Anbieter von Wechselrichter-Energierückführungsgeräten weisen darauf hin, dass mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technik der Fokus zunehmend auf Energieeinsparung gerichtet ist. Die Schwächen herkömmlicher Gleichstromantriebe zeigen sich immer deutlicher und genügen den heutigen Anforderungen nicht mehr. Der Kommutator schränkt Wartung und Einsatz von Gleichstrommotoren ein. Daher begann man, die Anwendung der Wechselstrom-Drehzahlregelung zu erforschen. Erst in den 1970er-Jahren, als die rasante Entwicklung der Elektronik, insbesondere der Steuerungstechnik und Mikroelektronik, die Gleichstrom-Drehzahlregelung schrittweise durch die Wechselstrom-Drehzahlregelung ersetzte, wurden Frequenzumrichter entwickelt.
1. Zum Frequenzumrichter
Die ursprüngliche Funktion von Frequenzumrichtern war die Drehzahlregelung. Mit der technologischen Entwicklung konzentriert sich ihre Anwendung in China jedoch heute hauptsächlich auf die Energieeinsparung, insbesondere im Bereich der Elektrotechnik. In China herrscht Energieknappheit, und aufgrund technologischer Herausforderungen ist die Energieausnutzung gering. Strom ist als saubere Energiequelle extrem knapp. Im Vergleich zum Gesamtenergieverbrauch macht der energiesparende Betrieb nur einen kleinen Teil aus. In China gibt es jedoch eine Vielzahl von Motoren mit Energiesparpotenzial, und energiesparende Anwendungen bieten vielversprechende Perspektiven und sind ein notwendiger Trend, der die Entwicklung der Frequenzumrichtertechnologie maßgeblich fördert.
2. Zu den Obertönen
Frequenzwellen stellen das größte Problem beim Betrieb von Frequenzumrichtern dar. Dank der Entwicklung elektronischer Technologien verfügen gängige Frequenzumrichter heute über Filterfunktionen, die durch geeignete Software- und Hardware-Designs realisiert werden. Nach der Verarbeitung können die meisten Oberwellen effektiv unterdrückt und herausgefiltert werden, wodurch die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) elektrischer Produkte gewährleistet wird. Allerdings sind die elektronischen Geräte und Instrumente mancher Unternehmen relativ alt und reagieren daher besonders empfindlich auf bestimmte Oberwellen. In Kombination mit Frequenzumrichtern kann es zu Funktionsstörungen kommen. Hauptgrund hierfür sind die nichtlinearen Komponenten der Gleichrichter- und Wechselrichterteile des Frequenzumrichters, die Änderungen in der Stromversorgung verursachen. Dies führt zu Oberwellenstörungen und beeinträchtigt die Frequenzumwandlung. Die wichtigste Lösung ist die Verwendung geschirmter Kabel für den Ausgang. Eine einseitige Erdung verhindert Störungen effektiv. Durch das Hinzufügen von Filtern im Ein- und Ausgangsbereich lässt sich die Amplitude niederfrequenter Oberwellen deutlich reduzieren und Energie sparen. Für die Signalübertragung, insbesondere von analogen Signalen, werden in der Regel verdrillte, geschirmte Leitungen mit einseitiger Erdung verwendet, um externe Störungen wirksam zu verhindern. Die derzeit in Frequenzumrichtern eingesetzte SPWM-Regelungsmethode wirkt sich positiv auf die Regulierung von Oberwellenanteilen und die Kontrolle von Verzerrungsfaktoren aus. Daher besteht hinsichtlich der Störfestigkeit von PWM-Frequenzumrichtern im Vergleich zu SPWM-geregelten Frequenzumrichtern ein deutlicher Unterschied.
3. Anwendung von Frequenzumrichtern in der industriellen Produktion
3.1 Anwendung von Frequenzumrichtern bei Pumpenlasten in Industriemaschinen und -anlagen
Frequenzumrichter finden in industriellen Maschinen und Anlagen mit Pumpenlasten weite Verbreitung, da sie über eine leistungsstarke Drehzahlregelung verfügen. Diese nutzt die Statorfrequenz des Motors, um die Motordrehzahl entsprechend anzupassen und so die Betriebsbedingungen der Pumpenlast zu verändern. Dadurch kann die Anlage die Produktionsanforderungen besser erfüllen. Bei signifikanten Laständerungen von Maschinen und Pumpen in der industriellen Produktion ermöglicht die Frequenzumrichtersteuerung die Anpassung der Pumpenlast an die Produktionsprozessbedingungen. Dies führt zu optimalen Energieeinsparungen, einer Steigerung des Produktionsniveaus, einer Beschleunigung der industriellen Automatisierung, einer Verlängerung der Anlagenlebensdauer, einer Verbesserung der Produktqualität, einer Erhöhung der Produktionseffizienz und somit zu höheren wirtschaftlichen Erträgen für Unternehmen.
3.2 Anwendung von Frequenzumrichtern bei der Lüfterlast von Industriemaschinen
Ventilatoren werden hauptsächlich in Kühl-, Kessel-, Trocknungs- und Abgasanlagen der industriellen Produktion eingesetzt. Im Produktionsprozess werden Faktoren wie Luftvolumen und Temperatur, die die Produktion beeinflussen, gesteuert, um optimale Produktionsbedingungen und Arbeitsbedingungen zu gewährleisten. Bisher wurde häufig der Öffnungsgrad des Luftauslasses und der Luftleitbleche angepasst. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass der Ventilator unabhängig vom Produktionsprozess und den Betriebsbedingungen stets mit konstanter Drehzahl läuft. Dadurch werden die Anforderungen des Produktionsprozesses und der Betriebsbedingungen nicht präzise erfüllt, Energie verschwendet, Anlagen und Material verbraucht, die Produktionsgewinne reduziert und die Lebensdauer der Anlagen verkürzt. Beispielsweise verwenden Chemiefaserwerke, Stahlwerke und Zementwerke Ventilatoren. Würde man den Luftauslass zur Änderung des Luftvolumens nutzen, liefe der Motor stets unter Volllast, während die Öffnung der Luftleitklappe nur zwischen 50 % und 80 % läge – eine ineffiziente Vorgehensweise. Die Frequenzumrichtertechnologie wird in der Lüfterlast eingesetzt. Durch ihre stufenlose Drehzahlregelung kann der Drehzahlbereich des Lüfters erweitert, seine Zuverlässigkeit erhöht, die Planung vereinfacht und optimale Bedingungen für Produktionsprozesse und Arbeitsbedingungen geschaffen werden.
3.3 Anwendung von Frequenzumrichtern zur Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung
In Bereichen mit im Allgemeinen konstanter Motorlast, wie beispielsweise Textil- und Stahlwerken, arbeitet der Motor üblicherweise mit einer bestimmten Leistung. Die Leistungsfähigkeit von Frequenzumrichtern, wie sanftes Beschleunigen und Verzögern, präzise Drehmomentregelung und hohe Betriebsstabilität, ist hier schwer durch andere Geräte zu ersetzen, weshalb sie sich gut eignen. In solchen Betrieben tragen Frequenzumrichter jedoch nicht nur nicht zur Energieeinsparung bei, sondern verteuern aufgrund ihrer hohen Kosten und ihres hohen Energieverbrauchs sogar das Gesamtsystem und erhöhen dessen Energieverbrauch. Im Gegensatz dazu sind die energiesparenden und verbrauchsreduzierenden Eigenschaften bei Anwendungen wie Ventilatoren und Pumpen besonders wichtig. Hier ändert sich die Stromlast häufig. Der Parallelbetrieb mehrerer Motoren würde die Anlagenkosten deutlich erhöhen. Die bisherige Drehzahlregelung ist zudem nicht zielführend für die Produktionsautomatisierung. Aus diesem Grund haben einige Hersteller spezielle Frequenzumrichter für diese Anwendung entwickelt. Diese Frequenzumrichter bieten keine hochpräzise Drehzahlregelung und Drehmomentsteuerung, wodurch ihre Produktionskosten jedoch sehr niedrig sind.
4. Auswahl des Frequenzumrichters
Dank der Weiterentwicklung der Frequenzumrichtertechnologie sind heute zahlreiche Marken und Daten von Frequenzumrichtern auf dem Markt erhältlich. Zu den wichtigsten Regelungsverfahren zählen die Flachdruckregelung (U/F=K-Technologie), die Vektorregelung (auch bekannt als VECTOR-Technologie) und die Direktmomentregelung (DTC). Unternehmen können Frequenzumrichter je nach Bedarf auswählen, um die Regelungsanforderungen verschiedener Anlagen zu erfüllen. Dies gilt insbesondere für den Einsatz in Maschinen mit variablen Drehmomentlasten, wodurch sich höhere Energieeinsparungen erzielen lassen. Die Kapazitätsauswahl für Frequenzumrichter sollte auf Basis des tatsächlichen Laststroms erfolgen. Alternativ kann je nach Bedarf ein Frequenzumrichter mit integriertem PID-Regler für die Konfigurationsregelung gewählt werden. Viele Frequenzumrichter verfügen heutzutage über Busschnittstellen. Im Produktionsprozess fungieren sie als Netzwerkknoten und verbinden sich mit anderen Kommunikationsgeräten. Dies steigert die Effizienz, ermöglicht Energieeinsparungen und fördert eine höhere Regelungsgenauigkeit und intelligentere Steuerung. Die Feldbustechnologie ist eine fortschrittliche Automatisierungstechnologie, die Computersteuerungs-, Kommunikations- und Automatisierungstechnik integriert. Daher ermöglicht es die multifunktionale Übertragung mehrerer Signalparameter über ein einziges Drahtpaar und die Stromversorgung mehrerer Geräte, was nicht nur Strom spart, sondern auch Kosten.
Die energiesparenden Eigenschaften von Frequenzumrichtern haben breite Aufmerksamkeit in der Gesellschaft erregt und finden in verschiedenen Bereichen Anwendung. Marktgängige Frequenzumrichter werden hauptsächlich zur Drehzahlregelung von Wechselstrommotoren eingesetzt und gelten derzeit als die vielversprechendste Lösung in diesem Anwendungsgebiet. Darüber hinaus bieten Frequenzumrichter Energieeinsparungen, die in der industriellen Entwicklung und im Hinblick auf den Energieverbrauch unbedingt beachtet werden müssen und eine notwendige Voraussetzung für die nachhaltige Entwicklung von Unternehmen darstellen. Aufgrund ihrer Energieeinsparung und der Technologie zur Drehzahlregelung haben sich Frequenzumrichter zu beliebten Automatisierungskomponenten entwickelt und werden daher häufig eingesetzt. Die Zukunftsaussichten für Frequenzumrichter sind vielversprechend. Sie können in einem breiteren Anwendungsbereich eingesetzt werden und so einen größeren Beitrag zur Reduzierung des Energieverbrauchs und zur Steigerung der Effizienz von Unternehmen leisten. Die Anwendung von Frequenzumrichtern bietet ein sehr breites Entwicklungspotenzial.