgabe, die Bauteile und die kritischen Parameter zu überwachen. In der sogenannten Steuerkarte werden alle für die jeweiligen Berechnungen benötigten Informationen sowie Vorgaben gesammelt werden.

Es gibt Frequenzumrichter mit und ohne Zwischenkreis. Während die meisten Geräte einen Zwischenkreis haben, gibt es also auch solche, die ohne auskommen. Dabei handelt es sich um sogenannte Direktumrichter oder Matrixumrichter, die eine lückenlose Energiezufuhr – zum Beispiel mittels Dreiphasenwechselstrom – erfordern und anhand fester Parameter aus der Wechselspannung eine variable Spannung generieren. Diese Geräte finden meist Anwendung im Hochleistungs- beziehungsweise Megawattbereich, wo eine hohe dynamische Leistung gefordert ist. Da sie rückspeisefähig sind, sind sie für den Brückenbetrieb geeignet, um Schaltvorgänge ohne große Verluste umzusetzen. Angewendet wird diese Art der Frequenzumrichter zum Beispiel in Aufzügen.

Welche Arten von Frequenzumrichtern gibt es?

Frequenzumrichter arbeiten nicht immer gleich, sondern passen sich an die Art der elektrischen Maschine an, die sie unterstützen. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen zwei Typen von Frequenzumrichtern: den stromgeführten und den spannungsgeführten Umrichtern.

Während sich erstere für Anwendungen im Megawattbereich eignen und das Verhältnis von Strom zu Frequenz konstant bleibt, sind letztere für alle Anwendungen geeignet und das Verhältnis von Spannung zu Frequenz bleibt konstant. Ein Beispiel: Verwendet man einen spannungsgeführten Frequenzumrichter und ein Motor mit einer Spannung von 230 Volt und einer Frequenz von 50 Hertz soll mit 25 Hertz betrieben werden, halbiert er die Spannung auf 115 Volt.

Eingebaute Steuerungen helfen, Spannungs- oder Strom-Frequenz-Verhältnis zu kontrollieren und anzupassen. Das Resultat ist die für die jeweilige Anwendung benötigte Drehzahl.

Je nach Anforderung sind Frequenzumrichter in diversen Ausführungen und zahlreichen optionalen Funktionen erhältlich. Frequenzumrichter können je nach Anwendungsbereich an der Wand oder in einem Schaltschrank (zentral und geschützt) oder im Feld (dezentral) befestigt werden. Wo das Gerät platziert wird, ist entscheidend für den Kauf.

Darüber hinaus sollte man bei der Auswahl des passenden Frequenzumrichters darauf achten, wie anspruchsvoll die jeweilige Anwendung ist. Für einfache Applikationen reichen meist Einfach-Frequenzumrichter aus. Anspruchsvollere Einsatzzwecke machen unter Umständen die Anschaffung eines Applikations-Umrichters mit mehr Funktionen oder eines Servo-Mehrachsverstärkers notwendig.

Wo werden Frequenzumrichter eingesetzt?

Mit dem Einsatz von Frequenzumrichtern sind höhere Drehzahlen und damit größere Leistungen verbunden. Da die Geräte zahlreiche Prozesse verbessern und so dabei helfen, Energie einzusparen, kommen sie in vielfältigen Bereichen – zum Beispiel der Gebäudeautomation und sonstiger Automatisierungstechnik – zum Einsatz. Doch auch als Stand-alone-Lösungen gewinnen Frequenzumformer zunehmend an Bedeutung.

Frequenzumrichter finden für die Drehzahlregelung bei Motoren in ganz unterschiedlichen industriellen Branchen Anwendung – zum Beispiel im Rahmen des Gebäudemanagements sowie in der Wasser- und Abwassertechnik. Dort werden sie beispielsweise bei Pumpen, Lüftungsanlagen, elektrischen Bahnen oder Servoantrieben eingesetzt. Die Anwendung ist sowohl im Nieder- als auch im Mittel- und Gleichspannungsbereich möglich. Zudem lassen sich die Geräte zentral (beispielsweise per Wandmontage oder Schaltschrankeinbau) oder dezentral (beispielsweise als Motorstarter) einbauen.

In welchen Branchen kommen Frequenzumrichter vor allem zum Einsatz? Haupteinsatzgebiete sind neben der Automobilindustrie die Heizungs-, Klima- und Lüftungstechnik sowie die Wasser- und Abwasserwirtschaft und die Herstellung von Industrieersatzteilen. Doch auch in der Chemie- und Logistikbranche, der Öl- und Gasförderung sowie in den Bereichen Windkraft, Wasserkraft und Photovoltaik wird die Umrichtertechnik genutzt.

Elektromotoren verbrauchen einen großen Teil der weltweit erzeugten Energie. Insgesamt beträgt der Anteil 48 Prozent, betrachtet man nur die industriellen Anwendungen, sind es sogar 65 bis 75 Prozent. Entsprechend hoch ist das Potenzial, mit Frequenzumrichtern Energie zu sparen.

Energieeinsparung mittels Frequenzumrichtern ist schnell und einfach umsetzbar. So tragen Frequenzumrichter schon heute zur Energieeffizienz neu entwickelter Motoren bei und können bis zu zehn Prozent der normalerweise aufgewendeten Energie einsparen. Durch die variable Drehzahlregelung beim Motorbetrieb reduziert sich der Stromverbrauch um bis zu 30 Prozent.

Gerade bei Pump- und Lüftungsanlagen kann man von einem großen Einsparpotenzial profitieren. Aus diesem Grund fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung die Erforschung und Entwicklung leistungsstarker Frequenzumrichter für energieeffiziente Umwälzpumpen in Heizungsanlagen. Ziel des Projekts ist es, die Umrichter auf eine Größe zu bringen, die es erlaubt, sie im Motorgehäuse zu installieren.

Solche Mini-Frequenzumrichter bringen zahlreiche Vorteile und wären sehr viel kleiner als die bisherigen Umrichter. Sie könnten nicht nur in Umwälzpumpen Verwendung finden, sondern auch in anderen elektrischen Antrieben. Um eine entsprechende Größe zu realisieren, versucht man, Steuerelektronik und Leitungshalbleiter in einer Leiterplatte unterzubringen. Kabel sowie externe Schnittstellen wären in diesem Fall unnötig, was auch die Kosten senken würde.

Auch für den Ausbau der erneuerbaren Energien bieten Frequenzumrichter vielfältige Möglichkeiten. Der Grund: Im Rahmen der Energiewende wird eine Optimierung des Stromnetzes notwendig, denn der Strom muss im sogenannten Smart Grid (intelligentes Stromnetz) in beide Richtungen fließen können. Dafür benötigt man Umrichter, die die Stabilität und Wirtschaftlichkeit des Netzes sicherstellen.

Es gibt bereits Pilotprojekte, die solche neuen Schaltungskonzepte und weitere Bedingungen an das Stromnetz der Zukunft testen und weiterentwickeln. Im Mittelpunkt der Konzepte stehen leistungsstarke Frequenzumrichter, die zum einen über eine vergleichsweise niedrige Stufenzahl verfügen und zum anderen mit einem Multilevel-Umrichter verbunden sind. Das hat zur Folge, dass der Multilevel-Umrichter eine äußerst hohe Leistungsdichte entwickelt. Darüber hinaus verfügt er über viele Ausgangsspannungsstufen.

Vorteile: Warum werden Frequenzumrichter eingesetzt?

Frequenzumrichter werden eingesetzt, um die Drehzahl eines Elektromotors zu verändern und zu regeln. Egal, welche Last gegeben ist – die Drehzahl kann mittels eines Frequenzumrichters auf 0,5 Prozent genau eingestellt und aufrechterhalten werden. Diese stufenlose Einstellung der Drehzahl reicht von fast Null bis zur Nenndrehzahl für die jeweilige Anwendung und bringt einige Vorteile mit sich. Weil man einen umfangreicheren Drehzahlbereich erhält, aber das Drehmoment des Motors unberührt bleibt, erhöht sich die Systemeffizienz und es wird Energie eingespart.

Der Anwender hat also die Möglichkeit, Drehzahl und Antriebsleistung nach den jeweiligen Anforderungen einzustellen. Außerdem wechselt die Drehrichtung des nachgeschalteten Motors. Dass sich die Antriebstechnik derart anpassen lässt, ist ein Vorteil für sich. Hinzu kommt, dass die Motoren beziehungsweise Maschinen bei Einsatz eines Frequenzumrichters einer geringeren mechanischen Belastung standhalten müssen. Zudem laufen die Maschinen leiser, was zusätzlich das Arbeitsumfeld verbessert.

Welche Normen muss man im Zusammenhang mit Frequenzumrichtern beachten?

Die Produktnorm für elektrische Leistungsantriebssysteme mit einstellbarer Drehzahl ist die DIN EN IEC 61800–5–1. Darüber hinaus gibt es immer mehr Normen, Vorschriften und länderspezifische Regelungen, die von den Anwendern selbst – also beispielsweise Anlagen- und Netzbetreibern eingefordert werden.

Der Grund dafür ist, dass die Betreiber spezielle Anforderungen hinsichtlich der Netzqualität haben. Denn: In den Stromnetzen kommen zunehmend aktive Stromrichter zum Einsatz, die das Netz mit Oberschwingungen belasten. Diese entstehen, wenn die elektrische Spannung im Netz durch verschiedene Einflüsse verzerrt wird.

Fazit

Wenn Drehstrommotoren direkt an Stromnetze mit Wechselspannung angebunden sind, ist die zur Verfügung stehende Drehzahl nicht veränderbar. Um welche Drehzahl es sich handelt, hängt von der Anzahl der Pole des Motors sowie von der eingespeisten Frequenz des Stromnetzes ab. Wer für eine bestimmte Anwendung jedoch eine regelbare Geschwindigkeit und damit eine veränderbare Wechselspannung benötigt, kann auf einen modernen Frequenzumrichter zurückgreifen. Ein Frequenzumrichter ist demnach ein Antrieb mit variabler Frequenz und eine Art der Motorsteuerung. Durch ihn wird ein Elektromotor angetrieben, wobei Frequenz und Spannung variieren Zusätzlich stellen Frequenzumrichter eine Steuerung dar, die dazu dient, den Motor während des Start- und Stoppvorgangs nach Belieben hoch- und runterzufahren.

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