Der Lieferant der Frequenzumrichter-Bremseinheit weist darauf hin, dass sowohl Strom- als auch Spannungsumrichter zu den AC-DC-AC-Frequenzumrichtern gehören, die aus einem Gleichrichter und einem Wechselrichter bestehen.
Da Lasten im Allgemeinen induktiv sind, muss zwischen ihren Energiequellen Blindleistung übertragen werden. Daher sind im Zwischenkreis Komponenten zur Pufferung der Blindleistung erforderlich.
Wird ein großer Kondensator zur Pufferung der Blindleistung verwendet, handelt es sich um einen Frequenzumrichter vom Spannungsquellentyp; wird eine große Drossel zur Pufferung der Blindleistung verwendet, handelt es sich um einen Frequenzumrichter vom Stromquellentyp.
Der Unterschied zwischen spannungsgesteuerten und stromgesteuerten Frequenzumrichtern liegt lediglich in der Form des Zwischenkreisfilters. Dies führt jedoch zu erheblichen Leistungsunterschieden zwischen den beiden Frequenzumrichtertypen, wie die folgende Vergleichsliste zeigt:
1. Energiespeicherkomponenten: Spannungstyp Frequenzumrichter - Kondensator; Stromtyp - Drosselspule.
2. Eigenschaften der Ausgangswellenform: Die Spannungswellenform ist eine Rechteckwelle, die Stromwellenform annähernd eine Sinuswelle; der Stromfrequenzumrichter erzeugt eine Rechteckwellenform für den Strom und eine annähernd sinusförmige Spannung.
3. Die Merkmale des Schaltungsaufbaus umfassen eine Gleichstromversorgung mit Rückkopplungsdiode parallel zu einem Kondensator mit hoher Kapazität (niederohmige Spannungsquelle) als Spannungsquelle; die Gleichstromversorgung mit nicht rückgekoppelter Diode in Reihe mit einer großen Induktivität (hochohmige Stromquelle) ermöglicht den Betrieb des Motors in vier Quadranten.
4. Hinsichtlich der Eigenschaften erzeugt der Spannungstyp bei Kurzschluss der Last einen Überstrom, und Motoren im offenen Regelkreis können auch stabil laufen; der Stromtyp kann den Überstrom bei Kurzschluss der Last unterdrücken, und für einen instabilen Betrieb des Motors ist eine Rückkopplungsregelung erforderlich.
Stromquellenwechselrichter verwenden natürlich kommutierte Thyristoren als Leistungsschalter, die eine teure Induktivität auf der Gleichstromseite aufweisen und in der doppelt gespeisten Drehzahlregelung eingesetzt werden. Sie benötigen Kommutierungsschaltungen bei übersynchronen Drehzahlen und weisen bei niedrigen Schlupffrequenzen ein schlechtes Verhalten auf.
Strukturelle Merkmale des Frequenzumrichters
Der Zwischenkreis des aktuellen Frequenzumrichters ist nach der Verwendung induktiver Bauelemente benannt. Er bietet den Vorteil der Vierquadranten-Betriebsfähigkeit und ermöglicht die einfache Bremsfunktion des Motors. Nachteilig ist die erforderliche Zwangskommutierung der Umrichterbrücke sowie die komplexe Gerätestruktur, die die Justierung erschwert. Zudem sind die Oberschwingungen des Eingangsstroms aufgrund der netzseitigen Thyristor-Phasenschiebergleichrichtung relativ hoch, was bei großen Anlagenleistungen Auswirkungen auf das Stromnetz haben kann.
2. Der Spannungsfrequenzumrichter verdankt seinen Namen der Verwendung kapazitiver Bauteile im Zwischenkreis. Er ist charakteristisch dafür, dass er nicht in allen vier Quadranten betrieben werden kann. Zum Bremsen des Lastmotors ist ein separater Bremskreis erforderlich. Bei hohen Leistungen muss dem Ausgang ein Sinusfilter hinzugefügt werden.
3. Hochstrom-Frequenzumrichter nutzen GTO-, SCR- oder IGCT-Komponenten in Reihe, um eine direkte Hochspannungs-Frequenzumrichterung mit einer Spannung von bis zu 10 kV zu erreichen. Durch den Einsatz induktiver Komponenten im Zwischenkreis ist er unempfindlich gegenüber Stromschwankungen und somit weniger anfällig für Überstromfehler. Der Wechselrichter arbeitet zuverlässig und bietet einen guten Schutz. Eingangsseitig erfolgt die Gleichrichtung mittels Thyristoren mit Phasenanschnittsteuerung, wodurch relativ hohe Oberschwingungen im Eingangsstrom entstehen. Bei großen Umrichterleistungen müssen die Netzbelastung und mögliche Störungen elektronischer Kommunikationsgeräte berücksichtigt werden. Die Spannungsausgleichs- und Pufferschaltung ist technisch komplex und kostspielig. Aufgrund der hohen Bauteilanzahl und des großen Gerätevolumens sind Justierung und Wartung relativ aufwendig. Die Wechselrichterbrücke arbeitet mit Zwangskommutierung und erzeugt viel Wärme, weshalb die Wärmeableitung der Komponenten optimiert werden muss. Ein Vorteil ist die Fähigkeit zum Betrieb in allen vier Quadranten und zum Bremsbetrieb. Es ist zu beachten, dass bei diesem Frequenzumrichtertyp aufgrund des niedrigen Eingangsleistungsfaktors und der hohen Eingangs- und Ausgangsoberwellen der Einbau von Hochspannungs-Selbstheilungskondensatoren auf der Eingangs- und Ausgangsseite erforderlich ist.
4. Die Schaltung des Hochspannungsumrichters basiert auf der IGBT-Direktreihenschaltung, auch bekannt als Hochspannungsumrichter mit direkter Geräte-Serienschaltung. Er nutzt Hochspannungskondensatoren zur Filterung und Energiespeicherung im Zwischenkreis und liefert eine Ausgangsspannung von bis zu 6 kV. Vorteilhaft ist die Möglichkeit, niederspannungsfeste Leistungshalbleiter zu verwenden. Alle IGBTs im Reihenzweig haben die gleiche Funktion, was eine gegenseitige Absicherung oder redundante Auslegung ermöglicht. Nachteilig ist die relativ geringe Anzahl an Stufen (nur zwei) und die hohe Spannungsänderungsgeschwindigkeit (dV/dt) am Ausgang. Dies erfordert den Einsatz spezieller Motoren oder Hochspannungs-Sinusfilter, was die Kosten deutlich erhöht. Der Umrichter verfügt nicht über eine Vierquadranten-Funktion und benötigt zum Bremsen eine separate Bremseinheit. Zudem muss bei diesem Frequenzumrichtertyp das Problem des Spannungsausgleichs gelöst werden, was in der Regel spezielle Treiber- und Pufferschaltungen erfordert. Die Anforderungen an die Verzögerung der IGBT-Treiberschaltungen sind ebenfalls sehr hoch. Wenn die Ein- und Ausschaltzeiten von IGBTs nicht übereinstimmen oder die Anstiegs- und Abfallflanken zu unterschiedlich sind, wird dies zu Schäden an den Leistungsgeräten führen.
Es gibt viele Arten von Hochspannungswechselrichtern, und auch ihre Klassifizierungsmethoden sind vielfältig. Je nachdem, ob ein Gleichstromanteil im Zwischenglied vorhanden ist, lassen sie sich in AC/AC-Frequenzumrichter und AC-DC-AC-Frequenzumrichter unterteilen; nach den Eigenschaften der Gleichstromkomponente erfolgt eine Unterscheidung in Strom- und Spannungsumrichter.
Stromart Frequenzumrichter
Benannt nach der Verwendung induktiver Bauelemente im Zwischenkreis des Frequenzumrichters, bietet er den Vorteil der Vierquadranten-Betriebsfähigkeit und ermöglicht die einfache Bremsfunktion des Motors. Nachteilig ist die erforderliche Zwangskommutierung der Wechselrichterbrücke sowie die komplexe Gerätestruktur, die die Justierung erschwert. Zudem sind die Oberschwingungen des Eingangsstroms aufgrund der netzseitigen Thyristor-Phasenschiebergleichrichtung relativ hoch, was bei größeren Anlagenleistungen Auswirkungen auf das Stromnetz haben kann.
Spannungs-Frequenzumrichter
Benannt nach der Verwendung kapazitiver Bauteile im Zwischenkreis des Frequenzumrichters, zeichnet er sich dadurch aus, dass er nicht in allen vier Quadranten betrieben werden kann. Muss der Lastmotor gebremst werden, ist ein separater Bremskreis erforderlich. Bei hoher Leistung muss dem Ausgang ein Sinusfilter hinzugefügt werden.
1. Worin besteht der Unterschied zwischen Spannungs- und Stromtyp?
Der Hauptstromkreis eines Frequenzumrichters lässt sich grob in zwei Kategorien unterteilen: Spannungsumrichter sind Frequenzumrichter, die den Gleichstrom einer Spannungsquelle in Wechselstrom umwandeln, wobei die Filterung des Gleichstromkreises durch einen Kondensator erfolgt; Stromumrichter sind Frequenzumrichter, die den Gleichstrom einer Stromquelle in Wechselstrom umwandeln, wobei die Filterung des Gleichstromkreises durch eine Induktivität erfolgt.
2. Warum ändern sich Spannung und Stromstärke eines Frequenzumrichters proportional?
Das Drehmoment eines Asynchronmotors entsteht durch das Zusammenspiel von Magnetfluss und Rotorstrom. Bei Nennfrequenz und konstanter Spannung führt eine Frequenzreduzierung zu einem zu hohen Magnetfluss, Sättigung des Magnetkreises und im Extremfall zum Durchbrennen des Motors. Daher müssen Frequenz und Spannung proportional angepasst werden. Das heißt, bei Frequenzänderung muss die Ausgangsspannung des Frequenzumrichters so geregelt werden, dass ein bestimmter Magnetfluss im Motor aufrechterhalten und Schwachmagnetismus sowie magnetische Sättigung vermieden werden. Dieses Regelungsverfahren wird häufig bei energiesparenden Frequenzumrichtern in Ventilatoren und Pumpen eingesetzt.