Inhalt
- Was ist ein Frequenzumrichter?
- Aufbau eines Frequenzumrichters
- Wie funktioniert ein Frequenzumrichter?
- Vorteile des Frequenzumrichters
- Wo werden Frequenzumrichter benötigt?
- Welche Umrichter-Typen gibt es?
Frequenzumrichter
Was ist ein Frequenzumrichter?
Ein Frequenzumrichter oder auch Frequenzumrichter-Antrieb (engl. Variable Frequency Drive) (VFD), ist ein elektronisches Gerät, das verwendet wird, um die Frequenz bei Wechselstrom in einem elektrischen System zu steuern. Er ermöglicht beispielsweise die Änderung von periodisch auftretenden elektromagnetischen Wellen, um die Regelung der Drehgeschwindigkeit eines Wechselmotors zu lenken.
Der Umrichter erreicht dies, indem er die Frequenz und Spannung des zugeführten elektrischen Stroms ändert. Dadurch kann die Geschwindigkeit des Motors je nach Bedarf erhöht, verringert oder konstant gehalten werden. Frequenzumrichter sind ein wesentlicher Bestandteil in der Antriebstechnik und werden in einer Vielzahl von Geräten eingesetzt.
Aufbau eines Frequenzumrichters
Ein Frequenzumrichter besteht aus 4 grundlegenden Komponenten:
Gleichrichter: Wandelt die Netz-Wechselspannung in pulsierende Gleichspannung um.
Zwischenkreis: Stabilisiert und glättet die pulsierende Gleichspannung des Gleichrichters.
Wechselrichter: Wandelt die konstante Gleichspannung des Zwischenkreises in eine variable Wechselspannung, um die Motorfrequenz und -spannung zu steuern.
Steuerkreis: Koordiniert und überträgt Steuer- und Regelungssignale zwischen Gleichrichter, Zwischenkreis und Wechselrichter.
Wie funktioniert ein Frequenzumrichter?
Die Kernfunktion eines Frequenzumrichters besteht darin, die fixen Parameter der Stromspannung von beispielsweise 50 Hz auf variable Größen zu reduzieren, die sich zum Beispiel im Bereich von 0 bis 50 Hz regulieren lassen.
Ein Umrichter funktioniert folgendermaßen: Der Gleichrichter, der an ein Einphasen- oder Dreiphasen-Versorgungsnetz angeschlossen ist, wandelt die Wechselspannung in eine pulsierende Gleichspannung um. Diese wird dann im Zwischenkreis entweder in eine gleichmäßige Gleichspannung umgewandelt oder stabilisiert und geglättet, um sie dem Wechselrichter zur Verfügung zu stellen. Der Wechselrichter wandelt die konstante Gleichspannung in eine variable Wechselspannung mit der gewünschten Frequenz um. Der Steuerkreis koordiniert die Signale und überwacht die wirkenden Systemparameter.
Vorteile des Frequenzumrichters
ähnlich wie bei einem AC/DC-Wandler, gehört der Frequenzumrichter zu einer wertvolle Komponente bei der Elektronikentwicklung, um elektrische Energie zu steuern.
Ein Frequenzumrichter unterstützt Drehstrommotoren dabei, die Drehzahl variable einzustellen. Er verändert die Frequenz und Amplitude der Wechselspannung von seiner Ausgangslage auf den vom Motor benötigten Energiebedarf. Ohne einen Frequenzumrichter könnte die Drehzahl nicht optimal dimensioniert werden und würde somit auf einer konsistenten Hz laufen, die von der Wechselspannung ausgeht.
Im Vergleich zu Motoren, die direkt am Netz angeschlossen sind und kontinuierlich auf der höchsten Drehzahl laufen, reguliert ein Motor mit Frequenzumrichter den Energieverbrauch erheblich und verringert Verschleiß.
Wo werden Frequenzumrichter benötigt?
Frequenzumrichter werden auf dem Gebiet der Leistungselektronik in verschiedenen Branchen und Anwendungen benötigt.
Industrielle Fertigung: Steuerung von Motoren in Produktionsmaschinen, Förderbändern, Pumpen und Lüftern.
Heizung, Lüftung und Klimatechnik (HVAC): Regelung von Ventilatoren, Kompressoren und Pumpen in Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen.
Transportwesen: Antriebssysteme in Zügen, Elektrofahrzeugen und Schiffen.
Energieerzeugung: Optimierung der Leistung von Windkraftanlagen und Solaranlagen.
Wasserversorgung: Steuerung von Pumpen in Wasseraufbereitungsanlagen und Bewässerungssystemen.
Welche Umrichter-Typen gibt es?
Prinzipiell gibt es zwei verschiedene Typen von Frequenzumrichter:
Direkt-Umrichter: Im Gegensatz zu Umrichtern mit Zwischenkreis haben Direktumrichter keine Zwischenstufe zur Speicherung von Energie. Das heißt, dass die Ausgangsspannung direkt von der Eingangswechselspannung abhängt. Diese direkte Verbindung macht Direktumrichter weniger flexibel hinsichtlich der Steuerung der Ausgangsspannung und -frequenz.
Umrichter mit Zwischenkreis: Umrichter mit Zwischenkreis transformieren die Eingangswechselspannung zunächst in eine Spannung aus Gleichstrom und speichern die Energie dann in einem Zwischenkreis ab. Diese Gleichspannung im Zwischenkreis wird dann durch Halbleiterschalter moduliert, um eine variable Ausgangsspannung zu erzeugen. Der Zwischenkreis fungiert als Puffer, der es ermöglicht, die Ausgangsspannung unabhängig von der Eingangswechselspannung zu steuern.