Arten von Frequenzumrichtern

Geräte, sogenannte Frequenzumrichter, dienen der Umwandlung von Netzwechselspannung mit einer Industriefrequenz von 50/60 Hz in Wechselspannung einer anderen Frequenz. Die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters kann stark variieren, typischerweise zwischen 0,5 und 400 Hz. Höhere Frequenzen sind für moderne Motoren aufgrund der Beschaffenheit der Materialien, aus denen die Stator- und Rotorkerne bestehen, nicht akzeptabel.

Jede Form Frequenzumwandler besteht aus zwei Hauptteilen: Steuerung und Stromversorgung. Der Steuerteil ist ein Schaltkreis einer digitalen Mikroschaltung, der die Steuerung der Schalter des Leistungsteils ermöglicht und außerdem zur Steuerung, Diagnose und zum Schutz des angetriebenen Antriebs und des Umrichters selbst dient.

Der Stromversorgungsabschnitt umfasst direkt die Schalter – leistungsstarke Transistoren oder Thyristoren. In diesem Fall gibt es zwei Arten von Frequenzumrichtern: mit einem hervorgehobenen Gleichstromabschnitt oder mit direkter Kommunikation. Direktgekoppelte Wandler haben einen Wirkungsgrad von bis zu 98 % und können mit erheblichen Spannungen und Strömen betrieben werden.Im Allgemeinen hat jeder der beiden genannten Frequenzumrichtertypen individuelle Vor- und Nachteile, und es kann sinnvoll sein, den einen oder anderen für unterschiedliche Anwendungen einzusetzen.

Direkte Kommunikation

Als erstes kamen Frequenzumrichter mit direkter galvanischer Verbindung auf den Markt, deren Leistungsteil ein gesteuerter Thyristorgleichrichter ist, bei dem nacheinander bestimmte Gruppen von Sperrthyristoren geöffnet und die Statorwicklungen nacheinander an das Netz angeschlossen werden. Dies bedeutet, dass die dem Stator zugeführte Spannung letztlich aus Teilen einer Netzsinuswelle besteht, die den Wicklungen in Reihe zugeführt werden.

Am Ausgang wird die Sinusspannung in eine Sägezahnspannung umgewandelt. Die Frequenz ist niedriger als die des Netzes – von 0,5 bis etwa 40 Hz. Offensichtlich ist die Reichweite dieses Konvertertyps begrenzt. Nicht sperrende Thyristoren erfordern komplexere Steuerungsschemata, was die Kosten dieser Geräte erhöht.

Teile der Ausgangssinuswelle erzeugen höhere Harmonische, und das sind zusätzliche Verluste und Überhitzung des Motors mit abnehmendem Wellendrehmoment, außerdem gelangen keine schwachen Störungen in das Netz. Werden Kompensationseinrichtungen eingesetzt, steigen wiederum die Kosten, Abmessungen und Gewicht nehmen zu und der Wirkungsgrad des Wandlers sinkt.

Zu den Vorteilen von Frequenzumrichtern mit direkter galvanischer Kopplung gehören:

• die Möglichkeit des Dauerbetriebs mit erheblichen Spannungen und Strömen;
• Widerstand gegen Impulsüberlastung;
• Wirkungsgrad bis zu 98 %;
• Anwendbarkeit in Hochspannungskreisen von 3 bis 10 kV und sogar höher.

In diesem Fall sind Hochspannungs-Frequenzumrichter natürlich teurer als Niederspannungs-Frequenzumrichter. Bisher wurden sie dort eingesetzt, wo sie benötigt wurden – nämlich direkt gekoppelte Thyristor-Stromrichter.

Mit hervorgehobenem DC-Anschluss

Bei modernen Antrieben werden zur Frequenzregelung häufiger Frequenzumrichter mit hervorgehobenem DC-Block eingesetzt. Hier erfolgt die Konvertierung in zwei Schritten. Zunächst wird die Eingangsnetzspannung gleichgerichtet und gefiltert, geglättet und anschließend dem Wechselrichter zugeführt, wo sie in Wechselstrom mit der erforderlichen Frequenz und Spannung mit der erforderlichen Amplitude umgewandelt wird.

Der Wirkungsgrad einer solchen Doppelwandlung nimmt ab und die Abmessungen des Gerätes werden etwas größer als bei Wandlern mit direktem elektrischem Anschluss. Die Sinuswelle wird hier durch einen autarken Strom- und Spannungswechselrichter erzeugt.

In Zwischenkreisfrequenzumrichtern werden selbsthaltende Thyristoren bzw IGBT-Transistoren… Sperrthyristoren wurden hauptsächlich in den ersten hergestellten Frequenzumrichtern dieses Typs verwendet. Mit dem Erscheinen von IGBT-Transistoren auf dem Markt begannen die auf diesen Transistoren basierenden Umrichter unter den Niederspannungsgeräten zu dominieren.

Zum Einschalten des Thyristors genügt ein kurzer Impuls an der Steuerelektrode, zum Ausschalten ist es erforderlich, eine Sperrspannung an den Thyristor anzulegen oder den Schaltstrom auf Null zurückzusetzen. Es ist ein spezielles Steuerungsschema erforderlich – komplex und dimensional. Bipolare IGBT-Transistoren verfügen über eine flexiblere Steuerung, einen geringeren Stromverbrauch und eine recht hohe Geschwindigkeit.

Aus diesem Grund haben Frequenzumrichter auf Basis von IGBT-Transistoren eine Erweiterung des Bereichs der Antriebssteuerungsgeschwindigkeiten ermöglicht: Asynchrone Vektorsteuerungsmotoren auf Basis von IGBT-Transistoren können sicher bei niedrigen Geschwindigkeiten betrieben werden, ohne dass Rückkopplungssensoren erforderlich sind.

Mit Hochgeschwindigkeitstransistoren gekoppelte Mikroprozessoren erzeugen am Ausgang weniger höhere Harmonische als Thyristorwandler. Dadurch fallen die Verluste geringer aus, die Wicklungen und der Magnetkreis überhitzen weniger, die Rotorpulsationen bei niedrigen Frequenzen werden reduziert. Weniger Verluste in Kondensatorbänken, in Transformatoren – die Lebensdauer dieser Elemente erhöht sich. Es gibt weniger Fehler bei der Arbeit.

Wenn wir einen Thyristorwandler mit einem Transistorwandler mit der gleichen Ausgangsleistung vergleichen, wird der zweite weniger wiegen, kleiner sein und einen zuverlässigeren und gleichmäßigeren Betrieb haben. Der modulare Aufbau von IGBT-Schaltern ermöglicht eine effizientere Wärmeableitung und benötigt weniger Platz für die Montage von Leistungselementen. Darüber hinaus sind modulare Schalter besser vor Schaltstößen geschützt, d. h. die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung ist geringer.

Auf IGBTs basierende Frequenzumrichter sind teurer, da es sich bei Leistungsmodulen um komplexe elektronische Komponenten in der Herstellung handelt. Der Preis ist jedoch durch die Qualität gerechtfertigt. Gleichzeitig zeigen Statistiken, dass die Preise für IGBT-Transistoren jedes Jahr tendenziell sinken.

Das Funktionsprinzip des IGBT-Frequenzumrichters

Die Abbildung zeigt ein Diagramm eines Frequenzumrichters und Diagramme der Ströme und Spannungen der einzelnen Elemente. Dem Gleichrichter wird Netzspannung mit konstanter Amplitude und Frequenz zugeführt, die gesteuert oder ungesteuert sein kann. Nach dem Gleichrichter befindet sich ein Kondensator – ein kapazitiver Filter. Diese beiden Elemente – ein Gleichrichter und ein Kondensator – bilden eine Gleichstromeinheit.

Vom Filter wird nun eine konstante Spannung an einen autonomen Pulswechselrichter geliefert, in dem die IGBT-Transistoren arbeiten. Das Diagramm zeigt eine typische Lösung für moderne Frequenzumrichter. Die Gleichspannung wird in einen dreiphasigen Impuls mit einstellbarer Frequenz und Amplitude umgewandelt.

Das Steuersystem gibt rechtzeitig Signale an jede der Tasten und die entsprechenden Spulen werden nacheinander auf die dauerhafte Verbindung geschaltet. In diesem Fall wird die Einschaltdauer der Spulen an den Anschluss sinusförmig moduliert. Im mittleren Teil der Halbperiode ist die Impulsbreite also am größten und an den Rändern am kleinsten. Es passiert hier Pulsweitenmodulationsspannung an den Statorwicklungen des Motors. Die Frequenz von PWM erreicht normalerweise 15 kHz und die Spulen selbst wirken als induktiver Filter, wodurch die durch sie fließenden Ströme nahezu sinusförmig sind.

Wird der Gleichrichter am Eingang angesteuert, dann erfolgt die Amplitudenänderung durch die Ansteuerung des Gleichrichters und der Wechselrichter ist nur für die Frequenzumsetzung zuständig. Manchmal wird am Ausgang des Wechselrichters ein zusätzlicher Filter installiert, um Stromwellen zu dämpfen (sehr selten wird dies bei Umrichtern mit geringer Leistung verwendet).In jedem Fall handelt es sich bei der Ausgabe um eine dreiphasige Spannung und einen Wechselstrom mit benutzerdefinierten Grundparametern.