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Frequenzumrichter

Wenn Sie ein Anfänger sind, der gerade erst etwas über Elektromotoren lernt, haben Sie den Begriff "VFD" wahrscheinlich schon oft gehört. Aber was ist ein VFD, wie funktioniert er, welche Arten von VFDs gibt es, was sind die Vor- und Nachteile von VFDs und welche Anwendungen gibt es im Zusammenhang mit VFDs - all das sind Grundlagen von VFDs, über die Sie vielleicht nicht viel wissen.


Was ist ein VFD?

Ein VFD oder Frequenzumrichter ist ein elektronisches Gerät, das zur Steuerung eines Wechselstrom-Induktions- oder Synchronmotors verwendet wird, indem es die Frequenz und Spannung der Stromversorgung zum Antrieb des Motors variiert. Obwohl der Frequenzumrichter die Frequenz und die dem Motor zugeführte Spannung steuert, spricht man in der Regel von einer Drehzahlregelung, da das Ergebnis eine Anpassung der Motordrehzahl ist. Andere Bezeichnungen für VFDs sind: einstellbarer Drehzahlantrieb, einstellbarer Frequenzantrieb, variabler Spannungs-/variabler Frequenzantrieb, AC-Antrieb, Mikroantrieb, Inverter, variabler Drehzahlantrieb.

Ein Frequenzumrichter ist ein Gerät zum Antrieb eines Systems, das aus drei Hauptteilsystemen besteht: dem Wechselstrommotor, dem Hauptantriebsregler und der Antriebs-/Bedienungsschnittstelle.

  • Ein Wechselstrommotor, in der Regel ein Dreiphasen-Induktionsmotor, manchmal aber auch ein Einphasen- oder Synchronmotor.
  • Ein Hauptantriebsregler, der ein leistungselektronisches Festkörper-Umwandlungssystem verwendet, das aus drei verschiedenen Teilsystemen besteht: einem Gleichrichter-Brückenwandler, einem Zwischenkreis und einem Wechselrichter.
  • Eine Überwachungs- und Steuerungsschnittstelle, die dem Bediener oder der SPS die Möglichkeit bietet, den Motor zu starten und zu stoppen, die Drehzahl einzustellen, die Richtung zu ändern usw. Die Schnittstelle liefert auch Informationen über den Betrieb des Motors, den Zustand des Antriebs usw. Die Kommunikation mit der SPS kann über eine Reihe von seriellen Kommunikationsprotokollen oder über die guten altmodischen Relaisein- und -ausgänge in Kombination mit 4-20mA- oder 0-10V-Analogsignalen erfolgen.


Wie funktioniert ein VFD?

Um die Funktionsweise eines VFD zu verstehen, erkläre ich die vier Hauptbestandteile eines VFD: den Gleichrichter, den Gleichstromzwischenkreis, den Wechselrichter und den Steuerkreis.

1. der Gleichrichter

Er wandelt den AC-Eingang aus dem Stromnetz in DC um. Dieses Teil kann unidirektional oder bidirektional sein, je nach Anwendung, wie z. B. der Vierquadrantenbetrieb eines Motors. Dabei werden Dioden, Thyristoren, Transistoren und andere elektronische Schaltgeräte verwendet.

2. der Gleichstromzwischenkreis

Der Zwischenkreis speichert die vom Gleichrichter umgewandelte Leistung, entfernt die Restwelligkeit aus dem pulsierenden Gleichstromausgang des Gleichrichters und liefert eine gleichmäßige Gleichspannung. Er besteht hauptsächlich aus Kondensatoren, die die Restwelligkeit des pulsierenden Gleichstroms filtern und speichern. Je nach Art der Welligkeit kann sie auch eine Drossel enthalten.

3. der Wechselrichter

Dieser Teil besteht aus elektronischen Schaltern, wie Transistoren, Thyristoren, IGBTs usw. Er empfängt einen konstanten Gleichstrom aus dem Zwischenkreis und wandelt ihn in einen Wechselstrom mit einstellbarer Frequenz um, der dann dem Motor zugeführt wird. Er nutzt Modulationsverfahren wie die Pulsweitenmodulation, um die Ausgangsfrequenz zu variieren und so die Drehzahl des Asynchronmotors zu steuern.

4. die Steuerschaltung

Er besteht aus einer Mikroprozessoreinheit. Er überträgt Signale an den Gleichrichter, den Zwischenkreis und den Wechselrichter und empfängt auch Signale von diesen Komponenten. Er verwendet diese Signale, um die Halbleiterbauelemente des Wechselrichters ein- und auszuschalten. Er liefert verschiedene Steuersignale zum Betrieb des Wechselrichters. Er überwacht den Betriebszustand des Wechselrichters und bietet Schutzfunktionen.


Typen von Frequenzumrichtern

Es gibt zwei Haupttypen von Frequenzumrichtern auf dem Markt: mechanische und elektrische.

Typen von mechanischen VFDs

1. variabler Pitch-Antrieb

Bei dieser Type von VFD handelt es sich um einen Riemen- und Scheibenantrieb, bei dem der Teilungsdurchmesser einer oder beider Scheiben entsprechend den spezifischen Anforderungen eingestellt werden kann. Dieser Mechanismus erzwingt einen Multiplikator, der letztlich zu einer variablen Ausgangsgeschwindigkeit führt.

2. der Fahrantrieb

Bei diesem VFD-Typ ist der Durchmesser der Kontaktbahn zwischen den beiden sich berührenden Metallrollen einstellbar, wodurch sich ein Übersetzungsverhältnis und somit eine variable Ausgangsdrehzahl ergibt.

3. hydrostatischer Antrieb

Diese Type von VFD besteht aus einer hydraulischen Verdrängerpumpe und einem Elektromotor. Die von der Pumpe geförderte Flüssigkeitsmenge wird mit Hilfe eines Ventils oder durch Veränderung des Verdrängungsvolumens variiert.

4.hydraulischer Hydroviskoantrieb

Bei dieser Type von VFD wird eine Anzahl von Scheiben auf der Eingangswelle gegen eine entsprechende Anzahl von Scheiben auf der Ausgangswelle gedrückt. Zwischen diesen Scheiben befindet sich ein dünner Ölfilm. Durch die Veränderung des Drucks auf die gepressten Scheiben kann die Drehmomentübertragung variiert und somit ein Betrieb mit variabler Drehzahl erreicht werden.

5. hydraulischer hydrodynamischer Antrieb oder Flüssigkeitskupplung

Bei dieser Type von VFD sind die beiden Laufräder durch Hydraulikflüssigkeit miteinander gekoppelt. Durch Variation des Flüssigkeitsvolumens kann der Grad der Kopplung von Primär- und Abtrieb variiert werden, was zu einer variablen Drehzahl führt. Er ist der in der Industrie am häufigsten verwendete mechanische VFD.

VFD an den Motor angeschlossen


Typen von elektrischen Antrieben

Wirbelstrom-Kopplung

Diese Type von VFD steht zwischen einem Motor mit fester Drehzahl und einer vom Motor angetriebenen Anwendung. Er besteht aus einem Rotor mit fester Drehzahl und einem Rotor mit variabler Drehzahl mit einem kleinen Luftspalt dazwischen. An einem der Rotoren befindet sich eine Erregerwicklung, die ein Magnetfeld erzeugt, das die Rotoren miteinander koppelt und das übertragene Drehmoment bestimmt.

DC-Antriebe

Es handelt sich um einen Gleichstromwandler, der die zugeführte Wechselspannung in eine Gleichspannung mit variabler Amplitude umwandelt und an die Ankerwicklungen des Gleichstrommotors liefert. Gleichstromantriebe verwenden in der Regel Thyristortechnologie und können in allen oben genannten Anwendungen außerhalb von Gefahrenbereichen eingesetzt werden.

AC-Antriebe

Es gibt drei Haupttypen von VFD, die alle den Wechselstromeingang in Gleichstrom umwandeln und dann den Gleichstrom mit Hilfe eines Wechselrichters in einen variablen Wechselstromausgang umwandeln.

  • Direkte Umwandlung:Zu diesem Typ gehören Zyklowandler und andere Matrixtopologien, bei denen der Eingangswechselstrom in einer Stufe in variablen Wechselstrom umgewandelt wird. Bei diesen VFDs handelt es sich meist um Zyklowandler, die Synchronmotoren mit bürsten- oder bürstenloser Erregung steuern. Diese VFDs werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen die Motordrehzahl niedrig und der Drehmomentbedarf hoch ist.
  • Stromquelle: Er verhält sich wie ein Konstantstromgenerator und erzeugt eine nahezu quadratische Stromwelle. Stromquellen-VFD, die zur Steuerung von Synchronmotoren verwendet werden, sind auch als LCI-VFD (Load Commutated Inverter) bekannt und verwenden in der Regel Thyristortechnologie.
  • Spannungsquelle: Bei einem VSI-Antrieb speichert der Gleichstromausgang eines Diodenbrückenwandlers Energie in einem Kondensatorbus, um eine steife Eingangsspannung für den Wechselrichter bereitzustellen.


Vorteile von VFDs

Einsparungen von Energie und Energiekosten

Motorensysteme verbrauchen heute mehr als 65 % des in der Industrie verbrauchten Stroms. Die Optimierung von Motorsteuerungssystemen mit VFDs kann den Energieverbrauch Ihrer Anlagen erheblich senken. Insbesondere bei Pumpen, Ventilatoren und Kompressoren können VFDs erhebliche Energiekosteneinsparungen erzielen.

Effiziente und reibungslose Kontrolle

Durch die Steuerung des Motors mit der effizientesten Geschwindigkeit können Fehler reduziert werden. VFDs ermöglichen eine sanftere Bewegung von Bändern und Förderbändern, wodurch ein Zittern beim Anfahren vermieden und die thermische und mechanische Belastung von Motor und Riemenantrieb verringert wird.

Hoher Leistungsfaktor

Die in den VFD-Gleichstromzwischenkreis eingebaute Blindstromkompensation reduziert den Bedarf an zusätzlichen Blindstromkompensationsgeräten. Dadurch werden zusätzliche teure Kondensatorbatterien überflüssig.

Ein typischer Wechselstrommotor kann einen Volllast-Leistungsfaktor zwischen 0,7 und 0,8 haben. Wenn die Belastung des Motors abnimmt, wird der Leistungsfaktor geringer. Insbesondere bei Leerlaufanwendungen haben Induktionsmotoren einen sehr niedrigen Leistungsfaktor. Niedrige Leistungsfaktoren führen zu einer geringen Leistungsausnutzung aufgrund hoher Blindleistungsverluste.

Längere Lebensdauer der Geräte und geringere Wartung

Dank der optimierten Steuerung von Motorfrequenz und -spannung bieten VFDs einen besseren Schutz Ihres Motors gegen elektrische Überlastungen, Phasenschutz, Unter- und Überspannung und mehr. Die Verwendung eines VFD zum Starten einer Last schützt den Motor oder die angetriebene Last vor dem "kurzzeitigen Schock" eines Querstarts. Durch das sanfte Anfahren wird der Verschleiß von Riemen, Zahnrädern und Lagern weitgehend vermieden. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass Wasserschläge durch sanfte Beschleunigungs- und Abbremszyklen reduziert oder eliminiert werden. Dies kann dazu beitragen, die Lebensdauer der Geräte zu verlängern und die wartungsbedingten Ausfallzeiten zu minimieren.

Nachteile von VFDs

  • Die Anschaffungskosten eines VFD sind in der Regel höher als die anderer drehzahlgeregelter Geräte.
  • Die Benutzeroberfläche eines VFD ist noch komplexer als die eines Querstromanlassers.
  • Induzierte Oberschwingungen:Antriebe mit variabler Drehzahl sind eine nichtlineare Last und können Oberschwingungen auf dem Stromnetz erzeugen. VFDs, insbesondere Antriebe mit hoher Leistung, benötigen Oberschwingungsfilter auf ihren Leitungen, damit diese Verzerrungen nicht auf potenziell empfindliche elektrische Geräte übertragen werden.

(Bildnachweis:gibbonsgroup.co.uk)


Anwendungen für VFDs

Es gibt eigentlich keine Anwendung, für die ein mit einem VFD betriebener Wechselstrommotor nicht geeignet ist. Wenn ein VFD viele Vorteile für eine bestimmte Anwendung bietet und die Kosten angemessen sind, dann ist eine VFD-Anwendung möglich.

Der Einsatz von VFDs in HLK-Lüfter- und Pumpenanwendungen kann Energie und Energiekosten einsparen, und in industriellen Anwendungen können das Motordrehmoment und die Drehzahlregelung verbessert und der Motorschutz erhöht werden.



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