Lieferanten von Frequenzumrichter-Komponenten weisen darauf hin, dass Frequenzumrichter in Bewegungssteuerungssystemen als Leistungswandler fungieren. Die moderne Bewegungssteuerung ist ein interdisziplinäres Technologiefeld, dessen Entwicklungstrend sich in Richtung Wechselstrombetrieb, Hochfrequenz-Leistungswandler, digitaler, intelligenter und vernetzter Steuerung entwickelt. Frequenzumrichter haben sich daher als wichtige Leistungswandlerkomponente rasant weiterentwickelt und bieten steuerbare, leistungsstarke Wechselstromquellen mit variabler Spannung und Frequenz.
Im 21. Jahrhundert hat sich das Substrat der Leistungselektronik von Silizium (Si) zu Siliziumkarbid (SiC) gewandelt. Dies leitet eine Ära ein, die von Hochspannung, hoher Kapazität, hoher Frequenz, modularen Komponenten, Miniaturisierung, intelligenter Technologie und niedrigen Kosten für neue leistungselektronische Geräte geprägt ist. Verschiedene neue elektrische Geräte, die sich für die Drehzahlregelung mit variabler Frequenz eignen, werden derzeit entwickelt und erforscht. Die rasante Entwicklung der Informationstechnologie und die kontinuierliche Innovation der Regelungstechnik werden die Entwicklung von Frequenzumrichtern beeinflussen.
Mit der Markterweiterung und der Diversifizierung der Nutzeranforderungen verbessern und erweitern sich die Funktionen chinesischer Frequenzumrichterprodukte kontinuierlich. Sie zeichnen sich durch höhere Integration und Systematisierung aus, und es sind bereits spezialisierte Frequenzumrichter auf dem Markt erschienen. Berichten zufolge verzeichnete der chinesische Markt für Frequenzumrichter in den letzten Jahren ein Wachstum von 12–15 % und wird voraussichtlich in den nächsten fünf Jahren weiterhin um über 10 % wachsen. Aktuell liegt die Wachstumsrate der installierten Leistung von Frequenzumrichtern auf dem chinesischen Markt bei rund 20 %. Es wird erwartet, dass der Markt für Frequenzumrichter in mindestens zehn Jahren gesättigt sein und sich allmählich entwickeln wird.
1. Intelligenz
Nach der Installation des intelligenten Frequenzumrichters im System sind nur wenige Funktionseinstellungen erforderlich. Er ist einfach zu bedienen und bietet eine übersichtliche Betriebszustandsanzeige. Fehlerdiagnose und -behebung sowie die automatische Komponentenumschaltung sind möglich. Über das Internet kann die Fernüberwachung erfolgen und mehrere Wechselrichter gemäß den Prozessabläufen vernetzt werden, wodurch ein optimiertes, integriertes Wechselrichter-Management- und Steuerungssystem entsteht.
2. Spezialisierung
Die Fertigung spezialisierter Frequenzumrichter, abgestimmt auf die Eigenschaften bestimmter Lasten, ermöglicht nicht nur eine wirtschaftliche und effiziente Motorsteuerung, sondern senkt auch die Herstellungskosten. Beispiele hierfür sind Frequenzumrichter für Ventilatoren und Pumpen, Hebezeuge, Aufzüge, Spannungsregelung und Klimaanlagen.
3. Integration
Der Frequenzumrichter integriert gezielt relevante Funktionskomponenten wie Parameteridentifikationssystem, PID-Regler, SPS-Steuerung und Kommunikationseinheit in eine integrierte Maschine. Dies verbessert nicht nur die Funktionalität und erhöht die Systemzuverlässigkeit, sondern reduziert auch effektiv das Systemvolumen und minimiert externe Schaltungsanschlüsse. Berichten zufolge wurde eine integrierte Kombinationsmaschine aus Frequenzumrichter und Elektromotor entwickelt, wodurch das Gesamtsystem kleiner und einfacher zu steuern ist.
4. Umweltschutz
Umweltschutz und die Herstellung umweltfreundlicher Produkte sind neue Konzepte für die Menschheit. Zukünftig werden Frequenzumrichter verstärkt auf Energieeinsparung und geringe Umweltbelastung ausgelegt sein, d. h. die Minimierung von Störungen und Oberschwingungen im Stromnetz und anderen elektrischen Geräten während des Betriebs.
5. Die Selbstabschaltung, Modularisierung, Integration und Intelligenz der Leistungsschaltkomponenten im Hauptstromkreis haben die Schaltfrequenz kontinuierlich erhöht und die Schaltverluste weiter reduziert.
6. Hinsichtlich der topologischen Struktur des Hauptschaltkreises des Frequenzumrichters:
Der netzseitige Umrichter des Frequenzumrichters verwendet häufig einen 6-Puls-Umrichter für Niederspannungs- und Kleingeräte, während für Mittelspannungs- und Großgeräte ein gemultiplexter 12-Puls- oder mehr-Puls-Umrichter zum Einsatz kommt. Lastseitige Umrichter nutzen oft zweistufige Brückenwechselrichter für Niederspannungs-Kleingeräte, während für Mittelspannungs-Großgeräte mehrstufige Wechselrichter verwendet werden. Um im Vierquadrantenbetrieb eine regenerative Energierückspeisung ins Netz zu ermöglichen und Energie zu sparen, sollte der netzseitige Wechselrichter reversibel sein. Gleichzeitig hat sich der Dual-PWM-Wechselrichter mit bidirektionalem Leistungsfluss etabliert. Durch eine geeignete Ansteuerung des netzseitigen Wechselrichters lässt sich der Eingangsstrom einer Sinuswelle annähern und die Netzbelastung reduzieren. Derzeit sind solche Produkte sowohl für Niederspannungs- als auch für Mittelspannungs-Frequenzumrichter verfügbar.
7. Zu den Regelungsmethoden für pulsweitenmodulierte Wechselrichter mit variabler Spannung gehören die Sinuswellen-Pulsweitenmodulation (SPWM), die PWM-Regelung zur Eliminierung bestimmter Oberwellenordnungen, die Stromnachführungsregelung und die Spannungsraumvektorregelung (Magnetflussnachführungsregelung).
8. Der Fortschritt bei den Frequenzumwandlungs-Regelungsmethoden für Wechselstrommotoren spiegelt sich hauptsächlich in der Entwicklung von Vektorregelungs- und Direktmomentregelungssystemen ohne Drehzahlsensoren wider, die sich von der Skalarregelung hin zur Vektorregelung und Direktmomentregelung mit hoher Dynamik verlagert haben.
9. Die Weiterentwicklung von Mikroprozessoren hat die digitale Steuerung zum Entwicklungsschwerpunkt moderner Controller gemacht: Bewegungssteuerungssysteme sind schnelle Systeme, insbesondere die Hochleistungssteuerung von Wechselstrommotoren, die die Speicherung vielfältiger Daten und die schnelle Echtzeitverarbeitung großer Informationsmengen erfordert. In den letzten Jahren haben führende ausländische Unternehmen sukzessive DSP-basierte (Digital Signal Processor) Kerne auf den Markt gebracht, die mit den für die Motorsteuerung benötigten peripheren Funktionsschaltungen kombiniert und in einem einzigen Chip, dem sogenannten DSP-Ein-Chip-Motorcontroller, integriert sind. Dadurch werden der Preis, das Volumen und die Bauweise deutlich reduziert, die Bedienung vereinfacht und die Zuverlässigkeit verbessert. Im Vergleich zu herkömmlichen Mikrocontrollern bietet der DSP eine 10- bis 15-fach höhere digitale Verarbeitungsleistung und gewährleistet so eine überlegene Steuerungsperformance des Systems.
Die digitale Steuerung vereinfacht die Hardware, und flexible Steuerungsalgorithmen bieten hohe Flexibilität bei der Regelung. Dadurch lassen sich komplexe Regelungsgesetze implementieren und moderne Regelungstechnik wird in Bewegungssteuerungssystemen Realität. Die Anbindung an übergeordnete Systeme zur Datenübertragung ist unkompliziert, die Fehlerdiagnose wird erleichtert, Schutz- und Überwachungsfunktionen werden verbessert und das System wird intelligent (beispielsweise durch selbstjustierende Frequenzumrichter).
10. Wechselstrom-Synchronmotoren, insbesondere Permanentmagnet-Synchronmotoren, haben sich zu einem wichtigen Bestandteil der Wechselstrom-Drehzahlregelung entwickelt. Der Motor zeichnet sich durch eine bürstenlose Struktur, einen hohen Leistungsfaktor und einen hohen Wirkungsgrad aus. Die Rotordrehzahl ist exakt mit der Netzfrequenz synchronisiert. Es gibt zwei Haupttypen von Frequenzumrichtern für Synchronmotoren: externe und automatische Frequenzumrichter. Das Prinzip des selbstgesteuerten Frequenzumrichters ähnelt dem des Gleichstrommotors, wobei der mechanische Kommutator durch einen Leistungselektronik-Umrichter ersetzt wird. Bei Verwendung eines AC/DC/AC-Spannungswandlers spricht man von einem „kommutatorlosen Gleichstrommotor“ oder einem „bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC)“. Traditionelle selbstgesteuerte Frequenzumrichter für Synchronmaschinen verfügen über einen Rotorpositionssensor; Systeme ohne Rotorpositionssensor werden derzeit entwickelt. Die Frequenzumrichtersteuerung von Synchronmotoren kann auch Vektorsteuerung nutzen, die im Vergleich zu Asynchronmotoren einfacher ist, da sie sich am Rotormagnetfeld orientiert.
Kurz gesagt, der Entwicklungstrend der Frequenzumrichtertechnologie geht in Richtung Intelligenz, einfache Bedienung, einwandfreie Funktionalität, Sicherheit und Zuverlässigkeit, Umweltschutz, geringe Geräuschentwicklung, niedrige Kosten und Miniaturisierung.