In verschiedenen Situationen kann es erforderlich sein, die Stromfrequenz der Quelle in eine Spannung mit einstellbarer Frequenz umzuwandeln. Dies ist z. B. erforderlich, wenn Asynchronmotoren betrieben werden, um ihre Drehzahl zu ändern. In diesem Artikel werden der Zweck und das Prinzip des Frequenzumrichters beschrieben.
Inhalt
Was ist ein Frequenzumrichter?
Ein Frequenzumrichter (FU) ist ein elektrisches Gerät, das einen einphasigen oder dreiphasigen Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz in einen ähnlichen Strom mit einer Frequenz von 1 bis 800 Hz umwandelt und stufenlos regelt. Diese Geräte werden häufig zur Steuerung des Betriebs verschiedener elektrischer Asynchronmaschinen verwendet, z. B. zur Änderung ihrer Drehzahl. Es gibt auch Geräte für den Einsatz in industriellen Hochspannungsnetzen.
Einfache Umrichter regeln Frequenz und Spannung nach einer U/f-Kennlinie, komplexe Geräte verwenden eine Vektorregelung.
Ein Frequenzumrichter ist ein technisch komplexes Gerät und besteht nicht nur aus einem Frequenzumrichter, sondern verfügt auch über einen Überstrom-, Überspannungs- und Kurzschlussschutz. Solche Geräte können auch eine Drossel zur Verbesserung der Wellenform und Filter zur Reduzierung verschiedener elektromagnetischer Störungen haben. Es wird zwischen elektronischen Wandlern und elektromechanischen Geräten unterschieden.
Funktionsprinzip eines Frequenzumrichters
Ein elektronischer Frequenzumrichter besteht aus mehreren Grundkomponenten: Gleichrichter, Filter, Mikroprozessor und Wechselrichter.
Der Gleichrichter hat ein Bündel von Dioden oder Thyristoren, die den Ausgangsstrom am Eingang des Wandlers gleichrichten. Diodenwechselrichter zeichnen sich durch die völlige Abwesenheit von Restwelligkeit aus und sind kostengünstige, aber zuverlässige Geräte. Umrichter auf Thyristorbasis ermöglichen den Stromfluss in beide Richtungen und ermöglichen die Rückspeisung elektrischer Energie in das Netz, wenn der Motor gebremst wird.
Filter wird in thyristorbasierten Geräten verwendet, um die Spannungswelligkeit zu verringern oder zu beseitigen. Die Glättung erfolgt mit kapazitiven oder induktiv-kapazitiven Filtern.
Der Mikroprozessor - ist die Steuer- und Auswerteeinheit des Wechselrichters. Er empfängt und wertet die Signale der Sensoren aus, wodurch das Ausgangssignal des Wechselrichters durch den integrierten PID-Regler geregelt werden kann. Diese Komponente erfasst und speichert auch Ereignisdaten, registriert und schützt das Gerät vor Überlastung, Kurzschluss, analysiert Betriebsbedingungen und schaltet sich im Notfall ab.
Wechselrichter Die Spannungs- und Stromregelung wird zur Steuerung elektrischer Maschinen eingesetzt, d. h. zur ständigen Anpassung der Stromfrequenz. Ein solches Gerät erzeugt einen "reinen Sinus" und kann daher in vielen industriellen Anwendungen eingesetzt werden.
Das Funktionsprinzip eines elektronischen Frequenzumrichters (Inverters) ist wie folgt:
- Der sinusförmige einphasige oder dreiphasige Eingangswechselstrom wird durch eine Diodenbrücke oder Thyristoren gleichgerichtet;
- Spezielle Filter (Kondensatoren) filtern das Signal, um die Spannungswelligkeit zu verringern oder zu beseitigen;
- Die Spannung wird mit Hilfe einer Mikroschaltung und einer Transistorbrücke in eine Dreiphasenwelle mit definierten Parametern umgewandelt;
- Am Ausgang des Wechselrichters werden Rechteckimpulse in eine sinusförmige Spannung mit definierten Parametern umgewandelt.
Arten von Frequenzumrichtern
Es gibt mehrere Arten von Frequenzumrichtern, die derzeit am häufigsten hergestellt und verwendet werden:
Elektro-Maschinen-Wandler (Elektro-Induktion): werden eingesetzt, wenn der Einsatz von elektronischen Frequenzumrichtern nicht möglich oder sinnvoll ist. Es handelt sich um Asynchronmotoren mit phasengewickelten Rotoren, die im Generator-Umrichter-Betrieb arbeiten.
Bei diesen Geräten handelt es sich um Skalarsteuerungswandler. Der Ausgang dieser Einheit erzeugt eine Spannung mit einer bestimmten Amplitude und Frequenz, um einen bestimmten magnetischen Fluss in den Statorwicklungen aufrechtzuerhalten. Sie werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen es nicht erforderlich ist, die Rotordrehzahl in Abhängigkeit von der Last zu halten (Pumpen, Ventilatoren und andere Geräte).
elektronische Konverter: unter allen Betriebsbedingungen für eine Vielzahl von Geräten eingesetzt. Diese Geräte sind vektorbasiert, sie berechnen automatisch die Wechselwirkung von Stator- und Rotormagnetfeldern und gewährleisten eine konstante Rotordrehzahl unabhängig von der Last.
- Cycloinverters;
- Cycloinverters;
- DC-Zwischenkreis-Wechselrichter:
- Stromquellen-Frequenzumrichter;
- Frequenzwandler einer Spannungsquelle (mit Amplituden- oder Pulsweitenmodulation).
In Bezug auf die Anwendung können die Geräte sein:
- Für Geräte bis zu 315 kW;
- Vektorumrichter für Leistungen bis zu 500 kW;
- explosionsgeschützte Geräte für den Einsatz in explosionsgefährdeten und staubigen Umgebungen;
- auf Elektromotoren montierte Frequenzumrichter;
Jede Art von Frequenzumrichter hat bestimmte Vor- und Nachteile und ist für unterschiedliche Geräte und Lasten sowie Betriebsbedingungen geeignet.
Der Frequenzumrichter kann manuell oder extern gesteuert werden. Die manuelle Steuerung erfolgt über das Bedienfeld des Frequenzumrichters, über das die Drehzahl eingestellt oder der Betrieb gestoppt werden kann. Die externe Steuerung erfolgt über automatische Kontrollsysteme (ACS), die alle Parameter des Geräts überwachen und die Umschaltung des Stromkreises oder der Betriebsart (über Frequenzumrichter oder Bypass) ermöglichen können. Durch die externe Steuerung kann der Wechselrichter auch für die Betriebsbedingungen, die Last und die Zeit programmiert werden, so dass der Wechselrichter im Automatikbetrieb arbeiten kann.
Wozu der Elektromotor einen Frequenzumrichter benötigt
Der Einsatz von Frequenzumrichtern senkt die Energiekosten und die Abschreibungskosten für Motoren und Geräte. Es ist möglich, sie für kostengünstige Käfigläufermotoren zu verwenden, was die Produktionskosten senkt.
Viele Elektromotoren sind häufig wechselnden Betriebsbedingungen ausgesetzt (häufige Starts und Stopps, wechselnde Lasten). Frequenzumrichter ermöglichen ein sanftes Anlaufen des Motors und reduzieren das maximale Anlaufmoment und die Erwärmung der Anlage. Dies ist z. B. bei Hebemaschinen wichtig und verringert die negativen Auswirkungen von plötzlichem Anfahren und ruckartigem Anhalten.
Mit Hilfe von Antriebsumrichtern ist es möglich, den Betrieb von Gebläsen und Pumpen reibungslos zu steuern und die Automatisierung von technologischen Prozessen zu ermöglichen (in Kesseln, Bergwerken, bei der Erdölförderung und in Raffinerien, in Wasserwerken und anderen Anlagen eingesetzt).
Der Einsatz von Frequenzumrichtern in Förderanlagen, Transportbändern und Aufzügen kann die Lebensdauer ihrer Komponenten verlängern, da er Rucke, Stöße und andere negative Faktoren beim An- und Abfahren der Anlage reduziert. Sie können die Motordrehzahl stufenlos erhöhen und verringern und eine Umkehrung durchführen, was für eine Vielzahl von hochpräzisen Industrieanlagen wichtig ist.
Vorteile von Frequenzumrichtern:
- Geringere Energiekosten: durch reduzierte Einschaltströme und lastabhängige Motorleistungsregelung;
- Erhöht die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der Geräte: Ermöglicht eine längere Lebensdauer und längere Wartungsintervalle;
- Ermöglicht die Einführung einer externen Steuerung und Verwaltung von Geräten über entfernte Computergeräte und die Fähigkeit, in Automatisierungssysteme integriert zu werden;
- Frequenzumrichter können jede Lastkapazität bewältigen (von einem Kilowatt bis zu mehreren zehn Megawatt);
- Das Vorhandensein spezieller Komponenten in Frequenzumrichtern kann vor Überlastungen, Phasenverlusten und Kurzschlüssen schützen sowie einen sicheren Betrieb und die Abschaltung der Geräte in Notfällen gewährleisten.
Wenn Sie sich diese Liste von Vorteilen ansehen, werden Sie sich natürlich fragen, warum sie nicht für alle Motoren in einer Anlage verwendet werden? Die Antwort liegt leider auf der Hand, aber es sind die hohen Kosten für Frequenzumrichter, ihre Installation und Inbetriebnahme. Nicht jedes Unternehmen kann sich diese Kosten leisten.
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