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Frequenzumrichter

Was ist ein Frequenzumrichter?

Frequenzumrichter sind elektronische Geräte, die aus einer Wechselspannung mit fester Frequenz (z.B. 50 Hz) eine Wechselspannung mit variabler Frequenz erzeugen. Sie werden i.d.R. zwischen das Versorgungsnetz und einen Elektromotor geschaltet, um dessen Drehzahl stufenlos und präzise zu regeln, sowie den Energieverbrauch zu optimieren. Zusätzlich kann der Frequenzumrichter die Drehrichtung steuern, z.B. beim Synchronmotor in der Aufzugtechnik.
Statische Frequenzumrichter werden unterschieden zwischen Direktumrichter ohne Zwischenkreis und Zwischenkreisumrichtern mit einem Gleichspannungs-Zwischenkreis.
Die Auswahl des Frequenzumrichters muss dem anzusteuernden Elektromotor (Synchron- oder Asynchronmotor) angepasst sein.

ZIEHL-ABEGG entwickelt und liefert optimal abgestimmte Frequenzumrichter für Ventilationssysteme, sowie Frequenzumrichter für Aufzugsantriebe.

Was macht ein Frequenzumrichter?

  • Frequenzumrichter wandeln feste Netzspannung, bzw. Frequenz in eine variable Netzspannung, bzw. Frequenz um
    Die Hauptaufgabe des Frequenzumrichters ist es, die Frequenz der vom Versorgungsnetz ankommenden Wechselspannung in eine variable Frequenz umzuwandeln, um die Drehzahl des angeschlossenen Motors zu variieren. Stromgeführte Frequenzumrichter sorgen dafür, dass das Verhältnis von Strom und Frequenz gleichbleibt; spannungsgeführte Modelle stabilisieren das Verhältnis von Spannung und Frequenz. In Mitteleuropa beträgt die Netzfrequenz 50 Hz.
     
  • Frequenzumrichter regeln Drehzahlen von Elektromotoren
    Frequenzumrichter wandeln die eingehende Wechselspannung erst in Gleichspannung um und dann wieder in (veränderte) Wechselspannung. Dadurch steht dem nachgeschalteten Motor ein stufenlos regelbarer Drehzahlbereich zwischen 0 und der Nenndrehzahl zur Verfügung, ohne Verluste beim Drehmoment. So erweitern Frequenzumrichter das Leistungs- und Einsatzspektrum von Drehstrommotoren, denen ohne Umrichter nur die Signale "An" und "Aus" zur Verfügung stünden, ohne veränderbare Drehzahl.
     
  • Frequenzumrichter erhöhen den Systemwirkungsgrad
    Wird beispielsweise ein Asynchronmotor von einem Frequenzumrichter angesteuert, wird durch die Regulierung des Drehzahlbereichs auch der Energieverbrauch des Elektromotors sowie auch seine Verlustleistung reduziert. Im Teillastbereich erhöht der Frequenzumrichter damit den Systemwirkungsgrad der Anlage. Das genaue Einsparungspotenzial ist abhängig vom Lastenprofil der Anwendung. Bestimmte Motorentypen (IEC2) dürfen in Europa aus Gründen der Energieeffizienz nur noch in Verbindung mit einem Frequenzumrichter betrieben werden.
     
  • Frequenzumrichter kommunizieren
    Je nach Modell oder Erweiterung durch Zusatzmodule lassen sich Frequenzumrichter in ein Netzwerk- oder Cloud-System integrieren und lückenlos überwachen, analysieren oder steuern. So können z.B. Leistungsverluste oder Ausfälle sofort erkannt und behoben oder jederzeit der optimale Betriebspunkt der Anwendung realisiert werden.

​ Die intelligente Cloud von ZIEHL-ABEGG ZAbluegalaxy ermöglicht in Echtzeit Diagnose, Fernwartung, Analyse und Steuerung von vernetzten Geräten.
 

Frequenzumrichter wandeln eine feste Frequenz um in eine variable

Aufbau und Funktion von Frequenzumrichtern

Im Grundaufbau enthalten Frequenzumrichter ausschließlich elektronische Bauteile, ohne mechanisch bewegliche Komponenten.

Frequenzumrichter sind aufgebaut aus den Hauptgruppen:

  • Gleichrichter
    Der Gleichrichter wandelt die eingangsseitige Wechselspannung in eine Gleichspannung um. Die elektrischen Komponenten dafür sind sog. ungesteuerte oder gesteuerte Brücken, etwa Schaltthyristoren oder Transistoren.
     
  • Zwischenkreis
    Der Zwischenkreis, der im Wesentlichen aus Kondensator und Spulen besteht, glättet die hereinkommende Gleichspannung und speist sie danach in den Wechselrichter ein. Je nach Anwendung (z. B. zur Steuerung mehrerer Ventilatoren im Parallelbetrieb) können auch mehrere Wechselrichter an den Zwischenkreis angeschlossen werden. Bestimmte Ausführungen von Frequenzumrichtern benötigen keinen Zwischenkreis. Sie erfordern eine lückenlose Energiezufuhr.
     
  • Wechselrichter
    Im Wechselrichter wird aus der Gleichspannung aus dem Zwischenkreis erneut Wechselspannung generiert, deren Frequenz zum angeschlossenen Motor, bzw. dessen gewünschtem Betriebspunkt passt. Neben der Ausgangsfrequenz ist auch die Höhe der Ausgangsspannung regelbar. Je nach Ausführung kann zusätzlich noch ein Sinusfilter verbaut sein, um eine optimale Sinusspannung zu erzeugen.
     
  • Regelungseinheit, bzw. Steuerkreis
    Der Steuerkreis besteht üblicherweise aus einer Steuerkarte oder einer Feldbusschnittstelle, über die verschiedene Informationen eingespeist werden können. Auf deren Basis führt der Steuerkreis verschiedene Berechnungen aus. Das dient vor allem zur Überwachung einzelner Bauteile und kritischer bzw. relevanter Parameter im System.

Durch die modulare Bauweise können Frequenzumrichter je nach Modellausführung und konkretem Bedarf der Anwendung mit Erweiterungsgruppen, wie z.B. Netzdrosseln, Filter, Signal- und Kommunikations- oder Bedienmodulen kombiniert werden. Mit Hilfe intelligenter Erweiterungsmodule können Frequenzumrichter in ein Netzwerk eingebunden und z.B. via Bluetooth angesteuert oder in einer Cloud analysiert, verwaltet, ausgelegt oder gesteuert werden.

Perfekt abgestimmt: ZIEHL-ABEGG entwickelt und produziert Frequenzumrichter für Lüftungssysteme und Frequenzumrichter für Aufzugstechnik!

Vorteile von Frequenzumrichtern

Je nach Anwendungsbereich und dessen speziellen Anforderungen kann der Einsatz von Frequenzumrichtern bedeutende Vorteile bringen, z.B.:

  • Energieeffizienz: Das Vorschalten eines Frequenzumrichters an einen Elektromotor kann Stromverbrauch und Verlustleistung im Teillastbereich deutlich senken, was den Systemwirkungsgrad einer Anlage erheblich steigern kann.
     
  • Reduktion der Geräuschentwicklung: Verglichen mit der Netzversorgung regeln Frequenzumrichter angeschlossene Elektromotoren ohne erhöhte Beanspruchung der Wicklungsisolation und der Motorenlager für einen schonenden und leisen Betrieb.
     
  • Optimaler Betriebspunkt: Durch die hochpräzise Regelbarkeit kann der optimale Betriebspunkt der Anwendung und damit das optimale Verhältnis zwischen Leistung und Energieeffizienz realisiert werden.
     
  • Digitales Monitoring, Analyse und Steuerung: Integriert in ein intelligentes Netzwerk, können Frequenzumrichter lückenlos digital analysiert, überwacht und gesteuert werden.
     
  • Modulare Bauweise: Frequenzumrichter können mit verschiedenen Zusatzmodulen und Schnittstellen ausgestattet und somit die Funktionen exakt an die Anforderungen der Anwendung angepasst werden.
     
  • Geringe Lebenszykluskosten: Die Anschaffungskosten machen nur einen relativ geringen Teil der Lebenszykluskosten aus. Durch z.B. Einsparungen im Energieverbrauch, Reduktion von Verschleiß oder Leistungsverlusten, relativieren sich die Kosten gemessen am Lebenszyklus.

Wie ändern Frequenzumrichter die Frequenz?

Im Wechselrichter wird aus der Gleichspannung aus dem Zwischenkreis erneut Wechselspannung generiert, deren Frequenz zum angeschlossenen Motor, bzw. dessen gewünschtem Betriebspunkt passt.
Aus einer stabilen Zwischenkreisspannung wird über gesteuerte Halbleiter (Insulated-Gate Bipolar Transistor (IGBT)), die gewünschte Wechselspannung erzeugt. Um die Wechselspannung zu erzeugen gibt es verschiedene Modulationsverfahren, wie z.B. die Pulsweitenmodulation (PWM-Modulation), welche die gängigste Art der Modulation ist. Mit einem pulsweiten modulierten Rechtecksignal können Signalformen mit typischerweise konstanter Frequenz erzeugt werden. Dadurch wird je nach Vorgabewert der Steuerung die Ausgangsfrequenz und Höhe der Motorspannung geregelt.
Je nach Ausführung kann zusätzlich noch ein Sinusfilter verbaut sein, um eine optimale Sinusspannung zu erzeugen.

Wo werden Frequenzumrichter eingesetzt?

Typische Anwendungsbereiche von Frequenzumrichtern wären z.B.:

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