Die Miniaturisierung in der Elektronik half, kompaktere Anlagen zu bauen und eine Vielzahl neuer Funktionen im Sicherheits- und Steuerungsbereich bereitzustellen. Doch wie arbeitet ein Frequenzumrichter?

Seit der Einführung serienreifer Produkte hat sich der prinzipielle Aufbau eines Frequenzumrichters ebenso wenig verändert, wie seine primäre Aufgabe - die Anpassung der Drehzahl. Zwischen der Frequenz des speisenden Netzes und der Drehzahl des angeschlossenen Motors besteht ein direkter Zusammenhang. Die Idee hinter dem Frequenzumrichter ist nun, die Frequenz der Speisung zu variieren und damit die Drehzahl des Motors zu regeln. Damit eine solche Regelung funktionieren kann, muss der Umrichter neben der Frequenz auch die Höhe der Ausgangsspannung anpassen. Soll beispielsweise ein Motor, der für 400 V/50 Hz ausgelegt ist, mit 25 Hz betrieben werden, senkt der Umrichter auch die Spannung auf die Hälfte ab. Bei Geräten, die dieses sogenannte U/f-Verhältnis konstant halten, sprechen Fachleute von spannungsgeführten Umrichtern. Umrichter im größeren Megawattbereich halten das Strom-Frequenz-Verhältnis (I/f) konstant (stromgeführte Umrichter). Bis in den unteren Megawattbereich hinein sind heute spannungsgeführte Varianten Stand der Technik.

Der Gleichrichter übernimmt die Aufgabe, aus der Wechselspannung eine Gleichspannung zu generieren. Der sich anschließende Zwischenkreis stabilisiert und glättet die Gleichspannung. Für die notwendige Ausgangsfrequenz sorgt dann auf der Motorseite der Wechselrichter. Er erzeugt in Abhängigkeit von der geforderten Motordrehzahl das benötigte Spannungs-/Frequenzverhältnis.
Über all diesen Baugruppen sitzt die Steuerkarte, die über eine Feldbusschnittstelle oder Steuerklemmen die Vorgabe oder die notwendigen Informationen zur Berechnung der zu erzeugenden Drehzahl erhält. Daneben überwacht die Steuerkarte kritische Parameter und die Funktion der einzelnen Baugruppen, um im Fehlerfall eine entsprechende Warnmeldung auszugeben und den Frequenzumrichter vor einer vollständigen Zerstörung zu schützen.

Gleichrichter

Die Versorgungsspannung ist eine Ein- oder Dreiphasen-Wechselspannung mit fester Frequenz. Der Gleichrichter des Frequenzumrichters besteht entweder aus Dioden, Thyristoren oder einer Kombination dieser Halbleiter. Daher unterscheiden Fachleute zwischen ungesteuertem, halbgesteuertem oder vollgesteuertem Gleichrichter. Im kleineren Leistungsbereich kommen vor allem die ungesteuerten Typen zum Einsatz. Mit steigender Leistung (ab etwa 100 A) wechselt zum Schutz der Zwischenkreiskondensatoren die Technik zu halbgesteuerten Gleichrichtern. Wie bei einem Dimmer fahren sie die Ladespannung der Kondensatoren langsam hoch und begrenzen so den Ladestrom. Sollen Umrichter bei einem Generatorbetrieb des Motors Energie zurück ins Netz speisen, sind vollgesteuerte Gleichrichter notwendig.
Der ungesteuerte B2-Gleichrichter wandelt mittels Diodenschaltung eine Wechselspannung in eine pulsierende Gleichspannung. Auch bei einer Dreiphasen-Wechselspannung resultiert aus der Gleichrichtung eine pulsierende Gleichspannung. Die eine Gruppe besteht aus den Dioden D1, D3 und D5, die andere aus D2, D4 und D6. Jede Diode leitet 1⁄3 der Periodenzeit (120°). In beiden Gruppen lösen sie sich wechselweise ab. Perioden, in denen beide Gruppen leiten, sind zeitmäßig um 1⁄6 der Periodenzeit T (60°) zueinander verschoben. Die Diodengruppe D1, 3, 5 leitet die positive Spannung. Wenn die Spannung in Phase L1 den positiven Scheitelwert erreicht, nimmt die Klemme A den Wert von Phase L1 an. Über den beiden anderen Dioden liegen Sperrspannungen der Größen UL1-2 und UL2-3. Entsprechendes gilt für die Diodengruppe D2, 4, 6. Hier nimmt Klemme B die negative Spannung der Phasen an. Wenn zu einem Zeitpunkt L3 den negativen Scheitelwert erreicht, leitet die Diode D6. An den beiden anderen Dioden liegen Sperrspannungen der Größen UL3-1 und UL3-2. Die Ausgangsspannung des ungesteuerten Gleichrichters hat die Differenz der Spannungen der beiden Diodengruppen. Der Mittelwert der pulsierenden Gleichspannung ist 1,35 x Netzspannung.

Zwischenkreis mit konstanter Amplitude

Die Aufgabe des Zwischenkreises liegt in der Glättung der Gleichspannung und dem Ausgleich von Laststößen, beispielsweise bei Anlauf oder plötzlicher Laständerung. Er dient daher als eine Art Speicher, aus dem der Motor über den Wechselrichter seine Energie holen kann. Als Energiespeicher kommen in der Regel Elektrolytkondensatoren zum Einsatz, die gleichzeitig die pulsierende Gleichspannung glätten.
In der Praxis lassen sich im Leerlauf des Umrichters typischerweise Zwischenkreisspannungen von rund Wurzel 2 * Netzspannung messen. Bei belastetem Motor sinkt die Spannung ab, bei generatorischem Betrieb speist er elektrische Energie in den Zwischenkreis zurück, die Spannung steigt an. Erreicht die Zwischenkreisspannung einen kritischen Wert, schaltet der Umrichter den Motor frei und verhindert so seine Zerstörung.
Im Gegensatz zu einer rein ohmschen Last ist der Aufnahmestrom durch die kapazitive Glättung der Spannung nicht sinusförmig. Dies erzeugt sogenannte Netzrückwirkungen. Bei einem Drehstromnetz liegen diese Störungen in einen Frequenzbereich bis zu etwa 2 kHz. Als Gegenmaßnahme kommen zum Beispiel Drosseln zum Einsatz, die vor das Gerät oder direkt in den Zwischenkreis geschaltet werden. Der Vorteil von Drosseln im Zwischenkreis: Sie glätten den Ladestrom des Kondensators und verlängern dadurch seine Lebensdauer.
Zur Reduzierung von Netzrückwirkungen verringern einige Hersteller die Kapazität der Zwischenkreiskondensatoren oder verzichten ganz auf sie. Dies eliminiert die netzseitigen Störungen nicht, sondern verschiebt sie nur in andere Frequenzbereiche (bis etwa 10 kHz), die durch die derzeitigen Normen nicht betroffen sind. Durch die verringerte beziehungsweise fehlende Glättung der Gleichspannung entstehen aber Probleme. So steht nur eine reduzierte Motorspannung am Umrichterausgang zur Verfügung, was beim Voll-Lastbetrieb des Motors zu höheren Strömen für dieselbe Leistung führt. Eine größere Motorerwärmung ist die Folge.

Der Wechselrichter: Frequenz optimal anpassen

Der Wechselrichter ist das letzte Glied im Frequenzumrichter vor dem Motor. Er passt Ausgangsspannung und Ausgangsfrequenz an. Er hat die Aufgabe, die gleichgerichtete Netzspannung wieder in eine Wechselgröße zur Versorgung des Motors zu wandeln. Der Frequenzumrichter garantiert gute Betriebsbedingungen im gesamten Regelbereich durch die Anpassung der Ausgangsspannung und -frequenz an die aktuellen Belastungsbedingungen. Die kontinuierliche Regelung des U/f-Verhältnisses macht es möglich, den Motor immer optimal zu magnetisieren.
Die Hauptkomponenten des Wechselrichters sind sechs IGBT (früher Thyristoren oder Transistoren), die paarweise auf drei Zweigen angeordnet sind. Unabhängig vom eingesetzten Halbleitertyp ist die Funktion im Prinzip gleich. Die Halbleiter des Wechselrichters leiten und sperren die gleichgerichtete Zwischenkreisspannung je nach Ansteuerung von der Steuerkarte. Heute arbeiten Wechselrichter fast ausschließlich mit einer festen Zwischenkreisspannung. Sie variieren die Motorspannung dadurch, dass sie die Zwischenkreisspannung über längere oder kürzere Zeit auf die Motorwicklungen legen. Gleichzeitig verändern sie die Frequenz, indem sie die Spannungspulse der einen Halbperiode positiv und der anderen negativ in der Zeitachse kombinieren. Dieses Prinzip ändert somit die Breite der Spannungspulse und wird daher als Puls-Weiten-Modulation (PWM) bezeichnet.
Zur Berechnung der optimalen Schaltpunkte sind verschiedene Steuerverfahren im Einsatz, die sich in der Qualität der erreichbaren Motorkontrolle unterscheiden. Je besser die Kontrolle über den Motor, desto größer ist der Rechenaufwand im Prozessor. Einfache Verfahren sind beispielsweise nicht in der Lage, die volle Motorspannung zu erzeugen. Auch hier ist eine größere Motorerwärmung die Folge. Komplexere Steuerverfahren ermöglichen das Erreichen der vollen Motorspannung. Stark vereinfacht unterteilen Fachleute sie in ein Spannungsvektor- und ein Stromvektorverfahren. Das Spannungsvektorverfahren verwendet den Verlauf der Spannung in der Statorwicklung, das Stromvektorverfahren den Verlauf des Stroms im Rotor als Berechnungsgrundlage.

Steuerkarte sorgt für zuverlässigen Betrieb

Die Steuerkarte ist der vierte Hauptblock im Frequenzumrichter. Er hat folgende Hauptaufgaben:

• die Steuerung der Halbleiter des Frequenzumrichters,
• Datenaustausch zwischen Frequenzumrichter und der Peripherie,
• Störmeldungen erfassen und anzeigen und 
• Ausführung von Schutzfunktionen für Frequenzumrichter und Motor.

Mit leistungsfähigeren Prozessoren übernimmt der Umrichter mehr Funktionen, von integrierten PID-Reglern über Energiesparfunktionen bis hin zu SPS-Funktionalitäten. Die Hautaufgabe der Steuerkarte ist und bleibt die Ansteuerung des Motors. Bei Danfoss ist in allen Geräten das auf dem Spannungsvektor beruhende VVC+-Verfahren (englisch: Voltage Vector Control; abgekürzt: VVC) verfügbar. VVC+ steuert Amplitude und Frequenz des Spannungsvektors mit Last- und Schlupfkompensation. Der Winkel des Spannungsvektors wird in Abhängigkeit der eingestellten Motorfrequenz (Sollwert) sowie der Taktfrequenz festgelegt. Einige Eigenschaften dieses Verfahrens sind volle Motornennspannung bei Motornennfrequenz, Drehzahlverstellbereich: 1:25 ohne Rückführung, Drehzahlgenauigkeit: ±1% der Nenndrehzahl ohne Rückführung und robust gegen Lastsprünge.
Zusätzlich zu den Eigenschaften des VVC-Prinzip bietet dieses Steuerverfahren unter anderem folgendes:

• gute dynamische Eigenschaften im niedrigen Drehzahlbereich (0-10 Hz),
• optimale Motormagnetisierung,
• Drehzahlverstellbereich: 1:100 ohne Rückführung,
• Drehzahlgenauigkeit: ±0,5% der Nenndrehzahl ohne Rückführung,
• aktive Resonanzdämpfung,
• Drehmomentsteuerung,
• Betrieb in der Stromgrenze.

Autor

Michael Burghardt, Strategisches Produktmanagement, Danfoss GmbH