Möglichkeiten, die aktuelle Frequenz zu erhöhen

Die heute gängigste Methode zum Erhöhen (oder Verringern) der Stromfrequenz ist die Verwendung eines Frequenzumrichters. Frequenzumrichter ermöglichen es, aus einphasigem oder dreiphasigem Wechselstrom mit einer Industriefrequenz (50 oder 60 Hz) einen Strom mit der erforderlichen Frequenz, beispielsweise von 1 bis 800 Hz, zu gewinnen, um einphasige oder dreiphasige Phase-Phase-Motoren.

Neben elektronischen Frequenzumrichtern werden zur Erhöhung der Stromfrequenz auch elektrische Induktionsfrequenzumrichter eingesetzt, bei denen beispielsweise ein Asynchronmotor mit bewickeltem Rotor teilweise im Generatorbetrieb arbeitet. Es gibt auch Umformer – Motorgeneratoren, die ebenfalls in diesem Artikel besprochen werden.

Elektronische Frequenzumrichter

Mit elektronischen Frequenzumrichtern können Sie die Drehzahl von Synchron- und Asynchronmotoren stufenlos regeln, da die Ausgangsfrequenz des Wandlers sanft auf den eingestellten Wert ansteigt. Der einfachste Ansatz bietet die Einstellung einer konstanten V/f-Kennlinie, fortgeschrittenere Lösungen nutzen die Vektorsteuerung.

Frequenzumrichterenthalten normalerweise einen Gleichrichter, der Wechselstrom mit Netzfrequenz in Gleichstrom umwandelt; Nach dem Gleichrichter befindet sich ein Wechselrichter in seiner einfachsten Form, basierend auf PWM, der eine konstante Spannung in einen wechselnden Laststrom umwandelt. Frequenz und Amplitude sind bereits vom Benutzer eingestellt und diese Parameter können von den Netzwerkparametern des Gleichrichters abweichen Eingabe nach oben oder unten.

Das Ausgangsmodul eines elektronischen Frequenzumrichters ist meist ein Thyristor oder eine Transistorbrücke, bestehend aus vier oder sechs Schaltern, die den notwendigen Strom zur Versorgung der Last, insbesondere des Elektromotors, erzeugen. Dem Ausgang wird ein EMV-Filter hinzugefügt, um das Rauschen in der Ausgangsspannung zu glätten.

Wie oben erwähnt, verwendet ein elektronischer Frequenzumrichter für seinen Betrieb Thyristoren oder Transistoren als Schalter. Zur Steuerung der Tasten dient ein Mikroprozessormodul, das als Steuerung dient und gleichzeitig eine Reihe von Diagnose- und Schutzfunktionen übernimmt.

Mittlerweile gibt es immer noch zwei Klassen von Frequenzumrichtern: direktgekoppelte und gleichstromgekoppelte. Bei der Wahl zwischen diesen beiden Klassen werden die Vor- und Nachteile beider Typen abgewogen und die Eignung der einen oder anderen zur Lösung eines dringenden Problems ermittelt.

Direkte Kommunikation

Direktgekoppelte Wandler zeichnen sich dadurch aus, dass sie einen gesteuerten Gleichrichter verwenden, bei dem Gruppen von Thyristoren nacheinander durch Entsperren die Last, beispielsweise die Wicklungen des Motors, direkt an das Versorgungsnetz schalten.

Dadurch werden am Ausgang Bits einer Sinuswelle der Netzspannung erhalten, und die äquivalente Ausgangsfrequenz (für den Motor) wird kleiner als die Netzfrequenz, und zwar innerhalb von 60 % davon, d. h. von 0 bis 36 Hz bei 60 Hz Eingang.

Solche Eigenschaften erlauben es nicht, die Parameter der Ausrüstung in der Industrie in einem weiten Bereich zu ändern, daher ist die Nachfrage nach diesen Lösungen gering. Darüber hinaus sind nicht sperrende Thyristoren schwer zu steuern, die Kosten für die Schaltungen werden höher und es entsteht viel Rauschen am Ausgang, es werden Kompensatoren benötigt, was zu hohen Abmessungen und einem geringen Wirkungsgrad führt.

DC-Anschluss

Wesentlich besser sind in dieser Hinsicht Frequenzumrichter mit ausgeprägtem Gleichstromanschluss, bei denen der Netzwechselstrom zunächst gleichgerichtet, gefiltert und anschließend über eine Schaltung elektronischer Schalter wieder in Wechselstrom der erforderlichen Frequenz und Amplitude umgewandelt wird. Hier kann die Frequenz deutlich höher sein. Natürlich verringert die Doppelwandlung den Wirkungsgrad etwas, aber die Ausgangsfrequenzparameter entsprechen einfach den Anforderungen des Benutzers.

Um eine reine Sinuswelle an den Motorwicklungen zu erhalten, wird eine Wechselrichterschaltung verwendet, in der dank der Spannung die gewünschte Form erhalten wird Pulsweitenmodulation (PWM)… Die elektronischen Schalter sind hier Lock-in-Thyristoren oder IGBT-Transistoren.

Thyristoren halten im Vergleich zu Transistoren großen Stoßströmen stand, weshalb sie zunehmend auf Thyristorschaltungen zurückgreifen, sowohl in Direktkommunikationswandlern als auch in Wandlern mit Zwischenkreis, der Wirkungsgrad beträgt bis zu 98 %.

Der Fairness halber weisen wir darauf hin, dass elektronische Frequenzumrichter für das Stromnetz eine nichtlineare Last sind und darin höhere Harmonische erzeugen, was die Stromqualität verschlechtert.

Motorgenerator (Umformer)

Um Strom von einer seiner Formen in eine andere umzuwandeln, insbesondere die Frequenz des Stroms zu erhöhen, ohne auf elektronische Lösungen zurückgreifen zu müssen, werden sogenannte Umformer – Motorgeneratoren – eingesetzt. Solche Maschinen fungieren als Stromleiter, eine direkte Stromumwandlung wie etwa in einem Transformator oder einem elektronischen Frequenzumrichter als solche findet jedoch nicht statt.

Folgende Optionen stehen Ihnen hier zur Verfügung:

• Gleichstrom kann in Wechselstrom mit höherer Spannung und der erforderlichen Frequenz umgewandelt werden;

• Gleichstrom kann aus Wechselstrom gewonnen werden;

• direkte mechanische Umwandlung der Frequenz mit ihrer Erhöhung oder Verringerung;

• Gewinnen eines dreiphasigen Stroms mit der erforderlichen Frequenz aus einem einphasigen Strom mit der Netzfrequenz.

In seiner kanonischen Form ist ein Motorgenerator ein Elektromotor, dessen Welle direkt mit dem Generator verbunden ist. Am Ausgang des Generators ist eine Stabilisierungsvorrichtung installiert, um die Frequenz- und Amplitudenparameter des erzeugten Stroms zu verbessern.

Bei einigen Umformermodellen enthält der Anker Spulen sowie einen Motor und einen Generator galvanisch getrennt, und deren Drähte mit dem Kollektor bzw. den Ausgangsringen verbunden sind.

In anderen Ausführungen gibt es gemeinsame Wicklungen für beide Ströme, beispielsweise gibt es keinen Kollektor mit Schleifringen zur Umrechnung der Phasenzahl, sondern es werden lediglich Anzapfungen aus der Statorwicklung für jede der Ausgangsphasen vorgenommen.Eine Induktionsmaschine wandelt also einphasigen Strom in dreiphasigen Strom um (im Wesentlichen identisch mit zunehmender Frequenz).

Mit dem Motorgenerator können Sie also die Art des Stroms, die Spannung, die Frequenz und die Anzahl der Phasen umwandeln. Bis in die 70er Jahre wurden Konverter dieser Art in der militärischen Ausrüstung der UdSSR eingesetzt und versorgten dort insbesondere Lampengeräte. Die einphasigen und dreiphasigen Wandler werden mit einer konstanten Spannung von 27 Volt versorgt, der Ausgang ist eine Wechselspannung von 127 Volt 50 Hertz einphasig oder 36 Volt 400 Hertz dreiphasig.

Die Leistung solcher Transformatoren erreicht 4,5 kVA. Ähnliche Maschinen werden in Elektrolokomotiven eingesetzt, wo eine Gleichspannung von 50 Volt in eine Wechselspannung von 220 Volt mit einer Frequenz von bis zu 425 Hertz für den Betrieb von Leuchtstofflampen und 127 Volt 50 Hertz für den Betrieb von Rasierapparaten für Passagiere umgewandelt wird. Die ersten Computer wurden oft von Umformern als Energiequelle genutzt.

Bis heute sind Umformer hier und da zu finden: in Oberleitungsbussen, in Straßenbahnen, in elektrischen Zügen, wo sie eingebaut werden, um eine Niederspannung für die Stromversorgung von Steuerkreisen zu erhalten. Doch inzwischen sind sie bereits fast vollständig durch Halbleiterlösungen (Thyristoren) verdrängt worden und Transistoren).

Motor-Generator-Umrichter bieten eine Reihe von Vorteilen. Erstens handelt es sich um eine zuverlässige galvanische Trennung der Ausgangs- und Eingangsstromkreise. Zweitens ist der Ausgang die reinste Sinuswelle ohne Verzerrung und ohne Rauschen. Das Gerät ist sehr einfach aufgebaut und daher recht aufwändig in der Wartung.

Dies ist eine einfache Möglichkeit, eine dreiphasige Spannung zu erhalten. Die Trägheit des Rotors glättet die Stromspitzen, wenn sich die Lastparameter abrupt ändern.Und natürlich ist es hier ganz einfach, den Strom wiederherzustellen.

Nicht ohne Mängel. Umformer haben bewegliche Teile und daher sind ihre Ressourcen begrenzt. Masse, Gewicht, Materialreichtum und damit ein hoher Preis. Lärmiges Arbeiten, Vibrationen. Die Notwendigkeit einer häufigen Schmierung der Lager, Reinigung der Kollektoren und Austausch von Bürsten. Der Wirkungsgrad liegt bei 70 %.

Trotz der Nachteile werden in der Elektrizitätswirtschaft immer noch mechanische Motorgeneratoren zur Umwandlung großer Leistungen eingesetzt. In Zukunft könnten Motorgeneratoren dazu beitragen, 60- und 50-Hz-Netze anzupassen oder Netze mit erhöhten Anforderungen an die Stromqualität bereitzustellen. Die Stromversorgung der Rotorwicklungen der Maschine ist in diesem Fall über einen Halbleiterfrequenzumrichter mit geringer Leistung möglich.