Frequenzumrichter (FU) Frequenzumrichter sind unverzichtbare Komponenten in Motorsteuerungssystemen und werden häufig zur Regelung von Drehzahl, Drehmoment und Betrieb von Elektromotoren eingesetzt. Um das richtige System hinsichtlich Leistung, Effizienz und Anwendungsanforderungen auszuwählen, ist es wichtig, die Klassifizierung von Frequenzumrichtern zu verstehen. In diesem Blogbeitrag erläutern wir die verschiedenen Arten von Frequenzumrichtern und ihre jeweiligen Merkmale, damit Sie eine fundierte Entscheidung bei der Auswahl der optimalen Lösung für Ihre Motorsteuerungsanforderungen treffen können.

1. Klassifizierung von Frequenzumrichtern nach Frequenzumwandlungsmethode

(1) AC-DC-AC VFD

Der AC-DC-AC-Frequenzumrichter (auch indirekter Frequenzumrichter genannt) Das System wandelt den Wechselstrom aus dem Netz mittels eines Gleichrichters in Gleichstrom um. Dieser Gleichstrom wird anschließend durch einen Wechselrichter wieder in Wechselstrom umgewandelt, wodurch sowohl Frequenz als auch Spannung gesteuert werden können. Dieses Verfahren ist aufgrund seiner Vielseitigkeit bei der Steuerung eines breiten Spektrums an Motordrehzahlen und Spannungspegeln weit verbreitet. Das Grundprinzip ist in Abbildung 1-1 dargestellt.

Abbildung 1-1 AC-DC-AC-Frequenzumrichter

(2) AC-AC VFD

Der AC-AC VFD (direkter VFD) In bestimmten Situationen ist es effizienter, da es Wechselstrom direkt in Wechselstrom mit variabler Frequenz und Spannung umwandelt. Das Grundprinzip des AC/AC-Frequenzumrichters ist in Abbildung 1-2 dargestellt. Das System besteht aus zwei in Sperrrichtung parallelgeschalteten Thyristor-Gleichrichtergruppen. Die positiven und negativen Gruppen schalten periodisch um und erzeugen so eine wechselnde Ausgangsspannung uo an der Last.

Abbildung 1-2 AC-AC-Frequenzumrichter

Tabelle 1-1 Vergleich der Hauptmerkmale zwischen AC-AC-Frequenzumrichtern und AC-DC-AC-Frequenzumrichtern

2. Klassifizierung von Frequenzumrichtern nach Hauptstromkreisdesign

(1) Spannungsgesteuerter Frequenzumrichter

Der Hauptstromkreis eines spannungsgesteuerten Frequenzumrichters ist in Abbildung 1-3 dargestellt. Bei diesem Frequenzumrichtertyp gilt Folgendes: Die Gleichrichterschaltung erzeugt die für die Invertierung benötigte Gleichspannung.Nach der Filterung durch große Kondensatoren im Zwischenkreis wird das Ausgangssignal gewonnen. Dank des großen Kondensatorfilters ist die Gleichspannungswellenform relativ flach und kann im Idealfall als Spannungsquelle mit vernachlässigbarem Innenwiderstand betrachtet werden. Die Wechselspannungswellenform am Ausgang eines spannungsgesteuerten Frequenzumrichters ist typischerweise eine Rechteck- oder Treppenwellenform. allgemein in Frequenzumrichtern verwendet die keinen Rückwärtsgang oder schnelles Beschleunigen/Verzögern erfordernDie

Abbildung 1-3 Hauptschaltkreis eines spannungsgesteuerten Frequenzumrichters

(2) Stromgesteuerter Frequenzumrichter

Der Hauptstromkreis eines Frequenzumrichters vom Stromtyp ist in Abbildung 1-4 dargestellt. Seine Besonderheit ist die Verwendung großer Induktivitäten im Zwischenkreis zur FilterungDie Gleichstromwellenform ist aufgrund der Induktivität relativ flach. Daher ist die Innenimpedanz der Gleichstromquelle hoch und kann näherungsweise als Stromquelle betrachtet werden. Die Ausgangswechselstromwellenform ist typischerweise eine Rechteck- oder Treppenwellenform. Der Hauptvorteil von Strom-Frequenzumrichtern (VFDs) besteht darin, dass sie den Vierquadrantenbetrieb ermöglichen und somit eine Energierückführung zur Stromquelle erlauben. Sie sind außerdem bei Kurzschlüssen der Last einfacher zu handhaben. geeignet für häufig reversible oder großvolumige FrequenzumrichterDie

Abbildung 1-4 Hauptstromkreis eines stromgesteuerten Frequenzumrichters

Ein Vergleich der wichtigsten Merkmale von Frequenzumrichtern vom Strom- und Spannungstyp ist in Tabelle 1-2 dargestellt.

3. Klassifizierung von Frequenzumrichtern nach Spannungseinstellungsmethode

(1) PAM VFD (Pulsamplitudenmodulation)

Pulsamplitudenmodulation (PAM) ist eine Methode, die den Ausgang durch Variieren der Spannungsamplitude U anpasst._D oder Stromquelle I_D Bei dieser Methode passt der Wechselrichter lediglich die Ausgangsfrequenz an, während der Gleichrichter die Ausgangsspannung bzw. den Ausgangsstrom regelt. Bei Spannungsanpassung ergibt sich der in Abbildung 1-5 dargestellte Verlauf der Ausgangsspannung des Frequenzumrichters.
Der Hauptstromkreis eines PAM-gesteuerter Frequenzumrichter ist in Abbildung 1-5a dargestellt.

PAM wird in Frequenzumrichtern mit variabler Zwischenkreisspannung eingesetzt. Bei der Frequenzregelung wird die Frequenz der Ausgangsspannung durch Änderung des Arbeitszyklus des Wechselrichters angepasst. Während jedes Arbeitszyklus werden die Leistungsschalter mehrfach ein- und ausgeschaltet. Da die Schaltungsimplementierung von PAM relativ komplex ist und die gleichzeitige Steuerung von Gleichrichter und Wechselrichter erfordert, und da die mittlere Gleichspannung nach der Thyristorgleichrichtung nicht linear mit dem Phasenverschiebungswinkel korreliert, gestaltet sich die Koordination von Gleichrichtung und Invertierung schwierig. Aus diesen Gründen findet dieses Modulationsverfahren in der Regel keine Anwendung.

(2) PWM- und SPWM-Frequenzumrichter (Pulsweitenmodulation und Sinus-Pulsweitenmodulation)

Pulsweitenmodulation (PWM) erzeugt mehrere Impulse innerhalb eines Zyklus der Ausgangswellenform, wodurch eine sinusförmige Wellenform angenähert wird. Dies führt zu gleichmäßigere Ausgabe mit weniger ObertönenDer Hauptstromkreis eines PWM-gesteuerter Frequenzumrichter ist in Abbildung 1-5b dargestellt. PWM kann weiter unterteilt werden in PWM mit fester Pulsbreite und PWM mit Sinuswelle (SPWM).

Abbildung 1-5 PAM- und PWM-Steuerhauptschaltung mit Ausgangsspannungswellenform
a) PAM-Steuerhauptkreis b) PWM-Steuerhauptschaltung

4. Frequenzumrichter nach Steuerungsmethode klassifiziert

Wird ein Induktionsmotor mit einem Frequenzumrichter (FU) betrieben, kann dieser die Versorgungsspannung, den Strom und die Frequenz entsprechend den Motorkennlinien regeln. Leistung, Eigenschaften und Anwendungsbereiche von FUs variieren je nach verwendetem Regelungsverfahren. Daher lassen sich FUs auch anhand des Regelungsverfahrens klassifizieren.

(1) U/f-Steuerung VFD (VVVF-Steuerung)

Die U/f-Regelungsmethode, auch bekannt als VVVF-Steuerung (Variable Spannung, Variable Frequenz)beinhaltet die Kontrolle sowohl die Spannungs- als auch die Frequenzausgabe des Frequenzumrichters um ein konstantes U/f-VerhältnisDieses Verfahren ermöglicht ein konstantes Drehmoment unterhalb der Grundfrequenz und eine konstante Leistung oberhalb der Grundfrequenz. Die Kosten der Steuerschaltung von U/f-gesteuerten Frequenzumrichtern sind relativ gering, wodurch sie sich für allgemeine Frequenzumrichter mit weniger strengen Genauigkeitsanforderungen eignen.

(2) Schlupffrequenzregelungs-Frequenzumrichter

Die Schlupffrequenzregelung stellt eine Verbesserung gegenüber der U/f-Regelung dar. In Frequenzumrichtern mit diesem Verfahren bildet der Umrichter zusammen mit dem Motor und einem Drehzahlsensor einen geschlossenen Regelkreis mit Drehzahlrückführung. Die Ausgangsfrequenz des Umrichters wird automatisch anhand der tatsächlichen Motordrehzahl und der Schlupffrequenz eingestellt, wodurch das Ausgangsdrehmoment bei gleichzeitiger Drehzahlregelung gesteuert werden kann. Da es sich um eine Regelung im geschlossenen Regelkreis handelt, ermöglicht sie im Vergleich zur U/f-Regelung eine höhere Drehzahlgenauigkeit und ein besseres Drehmomentverhalten, selbst bei starken Laständerungen. Da dieses Regelungsverfahren jedoch einen am Motor installierten Drehzahlsensor erfordert und der Schlupf anhand der Motorkennlinie angepasst werden muss, ist seine Flexibilität relativ gering.

(3) Vektorgesteuerter Frequenzumrichter

Das Prinzip der Vektorregelung besteht darin, den Statorstrom eines Drehstrom-Induktionsmotors in zwei Komponenten zu zerlegen: den Magnetisierungsstrom (flusserzeugend) und den drehmomenterzeugenden Strom. Beide Komponenten werden separat geregelt. Die Vektorregelung verbessert das dynamische Verhalten deutlich und ermöglicht eine präzisere Drehmomentregelung, wodurch sie mit Drehzahlregelungssystemen für Gleichstrommotoren vergleichbar ist. Vektorsteuerungs-Frequenzumrichter werden in Präzisionssteuerungsanwendungen häufig eingesetzt.

5. Klassifizierung von Frequenzumrichtern nach Anwendung

(1) Universeller Frequenzumrichter

Universal-Frequenzumrichter Sie können die Drehzahl von Standard-Induktionsmotoren anpassen. Man kann sie in zwei Typen einteilen: kostengünstige, einfache Allzweck-Frequenzumrichter Und Hochleistungsfähige, multifunktionale Allzweck-FrequenzumrichterDie

Einfache Frequenzumrichter sind auf Energieeinsparung ausgelegt und werden hauptsächlich in Anwendungen wie Pumpen und Ventilatoren eingesetzt, bei denen die Anforderungen an die Drehzahlregelung nicht hoch sind. Sie bieten Vorteile wie kompakte Bauweise und geringere Kosten.

Hochleistungsfähige, multifunktionale Frequenzumrichter sind für vielfältige Anforderungen konzipiert und verfügen über fortschrittliche Hardware- und Softwarefunktionen. Sie eignen sich für Anwendungen wie Förderbänder, Hebezeuge, Werkzeugmaschinen und Elektrofahrzeuge, bei denen höhere Leistung und Funktionalität gefordert sind.

(2) Hochleistungsfähiger dedizierter Frequenzumrichter

Hochleistungsfähige, dedizierte Frequenzumrichter nutzen Vektorregelung und bieten eine Performance, die mit der von Drehzahlregelungssystemen für Gleichstrommotoren vergleichbar ist oder diese sogar übertrifft. Diese Frequenzumrichter sind typischerweise für spezifische Branchen wie die Metallurgie, CNC-Maschinen und Aufzüge konzipiert, in denen Leistung und Kosteneffizienz optimiert werden müssen.

(3) Hochfrequenz-Frequenzumrichter

Hochfrequenz-Frequenzumrichter werden zur Steuerung von Hochgeschwindigkeitsmotoren in Anwendungen eingesetzt, die höchste Präzision erfordern, wie beispielsweise in der High-End-Bearbeitung.

(4) Einphasen- und Dreiphasen-Frequenzumrichter

Schließlich sind Frequenzumrichter sowohl in einphasiger als auch in dreiphasiger Ausführung erhältlich, je nach Motortyp, den sie steuern sollen. Der Hauptunterschied liegt in der Schaltungskonstruktion: Dreiphasige Frequenzumrichter bieten eine höhere Effizienz für Anwendungen mit hoher Leistung.

Informationen zum Schaltungsaufbau und Funktionsprinzip von Frequenzumrichtern finden Sie unter [Link einfügen]. Grundlagen von Universal-Frequenzumrichtern: Aufbau und FunktionsprinzipDie

Abschluss:

Das Verständnis der verschiedenen Klassifizierungen und Eigenschaften von Frequenzumrichtern ist entscheidend für die Auswahl der richtigen Motorsteuerungslösung. Ob Sie einen kostengünstigen Frequenzumrichter für den allgemeinen Einsatz oder einen Hochleistungsantrieb für präzise Steuerung suchen – es gibt eine breite Palette an Frequenzumrichtern, die auf spezifische Anforderungen zugeschnitten sind. Durch die Berücksichtigung von Faktoren wie Frequenzumwandlungsverfahren, Spannungsregelungstechniken, Steuerungsmethoden und Anwendungsanforderungen können Sie eine fundierte Entscheidung treffen, die optimale Leistung und Energieeffizienz für Ihre Motorsysteme gewährleistet.