TuE_2013_03 - technik + EINKAUF

EINKAUFSFÜHRER FREQUENZUMRICHTER
TECHNIK-WIKI
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Bild: Fraunhofer-IISB
Grundlegendes
Frequenzumrichter regeln über
Frequenz und Amplitude des
Antriebsstroms stufenlos die
Drehzahl und das Drehmoment
von Drehstrommotoren. Ein Frequenz
umrichter besteht aus einem
Gleichrichter, einem Zwischenkreis,
einem Wechselrichter
und einem Regler.
Der Gleichrichter besteht aus Dioden,
Thyristoren oder einer Kombination
aus beiden. Für den Zwischenkreis
gibt es drei Prinzipien.
Beim spannungsgeführten Umrichter
kann der Zwischenkreis
aus einem Filter bestehen mit
Kondensator und Spule. Er sorgt
für eine konstante Spannung. Der
Wechselrichter ist aus unipolaren
(MOS), bipolaren (LTR) oder Insolated
Gate Bipolar Transistor
Integrierte Umrichter für Hybridantriebe
(IGBT) Transistoren aufgebaut
und sorgt für die benötigte Frequenz
der Ausgangsspannung
und leitet oder sperrt die Signale.
Damit kann der Frequenzumrichter
aus einer Wechselspannung
einen in Frequenz und Amplitude
veränderbaren Wechselstrom
zum Betreiben von Maschinen
und elektrischen Motoren
liefern. Versehen mit Sensoreingängen
können Frequenzumrichter
auch Zustandsparameter elektrischer
Anlagen erfassen.
Funktionsprinzip
Mit Frequenzumrichtern können
Elektromotoren stufenlos Drehzahlen
von fast null bis zur Eckdrehzahl
erreichen, ohne dass das
Drehmoment sinkt. Wird der Motor
oberhalb der Eckdrehfrequenz
betrieben, dann sinkt das abgegebene
Moment, denn die Betriebsspannung
kann nicht weiter
der erhöhten Frequenz angepasst
werden. Damit verbessert beziehungsweise
erweitert er das Anlauf-
und Drehzahlverhalten der
Motoren.
Bei Servoantrieben, wie sie in
Produktionsystemen und Automatisierungslösungen
arbeiten,
muss das Nennmoment auch
beim Anhalten sicher und ohne
zeitliche Begrenzung gehalten
werden, um einen sicheren Stopp
zu garantieren.
Schnittstellen
Frequenzumrichter besitzen analoge
und/oder digitale Ein- und
Ausgänge, können aber auch über
Feldbusse angesteuert werden.
Parametrierung
Über eine Parametrierung passt
man sie an den zugehörigen Motor
an. Die Parameter werden
meist über eine Tastatur oder einen
Touchscreen eingegeben.
Komplexere Umrichter bekommen
fertige Datensätze mittels
Chip-oder Flashkarten über die
Schnittstelle eingelesen. Es gibt
auch Umrichter, die die Antriebseigenschaften
des jeweiligen Motors
eigenständig messen und ihre
Regelparameter selbst einstellen.
Kostengünstige Umrichter wandeln
die beim Bremsen von Elektromotoren
entstehende elektrische
Energie in Wärme um.
Es gibt aber auch rückspeisefähige
Frequenzumrichter, die Energie
aus dem Zwischenkreis wieder
ins Netz zurückführen.
Regelung
Bei der einfachsten Regelung regelt
der Umrichter Motorspannung
und Frequenz in einem konstanten
Verhältnis, was ein über
weite Bereiche konstantes Drehmoment
liefert.
Low-cost Umrichter für Waschmaschinen
Bei der feldorientierten Regelung
nutzt der Umrichter ein Modell
des zugehörigen Motors mit
seinen Kennwerten oder die
Möglichkeit, diese Kennwerte
über einen digitalen Signalprozessor
oder Mikrocontroller aus
dem Motorstrom zu gewinnen
und zu adaptieren.
Typen
Es gibt eine dreistellige Zahl von
Umrichterherstellern und entsprechend
viele Varianten. Ihre
Leistung reicht von 50 W für einen
Kühlschrank bis zu mehreren
10 MW für Walzwerksantriebe. Sie
werden betrieben mit einphasigem
Strom oder 3-phasigem
Drehstrom. Es gibt sie als Standalone-Lösung
für die Schaltschrankmontage
oder angebaut
oder integriert in den jeweiligen
Motor. Die Größe variiert
von einer Zigarettenschachtel bis
zur Dimension mehrerer Schaltschränke.
Es gibt luft- und wassergekühlte
Systeme, wobei luftgekühlte dominieren,
es gibt low cost Umrichter
für Lüfter und hochpräzise
Servoumrichter etwa für Druckoder
Werkzeugmaschinen. Eine
schlüssige Aufteilung nach
Haupttypen ist nicht möglich.
Zukunft
Die Technik ist sehr ausgereift,
aber es gibt Entwicklungstrends:
■ Kosten senken
■ Den Umrichter zum Motor
bringen und sich den Kabelsalat
und die teuren Sinusfilter in
Schaltschränken sparen.
■ Übergang von der Luft- zur
Wasserkühlung. Warum heute die
Luftkühlung dominiert, ist nicht
rational begründbar, denn Lüfter
machen Krach, sind anfällig und
die heiße Abluft braucht nochmals
Klimatechnik. Wasserkühlung
ist nicht nur energetisch effizienter,
die Antriebe werden auch
erheblich leiser und kompakter.
■ Die größere Betriebstemperatur
in Motornähe benötigt eine
andere Aufbau- und Verbindungstechnik
der Leistungshalbleiter.
Hier hofft man auf Fortschritte
bei der Entwicklung der
Hybridautos und die Möglichkeit,
davon zu profitieren.
Stufenlos regelnde Frequenzumrichter
■ Übergang von klassischer Silizium-Elektronik
zur Siliziumkarbid-
Elektronik. Hier fehlt leider noch
die nötige Aufbau- und Verbindungstechnik,
denn heutige Lötund
Bondverbindungen vertragen
nur Temperaturen bis 175 °C, aber
SiC könnte theoretisch im Bereich
300 – 500 °C betrieben werden.
Hier kann man noch nicht zuverlässig
kontaktieren da die auftretenden
thermomechanischen
Spannungen die Verbindungen
mürbe machen. Ein Lösungsansatz
wäre, statt Löten und Bonden
das Problem mit Silber-Sintern in
den Griff zu bekommen.
03/2013 19