Der Anbieter von Rückkopplungseinheiten weist darauf hin, dass die meisten herkömmlichen Frequenzumrichter Diodengleichrichterbrücken zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom nutzen und anschließend mithilfe von IGBT-Wechselrichtertechnologie den Gleichstrom in Wechselstrom mit einstellbarer Spannung und Frequenz zur Steuerung von Wechselstrommotoren umwandeln. Dieser Frequenzumrichtertyp kann nur im elektrischen Betrieb arbeiten und wird daher als Zwei-Quadranten-Frequenzumrichter bezeichnet. Aufgrund der Verwendung einer Diodengleichrichterbrücke ist ein bidirektionaler Energiefluss nicht möglich, sodass die vom Motor zurückgeführte Energie nicht ins Stromnetz eingespeist werden kann. In Anwendungen, in denen Elektromotoren Energie zurückführen müssen, wie z. B. Aufzüge, Hebezeuge, Zentrifugen und Pumpen, kann dem Zwei-Quadranten-Frequenzumrichter lediglich eine Widerstandsbremse hinzugefügt werden, um die vom Elektromotor zurückgeführte Energie zu nutzen. Darüber hinaus können Diodengleichrichterbrücken erhebliche Oberwellenbelastungen im Stromnetz verursachen.
IGBT-Leistungsmodule ermöglichen einen bidirektionalen Energiefluss. Wird der IGBT als Gleichrichterbrücke eingesetzt, generiert ein leistungsstarker digitaler Signalprozessor (DSP) SVPWM-Steuerimpulse. Dadurch kann einerseits der Leistungsfaktor angepasst, Oberschwingungen im Stromnetz reduziert und der Wechselrichter zu einem echten „grünen Produkt“ gemacht werden. Andererseits kann die durch die Rückkopplung des Elektromotors erzeugte Energie ins Stromnetz zurückgespeist werden, was Energieeinsparungen ermöglicht.
Bei einem Motor beziehen sich die sogenannten vier Quadranten auf seine mechanische Kennlinie, die in allen vier Quadranten der mathematischen Achse arbeitet. Der erste Quadrant entspricht dem Vorwärtslauf, der zweite dem Bremsbetrieb, der dritte dem Rückwärtslauf und der vierte dem Rückwärtsbremsbetrieb. Ein Frequenzumrichter, der den Motor in allen vier Quadranten betreiben kann, wird als Vier-Quadranten-Frequenzumrichter bezeichnet. Vereinfacht gesagt, kann ein herkömmlicher Zwei-Quadranten-Frequenzumrichter den Motor nur vorwärts oder rückwärts drehen lassen. Er arbeitet in den Quadranten eins und drei. Die im Leerlauf erzeugte kinetische Energie geht dabei ungenutzt verloren. Ein Vier-Quadranten-Frequenzumrichter (der den Motor im Bremsbetrieb betreibt) kann den Motor nicht nur vorwärts und rückwärts antreiben, sondern auch die kinetische Energie im Leerlauf in elektrische Energie umwandeln und ins Stromnetz zurückspeisen. Dadurch kann der Motor als Generator arbeiten. Solche Umrichter werden häufig zur Leistungssteigerung eingesetzt.
Der Vierquadranten-Frequenzumrichter erfüllt vielfältige industrielle Anwendungsanforderungen und eignet sich besonders für Lasten mit hohem Trägheitspotenzial, wie z. B. Hebezeuge. Das Gerät weist ein hohes Trägheitsmoment GD auf und ist für wiederholten, kurzzeitigen Dauerbetrieb ausgelegt. Die Drehzahlreduzierung von hoher auf niedrige Drehzahl ist groß, die Bremszeit kurz, was eine starke Bremswirkung oder eine dauerhafte, leistungsstarke elektrische Bremsung erfordert. Um die Energieeffizienz zu steigern und Energieverluste während des Bremsvorgangs zu reduzieren, wird die Bremsenergie zurückgewonnen und in das Stromnetz eingespeist. Dies trägt zur Energieeinsparung und zum Umweltschutz bei.
Typische Anwendungsgebiete eines Vierquadranten-Frequenzumrichters sind Anwendungen mit potenziellen Lastcharakteristiken, wie beispielsweise Aufzüge, Lokomotiven, Ölfeldmaschinen, Zentrifugen usw. In einigen Hochleistungsanwendungen ist ein Vierquadranten-Frequenzumrichter auch erforderlich, um die Oberwellenbelastung des Stromnetzes zu reduzieren.
Die Vorteile eines Vierquadranten-Frequenzumrichters
1. Im Vergleich zu herkömmlichen Zwei-Quadranten-Frequenzumrichtern ist er energieeffizienter. Der Vier-Quadranten-Frequenzumrichter nutzt IGBT-Module als Gleichrichter, um einen bidirektionalen Energiefluss zu ermöglichen. Ohne die Notwendigkeit externer Geräte kann er die zurückgewonnene Energie ins Stromnetz einspeisen und so einen energiesparenden Betrieb gewährleisten.
2. Reduzierung des Oberwellenstroms netzseitig und Erreichen eines Leistungsfaktors nahe 1 bei Volllast. Herkömmliche Frequenzumrichter erzeugen aufgrund der Diodengleichrichtung einen erheblichen Anteil an Oberwellenkomponenten, die das Stromnetz stark belasten, den Betrieb anderer Geräte beeinträchtigen und sogar Schäden verursachen können. Der Vierquadranten-Vektor-Frequenzumrichter nutzt IGBT-Module als Gleichrichter und generiert PWM-Steuerimpulse mit einem leistungsstarken digitalen Signalprozessor (DSP). Dadurch kann der Leistungsfaktor angepasst und die Oberwellenbelastung des Stromnetzes eliminiert werden, was den Frequenzumrichter zu einem echten „grünen Produkt“ macht.