Die Frequenzumrichter (VFD) sind Geräte, die die Regelung von Asynchronmotoren durch Änderung der Frequenz der Ausgangsspannung ermöglichen. Diese Geräte werden je nach Anwendung parametriert: Lüfter, Industrieabzüge und Dunstabzugshauben, Förderbänder, Pumpen, Mischer, Sägen, Rüttler, Gebläse, Industrietrockner, Werbetafeln usw. Sie sind unter der englischen Abkürzung VFD (Variable Frequency Drives) bekannt.
Ein Frequenzumrichter erhält seine Energie aus dem Wechselstromnetz der Anlage und wandelt sie über einen Brückengleichrichter in Gleichstrom um. Über einen Filter glättet der Umrichter den Gleichstrom, um ein saubereres Signal zu erhalten, und wandelt ihn danach wieder in einen Wechselstrom um, dessen Frequenz und Amplitude vom Umrichter gesteuert wird. Das Gerät verwendet Halbleiter, die schnell zwischen Leitungs- und Sperrzustand umschalten, um eine kontrollierte Ausgangswellenform zu erzeugen.
In einer letzten Stufe passt der VFD die Frequenz des Ausgangssignals an, um die Drehzahl des Motors zu steuern. Je höher die Frequenz, desto höher die Motordrehzahl. Der VFD kann auch einen Steuerschaltkreis enthalten, der die Ausgangsfrequenz entsprechend dem Drehzahlbedarf des Motors anpasst. Dies kann durch eine Rückmeldung der Motordrehzahl über Sensoren oder durch die Programmierung vordefinierter Parameter erfolgen.
Die Frequenzumrichter verringern den mechanischen Verschleiß und verlängern die Lebensdauer der Geräte, da das Starten und Abstellen des Motors auf eine sanfte Art erfolgt. Die Präzision der Steuerung von Drehzahl, Drehrichtung und Drehmoment wird erhöht, und die Prozesse werden verbessert, automatisiert und in komplexe Managementsysteme oder industrielle Prozesse integriert.
In einem Induktionsmotor sind Magnetfluss und Drehmoment durch den im Stator fließenden elektrischen Strom eng miteinander verbunden. Bei der herkömmlichen Steuerung wirkt sich die Einstellung eines dieser Elemente auf das andere aus, was bei bestimmten Anwendungen unerwünscht sein kann. Die Vektorregelung überwindet diese Einschränkung durch den Einsatz von Regelalgorithmen und entkoppelt so den Magnetfluss vom Motordrehmoment. Dies wird erreicht, indem die Statorphasenströme in zwei orthogonale Komponenten umgewandelt werden: eine steuert den magnetischen Fluss und die andere das Motordrehmoment.
Die Wahl eines Umrichters hängt im Wesentlichen von den Parametern des Typs und der Leistung des Motors ab, an den er angeschlossen werden soll.
Der Elektromotor besteht aus zwei Hauptteilen, dem Stator und dem Rotor. Der Stator ist statisch und umgibt den Rotor. Seine Aufgabe ist es, Strom aufzunehmen und ein elektromagnetisches Drehfeld zu erzeugen, dem der Rotor folgt. Je nachdem, wie dieses Feld den Rotor antreibt, gibt es zwei Arten von Motoren.
Das elektromagnetische Feld und der Rotor drehen sich synchron, d. h. sie funktionieren mit einer konstanten Geschwindigkeit, die mit der Frequenz des Versorgungsstroms übereinstimmt. Sie sind effiziente Motoren mit konstanter Last und werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine konstante Drehzahl unter verschiedenen Lastbedingungen erforderlich ist.
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Das elektromagnetische Feld ist schneller als der Rotor, so dass die Drehzahl mit der Last variiert und nicht proportional zur Netzfrequenz ist. Sie sind robuster und preiswerter als Synchronmotoren und werden aufgrund ihrer Einfachheit und Langlebigkeit häufig in der Industrie eingesetzt. Mit einem Frequenzumrichter lassen sich ihre Drehzahlregelung und ihr Wirkungsgrad erheblich verbessern.
Im Spannungs-Frequenz-Steuerbetrieb ist die Ausgangsspannung immer proportional zur Frequenz, da dadurch der magnetische Fluss im Motor konstant gehalten wird. Aus diesem Grund kann das Motordrehmoment bei jeder gewählten Drehzahl beibehalten werden. Eine Ausnahme besteht während des Starts, bei dem der Umrichter eine höhere Ausgangsspannung liefert, um die Reibung zu überwinden. Diese Funktion wird als Boost bezeichnet.
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Bei der Vektorsteuerung werden Größe und Phase der Ströme, die den Motor speisen, unabhängig voneinander beeinflusst, so dass Drehzahl und Drehmoment unabhängig voneinander gesteuert werden können. Dies wird durch die Schätzung und Steuerung des Stroms und des magnetischen Flusses im Motor erreicht.
Die VFC werden häufig mit Adaptern zur Montage am Flansch ausgestattet, die in staubigen Umgebungen Schutz bieten, indem sie die Elektronik in einem sauberen Raum halten, während der Kühler zur Wärmeableitung der Umgebung ausgesetzt ist. Die zusätzliche Konsolen ermöglichen die Fernsteuerung und das Kopieren von Parametern der Umrichter.
Und um Interferenzen und Störungen zu vermeiden, da die Netzcharakteristiken von Fall zu Fall sehr unterschiedlich sind, können VFD einige Zusatzgeräte erfordern. Die Ausgangsferrite reduzieren Spannungsspitzen und die vorzeitige Alterung des Motors und werden für Installationen mit Kabeln zwischen 50 und 100 Metern empfohlen. Die Sinusfilter wandeln die Wellenform in reine Sinuskurven um und beseitigen Probleme, die durch die Kommutierung der IGBT (zweipolige Transistoren mit isoliertem Gate) verursacht werden, und Netzinduktivitäten reduzieren Oberwellen und schützen vor Überspannungen und Mikrounterbrechungen.
Damit können die Umrichter an einen PC angeschlossen, konfiguriert und überwacht werden, was die Inbetriebnahme und Wartung erleichtert.
- Import und Export von Parametrierungsdateien der Umrichter.
- Anzeige und Änderung von Parametern.
- Schneller Vergleich zwischen programmierten und voreingestellten Parametern.
- Oszilloskop mit bis zu 10 Kanälen, mit Datenspeicherung, Datenexport, etc.
- Mehrfachüberwachung: Ein PC kann mehrere Umrichter gleichzeitig überwachen.
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