Was ist ein Frequenzumrichter?

Ein Frequenzumrichter ist ein Stromwandler, dessen Aufbau aus drei Hauptteilen und einer Steuerung besteht. Die Gleichrichterschaltung, die den Wechselstrom des Netzes in Gleichstrom umwandelt; der Gleichstrom-Bus, der die Gleichstromladung speichert; der Wechselrichter, der Gleichstrom in Wechselstrom mit variabler Frequenz und Spannung umwandelt. Zur Überwachung und Steuerung des Stromkreises enthalten Frequenzumrichter einen Mikroprozessor, der auch Eingangs- und Ausgangskonfigurationen, Fehlerbedingungen, Kommunikationsprotokolle und Antriebseinstellungen verarbeiten kann.

Frequenzumrichter werden u. A. zum Sanftanlauf, als Motorschutzschalter oder Motorstarter eingesetzt. 

Rotierende Frequenzumrichter nutzen die Eingangsleistung, um einen Motor anzutreiben, der mechanische Energie zum Drehen eines Generators erzeugt, der dann die Ausgangsleistung liefert. Festkörper-Frequenzumrichter wandeln den eingehenden Wechselstrom in Gleichstrom um, der dann moduliert wird, um die erforderliche Ausgangsleistung zu erhalten.

Ein statischer Frequenzwandler (SFC) wandelt eine feste Spannung und Frequenz in eine andere Spannung und Frequenz um. Ein SFC wird zur Versorgung von Geräten eingesetzt, die mit einer bestimmten Spannung und Frequenz arbeiten, wie Flugzeuge oder militärische Geräte. Im Gegensatz zu älteren Technologien wie rotierenden Frequenzumrichtern haben SFCs keine beweglichen Teile und sind daher effizienter und langlebig. Sie werden auch für die Umwandlung von einphasigen in dreiphasige Systeme verwendet, d. h. zur Spannungsumwandlung von 230V auf 400V.

Solid-State-Frequenzumrichter gibt es in vielen Größen: erhältlich von <1 KVA bis >300 KVA. Weil sich damit die Solid-State-Frequenzumrichter Halbleiter-Frequenzumrichtern und die Rotierende Frequenzumrichter, die ebenfalls von 1 KVA bis weit über 300 KVA gebaut werden, überschneiden, können Kunden für die meisten Anwendungen in beiden Kategorien geeignete Größen finden.

Obwohl die Funktion eines Frequenzumrichters der Antrieb eines Elektromotors ist, lassen sich bei vielen Anwendungen erhebliche Energie- und Leistungs-Einsparungen erzielen.  Mit Frequenzumrichtern wird der Energieverbrauch um durchschnittlich 50 % gesenkt. Beim Start der Motoren bedarf ein Frequenzumrichter geringere Leistung, weil sich die Leistung proportional zu Strom und Spannung verhält. Die benötigte Leistung ist demnach zum Starten eines Wechselstrommotors über die Leitung deutlich höher als, wenn ein Frequenzumrichter eingesetzt wird. Obwohl dies eigentlich für den Start gilt, kann sich dennoch ein Problem ergeben. Einige Stromverteilungssysteme können bei gewissen Spitzenzeiten das absolute Limit erreichen. Wenn dann Industriekunden ihre Motoren während dieser Spitzenzeiten in Betrieb nehmen, ist es nicht ungewöhnlich, dass dem Kunden höhere Gebühren für die Stromverbrauchs-Spitzen während der Spitzenzeiten in Rechnung gestellt werden. Mit einem Frequenzumrichter würden sich diese Nachfragefaktoren hingegen erübrigen.

Wie jeder Motor startet auch ein Motor mit Frequenzumrichter bei Null-Drehzahl. Die Beschleunigung kann jedoch vom User bestimmt werden, indem die Beschleunigungs-Rate festgelegt wird, die auf jeden Fall immer gleichmäßig und reibungslos sein wird. Im Gegensatz dazu löst ein AC-Motor mechanische Stoßbelastungen aus, wenn er über das Festnetz gestartet wird. Mit diesen Stößen wird mit der Zeit nicht der Verschleiß der angeschlossenen Last und des Wechselstrommotors erhöht oder sogar beschleunigt. Gerade bei Anwendungen mit leicht zu kippenden Produkten, wie z. B.  Abfüllanlagen, ist ein langsamer Leistungsanstieg von großem Vorteil, da das Förderband so gleichmäßig beschleunigt werden kann.

Nicht nur die Beschleunigung, sondern auch die Betriebsgeschwindigkeit kann mit einem Frequenzumrichter eingestellt werden, wie z. B. das An- oder Wegfahren mit reduzierter Geschwindigkeit. Das kann ferngesteuert werden und im Voraus nach Muster vorprogrammiert sein. Somit sind sachdienliche Kontrollen in industriellen Anlagen möglich, welche für die Produktion stets vorteilhaft sind. Beim herkömmlichen Stop-and-Go-Motor ist das gar nicht denkbar. Hinzu kommt, dass, um den mechanischen Verschleiß herabzumindern, auch das kontrollierte Anhalten wichtig ist. Mit einem Frequenzumrichter wird die Geschwindigkeit gleichmäßig gedrosselt.

Auch das Drehmoment kann begrenzt werden. Damit kann ein Frequenzumrichter Maschinen vor Schäden schützen, die auf hohe Drehmomente angewiesen sind.

Ein Frequenzumrichter erlaubt es, den Anlaufstrom zu reduzieren, was wiederum die Lebensdauer des Motors verlängert. Denn: Wird ein Wechselstrommotor über die Festleitung gestartet, wird bis zu 700 % des Motorvolllaststroms eingesetzt, um den Motor überhaupt zu starten. Diese überschüssige Energie belastet auf Dauer den Motor, weil enorm viel Wärme erzeugt wird. Bei einem frequenzvariablen Antrieb hingegen sind beim Start sowohl die Frequenz als auch die Spannung auf null. Mit steigender Frequenz und Spannung werden die Motorwicklungen „magnetisiert“ und benötigen in der Regel nur etwas mehr als die Hälfte des Volllaststroms des Motors. 

Ein Frequenzumrichter kann zu geringeren Störungen im Stromnetz führen. Wird ein Wechselstrommotor über das Netz gestartet, so stellt der anschließende Bedarf von 300 bis 600 % des Motorvolllaststroms eine sehr hohe Belastung für das angeschlossene Stromverteilungssystem dar. Wenn ein großer Wechselstrommotor gestartet wird, kann die Versorgungsspannung in der Nähe abfallen. Das kann dazu führen, dass spannungsempfindliche Geräte, die an dasselbe Verteilungssystem angeschlossen sind, aufgrund der niedrigen Spannung ausfallen (z. B. Computer, Sensoren, Schütze usw.). Dieser Spannungsabfall kann vermieden werden, wenn ein Frequenzumrichter eingesetzt wird, weil in diesem Fall der Motor bei Nullspannung gestartet und hochgefahren wird.

Frequenzumrichter können auch die Produktivität beeinträchtigen, wenn ein Programm nicht detailliert genug ist, um die Anforderungen der Anwendung zu erfüllen. So müssen bestimmte Parameter des Frequenzumrichters präzise eingestellt werden, um eine optimale Leistung zu erzielen, ohne dass die Zuverlässigkeit des Outputs beeinträchtigt wird. Wird in der Software des Frequenzumrichters keine Features eingebaut, um die Parameter benutzerfreundlich anpassen zu können, so wird letztlich auch die Produktivität beeinträchtigt.

Frequenzumrichter werden häufig zur Steuerung der Drehzahl von Pumpen, Verdichtern und Lüftern eingesetzt. Etwa ¾ aller weltweit eingesetzten Frequenzumrichter fallen auf diese drei Kategorien.  SFCs werden beim Militär und in der Ölindustrie eingesetzt, wenn eine ein- oder dreiphasige Stromversorgung mit 400 Hz erforderlich ist. Sie werden auch in der allgemeinen Elektronikindustrie eingesetzt, wenn eine Anwendung eine Umwandlung von 50Hz auf 60Hz oder von 60Hz auf 50Hz mit einem ein- oder dreiphasigen Ausgang erfordert.

Ein Frequenzumrichter ist ein Gerät, mit dem die Drehzahl eines Elektromotors geregelt werden kann, um den Prozess besser zu steuern und so den Energieverbrauch zu optimieren und effizient Strom zu erzeugen. Er wird als Umrichter bezeichnet, weil er buchstäblich einen Gleichstrom in einen Wechselstrom umwandelt.  Die Änderung der Drehzahl erfolgt durch Erhöhen oder Verringern der Frequenz, mit der der Motor betrieben wird. In der Praxis sorgt der Frequenzumrichter), der mit einer festen Spannung und Frequenz aus dem Netz gespeist wird, dafür, dass der Motor mit Wechselstrom mit variabler Spannung und Frequenz versorgt wird, je nach Drehzahlanforderungen.

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