Frequenzumrichter (FU) Frequenzumrichter spielen eine entscheidende Rolle in der modernen Industrieautomation, indem sie die Motordrehzahl steuern, die Energieeffizienz verbessern und einen flexiblen Betrieb ermöglichen. Unter den verschiedenen Arten von Frequenzumrichtern zeichnen sich Universal-Frequenzumrichter durch ihre Vielseitigkeit und ihre Eignung für eine breite Palette kleiner und mittelgroßer Motoren aus. In diesem Beitrag erläutern wir den grundlegenden Aufbau und das Funktionsprinzip eines Universal-Frequenzumrichters, um Ihnen ein besseres Verständnis seiner Funktionsweise und seiner Komponenten zu ermöglichen.

1. Grundstruktur eines universellen Frequenzumrichters

Ein universeller Frequenzumrichter ist ein vielseitiges Gerät, Kann mit nahezu allen kleinen und mittelgroßen AC-Asynchronmotoren verwendet werden. Obwohl es viele spezialisierte Frequenzumrichter gibt, basieren die meisten auf universellen Frequenzumrichtern mit zusätzlichen Funktionen. Das Verständnis der Funktionsweise universeller Frequenzumrichter erleichtert den Umgang mit anderen Frequenzumrichtertypen, da deren Installation, Betrieb und Wartung sehr ähnlich sind.

Ein universeller Frequenzumrichter besteht aus zwei Hauptkomponenten: dem Leistungskreis und dem Steuerkreis. Kleine und mittelgroße Frequenzumrichter verwenden typischerweise eine AC-DC-AC-Konfiguration, wie im Diagramm (Abbildung 1) dargestellt.

Abbildung 1. Blockdiagramm eines AC-DC-AC-Frequenzumrichters

(1) Stromkreis

Der Leistungsschaltkreis eines universellen Frequenzumrichters ist in Abbildung 2 dargestellt. Er umfasst leistungselektronische Komponenten, die die Leistungsumwandlung übernehmen, wie z. B. Gleichrichter, Filter, Strombegrenzung, Wechselrichter, Freilauf- und Bremskreise.

Abbildung 2. AC/DC-Frequenzumrichter-Hauptstromkreis

• Gleichrichterschaltung: Dieses Gerät wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um. In kleinen und mittleren Frequenzumrichtern wird häufig ein dreiphasiger Brückengleichrichter mit Dioden (VD1 bis VD6) oder Gleichrichtermodulen verwendet. Die Eingangsleistung wird über die Klemmen R, S, T (L1, L2, L3 oder A, B, C) zugeführt.
  Filterschaltung: Die Filterschaltung glättet die Gleichspannung mithilfe von Kondensatoren. Die Kondensatoren CF1 und CF2 sind zur Erhöhung der Gesamtkapazität geschaltet, während die Widerstände RC1 und RC2 die Spannung ausgleichen.
• Strombegrenzungsschaltung: Diese Schaltung begrenzt den Strom, um eine Überlastung zu verhindern. Sie enthält einen Widerstand (RS) und einen Schalter (S), wobei in kleineren Frequenzumrichtern ein Thyristor oder ein Relais verwendet wird.
  Wechselrichterschaltung: Der Wechselrichter, bestehend aus leistungselektronischen Bauteilen (VT1 bis VT6), wandelt den Gleichstrom in dreiphasigen Wechselstrom um. Dieser Wechselstrom wird dann dem Motor zugeführt.
• Freilaufstrecke: Dieser Stromkreis (VD7 bis VD12) trägt dazu bei, den Blindstrom des Motors in den Gleichstromkreis zurückzuspeisen. Wenn der Motor langsamer wird, ermöglicht dieser Stromkreis, dass die vom Motor zurückgewonnene Energie in den Gleichstromkreis zurückfließt.
• Bremskreislauf: Beim Abbremsen des Motors absorbiert der Bremskreislauf die Bremsenergie und wandelt sie in Wärme um. Dies trägt zu einem schnellen und effizienten Stillstand des Motors bei. Die Hauptkomponente (RB) absorbiert die Energie, und ein Leistungsschalter (VTB) schaltet den Bremskreislauf ein oder aus.

(2) Steuerschaltung

Der Steuerschaltkreis eines Frequenzumrichters ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3. Blockdiagramm des Frequenzumrichter-Steuerkreises

Die Steuerschaltung umfasst die Stromversorgungsplatine, die Hauptsteuerplatine, das Tastenfeld und die Eingangs-/Ausgangsklemmen.

• Netzteilplatine: Dadurch wird die Hauptsteuerplatine mit der notwendigen Energie versorgt und der Stromkreis angesteuert. Außerdem werden externe Steuerschaltungen mit Gleichstrom versorgt.
• Hauptsteuerplatine: Dies ist das „Gehirn“ des Frequenzumrichters. Es verarbeitet Eingaben vom Bedienfeld, externen Steuerschaltungen und internen Signalen (wie Spannung, Strom und Temperatur). Anschließend generiert es Steuersignale (SPWM) für den Wechselrichter. Die Hauptsteuerplatine verwaltet außerdem die Anzeigesignale, Schutzbefehle und sendet Statusmeldungen zum Frequenzumrichter (z. B. Normalbetrieb, Erreichen der Zielfrequenz, Fehlererkennung).
• Tastenfeld: Über das Tastenfeld kann der Benutzer Befehle oder Einstellungen in die Hauptsteuereinheit eingeben.
• Ein-/Ausgangsanschlüsse: Diese Anschlüsse verbinden den Frequenzumrichter mit externen Geräten wie Anzeigeeinheiten, Bedienelementen (z. B. Tasten, Schaltern, Drehknöpfen) und Kommunikationsschnittstellen. Über die Kommunikationsschnittstelle kann der Frequenzumrichter mit anderen Geräten, wie z. B. SPSen, interagieren und Informationen austauschen.

2. Funktionsprinzip eines Frequenzumrichters (FU)

Das Funktionsprinzip eines AC-DC-AC Typ VFD wird anhand des Blockdiagramms in Abbildung 1 erläutert.

Der dreiphasige Wechselstrom wird zunächst durch den Gleichrichter in pulsierenden Gleichstrom umgewandelt. Dieser Gleichstrom wird anschließend durch den Zwischenkreis gefiltert, um eine stabile Gleichstromversorgung für Wechselrichter und Steuerschaltung zu gewährleisten. Der gefilterte Gleichstrom wird dem Wechselrichter zugeführt, während die Steuerung Ansteuerimpulse erzeugt. Diese Impulse werden von der Ansteuerschaltung verstärkt und dem Wechselrichter zugeführt. Unter der Steuerung der Ansteuerimpulse wandelt der Wechselrichter den Gleichstrom in Wechselstrom mit variabler Frequenz um, der dann den Motor antreibt. Durch Anpassen der Frequenz des vom Wechselrichter ausgegebenen Wechselstroms ändert sich die Motordrehzahl entsprechend.

Da der Hauptstromkreis unter Hochspannungs- und HochstrombedingungenSchutz ist unerlässlich. Um den Stromkreis zu schützen, sind Frequenzumrichter mit Spannungs- und Stromüberwachungsschaltungen für den Hauptstromkreis ausgestattet. Bei zu hoher oder zu niedriger Spannung informiert die Spannungsüberwachungsschaltung die Steuerschaltung. Diese leitet daraufhin gemäß dem eingestellten Programm die entsprechenden Maßnahmen ein, wie beispielsweise das Abschalten des Hauptstromkreises und das Auslösen eines Alarms.

Überschreitet der Ausgangsstrom die zulässigen Grenzwerte (z. B. bei Überlastung des Motors), erzeugen die Strommesselemente bzw. -schaltungen ein Überstromsignal. Dieses Signal wird von der Stromerkennungsschaltung verarbeitet und anschließend an die Steuerschaltung weitergeleitet. Die Steuerschaltung leitet dann gemäß dem voreingestellten Programm die erforderlichen Maßnahmen ein.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Verständnis des Aufbaus und der Funktionsweise eines universellen Frequenzumrichters entscheidend für dessen maximale Effizienz und lange Lebensdauer ist. Die Kombination aus Leistungs- und Steuerschaltung ermöglicht es dem Frequenzumrichter, Wechselstrom effizient in Wechselstrom mit variabler Frequenz für die Motordrehzahlregelung umzuwandeln, während integrierte Schutzfunktionen einen sicheren Betrieb gewährleisten. Ob Sie die Motorleistung optimieren oder den Energieverbrauch senken möchten – ein universeller Frequenzumrichter ist eine flexible und zuverlässige Lösung für Ihre industriellen Anforderungen.