Die Anbieter von Frequenzumrichter-Komponenten weisen darauf hin, dass Frequenzumrichter heutzutage in der industriellen Produktion weit verbreitet sind. Geräte, die von Frequenzumrichtern gesteuert werden, können bis zu einem gewissen Grad Energie einsparen und erfreuen sich daher großer Beliebtheit bei vielen Industrieunternehmen.
Um Funktionen wie sanftes Parken, sanftes Anfahren, stufenlose Drehzahlregelung oder spezielle Anforderungen an die Drehzahlerhöhung oder -verringerung zu realisieren, ist bei modernen Asynchronmotoren ein Drehzahlregler, ein sogenannter Frequenzumrichter, erforderlich. Die Hauptschaltung des Geräts arbeitet mit AC-DC-AC-Schaltungen und einer Betriebsfrequenz von 0–400 Hz. Die Ausgangsspannung des Niederspannungs-Universal-Frequenzumrichters beträgt 380–460 V, die Ausgangsleistung 0,37–400 kW.
Wählen Sie einen geeigneten Frequenzumrichter.
Probleme, die beim Einsatz von Frequenzumrichtern auftreten, wie beispielsweise Fehlfunktionen oder Geräteausfälle, die zu Produktionsstillständen und unnötigen wirtschaftlichen Verlusten führen, sind häufig auf eine unsachgemäße Auswahl und Installation der Frequenzumrichter zurückzuführen. Daher ist es notwendig, einen wirtschaftlichen und praxisgerechten Frequenzumrichter zu wählen, der die grundlegenden Bedingungen und Anforderungen der Produktion und des Prozesses optimal erfüllt.
Da der Motor das Hauptantriebsobjekt des Frequenzumrichters ist, sollte bei der Auswahl des Frequenzumrichtertyps der Motor so gewählt werden, dass er zu den Arbeitsparametern des Motors passt.
(1) Spannungsanpassung: Die Nennspannung des Frequenzumrichters entspricht der Lastspannung des Motors.
(2) Stromanpassung: Die Kapazität des Frequenzumrichters hängt vom Nennstrom ab, den er im Dauerbetrieb abgibt. Bei der Auswahl eines Frequenzumrichters für Motoren, die eine Drehzahlregelung erfordern, muss ein Frequenzumrichter mit einem Nennstrom gewählt werden, der den Nennstrom des Motors im Nennbetrieb übersteigt und über eine quantitative Reserve verfügt. Bei allgemeinen Frequenzumrichtern mit mehr als vier Polen kann die Auswahl nicht auf der Motorkapazität basieren, sondern muss den Stromprüfstandard des Motors berücksichtigen. Selbst bei relativ geringer Motorlast und einem Strom unterhalb des Nennstroms des Frequenzumrichters darf die Kapazität des gewählten Frequenzumrichters im Vergleich zum Motor nicht zu gering sein.
(3) Kapazitätsanpassung: Je nach den unterschiedlichen Lastcharakteristika des Motors gelten unterschiedliche Anforderungen an die Auswahl der Kapazität des Frequenzumrichters.
Regelungsmethode des Frequenzumrichters
Zu den wichtigsten Steuerungsmethoden von Frequenzumrichtern gehören derzeit die folgenden.
(1) Die erste Generation nutzte die U/f=C-Regelung, auch bekannt als Sinus-Pulsweitenmodulation (SPWM). Zu ihren Merkmalen zählen ein einfacher Regelkreis, geringe Kosten, gute mechanische Eigenschaften und Robustheit. Sie erfüllt die Anforderungen an eine gleichmäßige Drehzahlregelung in gängigen Getrieben. Allerdings reduziert diese Regelungsmethode aufgrund der niedrigeren Ausgangsspannung das maximale Drehmoment bei niedrigen Frequenzen, was zu einer geringeren Stabilität bei niedrigen Drehzahlen führt. Charakteristisch ist, dass ohne Rückkopplung das Drehzahlverhältnis ni kleiner als 1/40 ist, mit Rückkopplung hingegen ni = 1/60. Sie eignet sich für gängige Lüfter und Pumpen.
(2) Die zweite Generation nutzt die Spannungs-Raumvektor-Regelung (Magnetfluss-Trajektorien-Methode), auch bekannt als SVPWM-Regelung. Sie basiert auf der Gesamtgenerierung dreiphasiger Wellenformen, indem sie dreiphasige Modulationswellenformen gleichzeitig erzeugt und diese durch Polygonschnitte zu annähernden Kreisen steuert. Um den Einfluss des Statorwiderstands bei niedrigen Drehzahlen zu eliminieren, werden Ausgangsspannung und -strom im geschlossenen Regelkreis geregelt, was die dynamische Genauigkeit und Stabilität verbessert. Ihre Merkmale: keine Rückkopplung, Drehzahlverhältnis ni = 1/100, geeignet für die Drehzahlregelung in der allgemeinen Industrie.
(3) Die dritte Generation verwendet die Vektorregelung (VC). Die frequenzvariable Drehzahlregelung mittels Vektorregelung verhält sich im Prinzip wie ein Gleichstrommotor und steuert Drehzahl und Magnetfeld unabhängig voneinander. Durch die Steuerung des Rotormagnetflusses und die Zerlegung des Statorstroms in Drehmoment und Magnetfeld lässt sich mittels Koordinatentransformation eine orthogonale bzw. entkoppelte Regelung erreichen. Charakteristisch sind: ein Drehzahlverhältnis von ni = 1/100 ohne Rückführung, ni = 1/1000 mit Rückführung und ein Anlaufdrehmoment von 150 % bei Stillstand. Dieses Verfahren ist für die Drehzahlregelung allgemein anwendbar und eignet sich mit Rückführung besonders für hochpräzise Getriebesteuerung.
(4) Direkte Drehmomentregelung (DTC). Die direkte Drehmomentregelung (DTC) ist ein weiteres leistungsstarkes Drehzahlregelungsverfahren mit variabler Frequenz, das sich von der Vektorregelung (VC) unterscheidet. Mithilfe von Simulationsmodellen für magnetischen Fluss und elektromagnetischen Drehmomenten werden Daten für magnetischen Fluss und Drehmoment ermittelt, mit vorgegebenen Werten verglichen, um Hysteresevergleichssignale zu generieren. Anschließend wird der Schaltzustand durch eine Logiksteuerung umgeschaltet, um eine konstante Regelung des magnetischen Flusses und des elektromagnetischen Drehmoments zu erreichen. Das Verfahren erfordert keine Nachahmung der Gleichstrommotorsteuerung und wurde bereits erfolgreich im Wechselstromantrieb von Traktionslokomotiven eingesetzt. Charakteristisch sind: Ohne Rückkopplung beträgt das Drehzahlverhältnis ni = 1/100, mit Rückkopplung ni = 1/1000. Das Anlaufdrehmoment kann bei Stillstand 150 % bis 200 % erreichen. DTC eignet sich für schwere Anlaufvorgänge und große Lasten mit konstanten Drehmomentschwankungen.
Anforderungen an die Installationsumgebung
(1) Umgebungstemperatur: Die Umgebungstemperatur des Frequenzumrichters bezieht sich auf die Temperatur in der Nähe seines Querschnitts. Da Frequenzumrichter hauptsächlich aus Hochleistungselektronikbauteilen bestehen, die stark temperaturempfindlich sind, hängen ihre Lebensdauer und Zuverlässigkeit maßgeblich von der Temperatur ab, die üblicherweise zwischen -10 °C und +40 °C liegt. Zusätzlich müssen die Wärmeabfuhr des Frequenzumrichters selbst sowie mögliche extreme Umgebungsbedingungen berücksichtigt werden. Daher ist in der Regel ein gewisser Temperaturspielraum erforderlich.
(2) Umgebungsfeuchtigkeit: Der Frequenzumrichter benötigt eine relative Luftfeuchtigkeit von höchstens 90 % in seiner Umgebung (ohne Kondensation auf der Oberfläche).
(3) Vibrationen und Stöße: Bei der Installation und dem Betrieb des Frequenzumrichters ist darauf zu achten, Vibrationen und Stöße zu vermeiden. Dies gilt insbesondere, um Lötstellen und lose Teile interner Komponenten des Frequenzumrichters zu verhindern, die zu schlechtem elektrischem Kontakt oder sogar schwerwiegenden Fehlern wie Kurzschlüssen führen können. Daher ist es üblicherweise erforderlich, die Vibrationsbeschleunigung am Installationsort auf unter 0,6 g zu begrenzen. An geeigneten Stellen können erdbebensichere Maßnahmen wie stoßdämpfende Gummimatten angebracht werden.
(4) Installationsort: Der maximal zulässige Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung des Frequenzumrichters hängen von seiner Wärmeabfuhrkapazität ab. Bei Höhenlagen über 1000 m nimmt die Wärmeabfuhrkapazität des Frequenzumrichters ab, weshalb dieser in der Regel unterhalb von 1000 m installiert werden sollte.
(5) Die allgemeinen Anforderungen an den Aufstellungsort des Frequenzumrichters sind: keine Korrosion, keine brennbaren oder explosiven Gase oder Flüssigkeiten; staubfrei, frei von schwebenden Fasern und Metallpartikeln; direkte Sonneneinstrahlung vermeiden; keine elektromagnetischen Störungen.
Die Forschung zur Drehzahlregelung mit variabler Frequenz ist derzeit der aktivste und praxisrelevanteste Bereich der elektrischen Antriebstechnik. Das Potenzial der Frequenzumrichterindustrie ist enorm, da sie in Branchen wie Klimatechnik, Aufzugstechnik, Metallurgie und Maschinenbau weit verbreitet ist. Drehzahlregelmotoren und die dazugehörigen Frequenzumrichter werden sich rasant weiterentwickeln.