Haben Sie sich jemals gefragt, wie Frequenzumrichter funktionieren und warum sie in modernen elektrischen Systemen unverzichtbar sind? Dieser Artikel geht auf 40 häufig gestellte Fragen zu Frequenzumrichtern ein und beleuchtet ihre Funktionen, Unterschiede bei den Modulationsverfahren und praktische Anwendungen. Sie erfahren, welchen Einfluss sie auf die Motorleistung, die Energieeffizienz und die Betriebssicherheit haben. Ob Sie nun ein erfahrener Ingenieur oder einfach nur neugierig sind, dieser umfassende Leitfaden wird Ihr Verständnis für diese wichtigen Geräte verbessern.
Ein Frequenzumrichter ist ein elektrisches Gerät, das die Frequenz einer Stromversorgung durch Ein- und Ausschalten von Leistungshalbleiterbauelementen anpasst. Er kann mehrere Funktionen erfüllen, darunter Sanftanlauf, Regulierung der Frequenzumwandlungsgeschwindigkeit, Erhöhung der Betriebsgenauigkeit, Anpassung des Leistungsfaktors und Schutz vor Überstrom, Überspannung und Überlast.
PWM steht für Pulsweitenmodulation und ist eine Technik zur Anpassung der Ausgangs- und Wellenform durch Änderung der Breite der Impulse in einer Impulsfolge.
PAM steht für Pulse Amplitude Modulation und ist eine Methode zur Anpassung des Ausgangswerts und der Wellenform durch Änderung der Amplitude der Impulse in einer Impulsfolge nach einem bestimmten Gesetz.
Der Hauptstromkreis eines Frequenzumrichters lässt sich grob in zwei Typen einteilen:
Der Spannungsfrequenzwandler wandelt die Gleichspannungsquelle in Wechselspannung um. Der Gleichstromkreisfilter in dieser Art von Frequenzumrichter ist ein Kondensator.
Der stromgeführte Frequenzumrichter hingegen wandelt die Gleichstromquelle in Wechselstrom um. Der Gleichstromschleifenfilter in dieser Art von Frequenzumrichter ist eine Drosselspule.
Das elektromagnetische Drehmoment eines Motors wird durch die Wechselwirkung zwischen Strom und magnetischem Fluss erzeugt. Es ist wichtig, den Strom innerhalb des Nennwertes zu halten, um eine Überhitzung des Motors zu vermeiden.
Wenn der magnetische Fluss abnimmt, sinkt auch das elektromagnetische Drehmoment, was zu einer Verringerung der Tragfähigkeit des Motors führt.
Wie aus der Formel E=4,44 hervorgehtKFNΦ, während der Drehzahlregelung mit variabler Frequenz ändert sich der magnetische Kreis des Motors erheblich mit der Betriebsfrequenz fX, was leicht zu einer Sättigung des magnetischen Kreises führen kann, was zu einer schweren Verzerrung der Wellenform des Erregerstroms und einem hohen Spitzenstrom führt.
Um ein schwaches Magnetfeld und eine magnetische Sättigung zu vermeiden, ist es wichtig, die Frequenz und die Spannung proportional zu ändern, d. h. die Ausgangsspannung des Frequenzumrichters zu regeln, während die Frequenz geändert wird, um ein bestimmtes Niveau des magnetischen Flusses im Motor beizubehalten.
Diese Regelungsart wird häufig in energiesparenden Frequenzumrichtern für Lüfter und Pumpen verwendet.
Wenn die Frequenz sinkt (bei niedriger Drehzahl) und die gleiche Leistung beibehalten wird (konstante Leistung), steigt der Strom. Wenn jedoch die Bedingung eines bestimmten Drehmoments beibehalten wird (konstantes Drehmoment), bleibt der Strom nahezu unverändert.
Der Frequenzumrichter wird während des Betriebs genutzt, indem er die Frequenz und die Spannung des Motors schrittweise erhöht. Der Anlaufstrom ist auf weniger als 150% des Nennstroms begrenzt (zwischen 125% und 200% je nach Modell).
Im Gegensatz dazu kann der Einschaltstrom beim direkten Anfahren mit einem Hochfrequenznetzteil das 6- bis 7-fache des Nennstroms erreichen, was mechanische und elektrische Auswirkungen hat.
Durch den Einsatz eines Frequenzumrichterantriebs wird der Startvorgang sanfter, mit einem Startstrom vom 1,2- bis 1,5-fachen des Nennstroms und einem Startdrehmoment von 70% bis 120% des Nenndrehmoments.
Bei Frequenzumrichtern mit automatischer Drehmomenterhöhung übersteigt das Anlaufmoment 100% und ermöglicht den Start mit Volllast.
Wenn die Frequenz sinkt, nimmt auch die Spannung (V) proportional ab. Diese Beziehung zwischen V und f wurde bereits in Antwort 4 erläutert.
Die proportionale Beziehung zwischen V und f wird auf der Grundlage der Motorkenndaten vorgegeben. In der Regel sind mehrere Kennlinienoptionen im Speicher (ROM) des Steuergeräts gespeichert und können über einen Schalter oder Drehschalter ausgewählt werden.
Wenn die Spannung proportional zur Frequenz verringert wird, sinkt das bei niedriger Drehzahl erzeugte Bodendrehmoment tendenziell, da die Wechselstromimpedanz kleiner wird und der Gleichstromwiderstand unverändert bleibt.
Um ein bestimmtes Anlaufmoment bei niedriger Frequenz zu erreichen, sollte die Ausgangsspannung erhöht werden. Diese Kompensation wird als verstärkter Anlauf bezeichnet.
Dies kann durch verschiedene Methoden erreicht werden, z. B. durch eine automatische Methode, die Auswahl eines U/f-Modus oder die Einstellung eines Potentiometers.
Obwohl auch unterhalb von 6 Hz noch Leistung abgegeben werden kann, liegt die minimal nutzbare Frequenz bei etwa 6 Hz, wenn man Faktoren wie Motortemperaturanstieg, Anlaufmoment und andere Bedingungen. Bei dieser Frequenz kann der Motor das Nenndrehmoment erzeugen, ohne nennenswerte Erwärmungsprobleme zu verursachen.
Die tatsächliche Ausgangsfrequenz (Startfrequenz) des Frequenzumrichters schwankt je nach Modell zwischen 0,5 und 3 Hz.
Normalerweise nicht. Wenn die Spannung über 60 Hz liegt (es gibt auch Modi über 50 Hz), weist sie eine konstante Leistungscharakteristik auf und erfordert das gleiche Drehmoment bei hoher Drehzahl.
Das verwendete Motorgerät ist mit einem Geschwindigkeitsdetektor (PG) ausgestattet, der die aktuelle Geschwindigkeit zur Steuerung an das Steuergerät zurückmeldet, was als "geschlossener Regelkreis" bezeichnet wird. Umgekehrt wird ein Motorgerät ohne PG-Betrieb als "offener Regelkreis" bezeichnet.
Die meisten Frequenzumrichter arbeiten im ungeregelten Betrieb, obwohl einige Geräte die Möglichkeit der PG-Rückführung bieten.
Der Regelungsmodus ohne Drehzahlsensor berechnet die tatsächliche Motordrehzahl anhand eines vorgegebenen mathematischen Modells und des magnetischen Flusses und bildet so einen geschlossenen Regelkreis mit einem virtuellen Drehzahlsensor.
Auch wenn der Frequenzumrichter eine bestimmte Frequenz ausgibt, kann sich die Motordrehzahl in einem ungeregelten System im Bereich der Nennschlupfrate (1% bis 5%) ändern, wenn der Motor unter Last läuft.
Für Anwendungen, die eine hohe Drehzahlregelungsgenauigkeit erfordern und bei denen der Motor auch bei Laständerungen nahe der angegebenen Drehzahl betrieben werden muss, kann ein Frequenzumrichter mit PG-Rückführungsfunktion verwendet werden (als Option).
Der Frequenzumrichter mit PG-Rückführungsfunktion verbessert die Genauigkeit. Die Drehzahlgenauigkeit ist jedoch sowohl von der Genauigkeit des PG als auch von der Auflösung der Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters abhängig.
Wenn die angegebene Beschleunigungszeit zu kurz ist und sich die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters viel schneller ändert als die Drehzahl (elektrische Winkelfrequenz), kann der Frequenzumrichter aufgrund von Überstrom abschalten und seinen Betrieb einstellen, was als Strömungsabriss bezeichnet wird.
Um einen Stillstand zu verhindern und den Motor weiterlaufen zu lassen, ist es notwendig, den Strom zu überwachen und die Frequenz zu steuern.
Wenn der Beschleunigungsstrom zu hoch wird, sollte die Beschleunigungsrate entsprechend verlangsamt werden. Das Gleiche gilt für das Abbremsen.
Die Kombination dieser Aktionen wird als Abwürgefunktion bezeichnet.
Beschleunigung und Verzögerung können getrennt angegeben werden. Dies eignet sich für kurze Beschleunigungen und langsame Abbremsungen oder für kleine Werkzeugmaschinen, bei denen die Taktzeit der Produktion streng definiert werden muss.
Für Lüftergetriebe und andere Anwendungen mit langen Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten können die Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten jedoch gemeinsam angegeben werden.
Wird die Sollfrequenz des Motors während des Betriebs gesenkt, wird der Motor zu einem Asynchrongenerator und wirkt als Bremse, was als regenerative (elektrische) Bremse bezeichnet wird.
Die vom Motor beim regenerativen Bremsen erzeugte Energie wird im Filterkondensator des Frequenzumrichters gespeichert.
Die regenerative Bremskraft eines allgemeinen Frequenzumrichters ist jedoch aufgrund des Verhältnisses zwischen der Kondensatorkapazität und der Stehspannung auf etwa 10% bis 20% des Nennmoments begrenzt.
Durch Verwendung einer optionalen Bremseinheit kann die regenerative Bremskraft auf 50% bis 100% erhöht werden.
Die Schutzfunktionen lassen sich in zwei Kategorien einteilen:
(1) Führt nach der Erkennung eines anormalen Zustands automatisch Korrekturmaßnahmen durch, wie z. B. die Verhinderung von Überstrom und Überspannung bei der Rückspeisung.
(2) Blockiert das PWM-Steuersignal des Leistungshalbleiters nach Erkennung einer Anomalie, wodurch der Motor automatisch gestoppt wird. Beispiele hierfür sind Überstromabschaltung, Regenerationsüberspannungsabschaltung, Überhitzung des Halbleiterkühlgebläses und sofortiger Stromausfallschutz.
Wenn eine Kupplung zum Einschalten der Last verwendet wird, geht der Motor im Moment des Einschaltens plötzlich von einem Leerlaufzustand in einen Bereich mit hoher Schlupfrate über. Der daraus resultierende große Stromfluss führt dazu, dass der Frequenzumrichter aufgrund von Überstrom abschaltet und den Betrieb verhindert.
Wenn der Motor anläuft, fließt ein Anlaufstrom, der proportional zu seiner Leistung ist und einen Spannungsabfall im Transformator auf der Statorseite des Motors verursacht. Wenn der Motor eine große Leistung hat, kann dieser Spannungsabfall eine erhebliche Auswirkung haben.
Ein Frequenzumrichter, der an denselben Transformator angeschlossen ist, kann eine Unterspannung feststellen oder einen Schnellstopp auslösen. Infolgedessen kann die Schutzfunktion (IPE) aktiviert werden, wodurch der Betrieb gestoppt wird.
Bei digital gesteuerten Frequenzumrichtern wird die Ausgangsfrequenz in Inkrementen eingestellt, auch wenn der Frequenzbefehl ein analoges Signal ist. Die kleinste Einheit dieses Inkrements wird als Frequenzumwandlungsauflösung bezeichnet, die typischerweise 0,015 bis 0,5 Hz beträgt.
Wenn die Auflösung z. B. 0,5 Hz beträgt, kann die Frequenz in Schritten von 0,5 Hz geändert werden, z. B. von 23 Hz auf 23,5 Hz und 24,0 Hz, wodurch der Motor ebenfalls in Schritten arbeitet.
Dies kann bei Anwendungen, die eine kontinuierliche Wickelkontrolle erfordern, zu Problemen führen. In solchen Fällen wird eine Auflösung von etwa 0,015 Hz empfohlen. Mit dieser Auflösung beträgt der Unterschied bei einem 4-stufigen Motor weniger als 1R/min, was eine ausreichende Genauigkeit gewährleistet. Beachten Sie, dass die angegebene Auflösung bei einigen Modellen nicht unbedingt mit der tatsächlichen Ausgangsauflösung übereinstimmt.
Die Kühlwirkung des Frequenzumrichters wird bei der Konstruktion des Innenraums und der Rückwand berücksichtigt. Die korrekte Belüftung hängt auch von der Ausrichtung des Geräts ab.
Daher wird empfohlen, Schalttafel- und Wandgeräte möglichst vertikal zu installieren.
Das Starten eines Motors bei sehr niedriger Frequenz ist möglich, aber wenn die angegebene Frequenz hoch ist, ist es ähnlich wie das direkte Starten mit einer Netzfrequenzversorgung. Dies führt zu einem hohen Anlaufstrom (das 6- bis 7-fache des Nennstroms), wodurch der Frequenzumrichter wegen Überstroms abschaltet und der Motor nicht anlaufen kann.
Die folgenden Punkte sollten bei einem Betrieb über 60 Hz beachtet werden:
(1) Vergewissern Sie sich, dass die Maschinen und Geräte für den Betrieb bei dieser Geschwindigkeit geeignet sind, und berücksichtigen Sie dabei Faktoren wie mechanische Festigkeit, Lärm und Vibrationen.
(2) Wenn der Motor den Bereich konstanter Leistung erreicht, sollte sein Ausgangsdrehmoment ausreichen, um den Betrieb aufrechtzuerhalten. Beachten Sie, dass die Ausgangsleistung von Lüfter, Pumpe und anderen Wellen proportional zur dritten Potenz der Drehzahl ansteigt, seien Sie also vorsichtig, wenn die Drehzahl steigt.
(3) Berücksichtigen Sie die Auswirkungen auf die Lebensdauer der Lager.
(4) Bei Motoren mit mittlerer oder höherer Leistung, insbesondere bei 2-poligen Motoren, ist es wichtig, sich mit dem Hersteller abzustimmen, bevor der Betrieb über 60 Hz erfolgt.
Bei der Verwendung eines Reduktionsmittels sind je nach Aufbau und Struktur mehrere Aspekte zu beachten Schmierungsmethode.
Bei Getriebestrukturen sollte ein Höchstwert von 70 bis 80 Hz in Betracht gezogen werden.
Bei Ölschmierung kann ein Dauerbetrieb bei niedriger Drehzahl zu Getriebeschäden führen.
Prinzipiell nein. Bei Einphasenmotoren mit Reglerschalteranlauf kann die Hilfswicklung im Drehzahlregelbereich unterhalb des Arbeitspunktes durchbrennen.
Bei Kondensatorstart oder Kondensatorbetrieb kann es zu Kondensatorexplosionen kommen.
Die Stromversorgung für Frequenzumrichter ist in der Regel dreiphasig, aber bei kleinen Leistungen kann auch eine einphasige Stromversorgung verwendet werden.
Der Wirkungsgrad eines Frequenzumrichters hängt von mehreren Faktoren ab, u. a. vom Modell, dem Betriebszustand und der Häufigkeit der Nutzung. Es ist schwierig, eine endgültige Antwort zu geben.
Es wird jedoch geschätzt, dass der Wirkungsgrad von Frequenzumrichtern, die unterhalb von 60 Hz arbeiten, etwa 94% bis 96% beträgt. Dies kann als Grundlage für die Berechnung der Verluste verwendet werden.
Es ist zu beachten, dass der Stromverbrauch höher sein kann, wenn die Verluste beim Bremsen berücksichtigt werden.
Die Gestaltung eines effektiven Bedienfeldes ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung und sollte sorgfältig bedacht werden.
Im Allgemeinen wird der Motor durch einen auf der Welle installierten Außenlüfter oder durch Schaufeln am Rotorendring gekühlt.
Wenn die Geschwindigkeit verringert wird, nimmt auch die Kühlwirkung ab, so dass die Wärme nicht mehr in gleichem Maße bewältigt werden kann wie im Hochgeschwindigkeitsbetrieb.
Um dies zu verhindern, muss entweder das Lastmoment bei niedriger Drehzahl reduziert, ein Frequenzumrichter mit hoher Leistung in Kombination mit dem Motor verwendet oder ein spezieller Motor für den Betrieb bei niedriger Drehzahl gewählt werden.
Die Stromquelle für den Bremsenerregungskreis sollte von der Eingangsseite des Frequenzumrichters abgenommen werden.
Wenn die Bremse anspricht, während der Frequenzumrichter noch Leistung abgibt, kann dies zu einer Überstromabschaltung führen.
Um dies zu verhindern, muss sichergestellt werden, dass die Bremse erst dann einrastet, wenn der Frequenzumrichter keine Leistung mehr abgibt.
Im Hinblick auf die Auswirkungen des Kondensators des Frequenzumrichters auf den effektiven Leistungsfaktor nach dem Ausbau des Frequenzumrichters sollten Maßnahmen zur Verbesserung des Leistungsfaktors ergriffen werden, der durch den in den Kondensator des Frequenzumrichters fließenden Strom verursacht wird.
Obwohl es sich bei dem Frequenzumrichter um ein statisches Gerät handelt, enthält er auch Verbrauchskomponenten wie Filterkondensatoren und Lüfter.
Bei ordnungsgemäßer Wartung können diese Komponenten eine Lebensdauer von über 10 Jahren haben.
Für Modelle mit geringer Kapazität mit oder ohne Kühlgebläse:
Bei Modellen mit Lüftern strömt die Luft von unten nach oben. Daher ist es wichtig, dass am oberen und unteren Teil des Aufstellungsortes des Frequenzumrichters keine mechanischen Geräte angebracht werden, die die Ansaug- und Abluftströme behindern könnten.
Außerdem ist es wichtig, dass keine wärmeempfindlichen Bauteile über dem Frequenzumrichter angebracht werden.
Bei einem Ausfall des Lüfters wird der Frequenzumrichter entweder durch die Stopperkennung des elektrischen Lüfters oder durch die Überhitzungserkennung des Lüfters geschützt.
Bei einem Kondensator, der als Filterkondensator verwendet wird, nimmt seine elektrostatische Kapazität mit der Zeit ab.
Es wird empfohlen, die elektrostatische Kapazität regelmäßig zu messen und ihre Lebensdauer danach zu beurteilen, ob sie 85% der Nennkapazität des Produkts erreicht hat.
Normalerweise sollte der Kondensator in einem scheibenförmigen Behälter gelagert werden.
Vollständig geschlossene, scheibenförmige Behälter können jedoch recht groß sein, nehmen viel Platz ein und sind relativ teuer.
Um diese Probleme zu lösen, können folgende Maßnahmen ergriffen werden:
(1) Bei der Konstruktion der Scheibe sollten die Anforderungen an die Wärmeableitung des Geräts berücksichtigt werden;
(2) Zur Vergrößerung der Kühlfläche können Aluminiumlamellen und ein geripptes Kühlmittel verwendet werden.
Verringerung der Störungen durch Oberwellen hoher Ordnung im Eingangsstrom und Verbesserung des Leistungsfaktors der Eingangsstromversorgung.
Der Sinusfilter ermöglicht den Betrieb des Frequenzumrichters mit einem langen Motorkabel und ist auch für Schaltungen geeignet, die einen Zwischentransformator zwischen Frequenzumrichter und Motor enthalten.
Der Widerstandswert des mit dem Frequenzumrichter gelieferten Potentiometers liegt normalerweise im Bereich von 1K Ω bis 10K Ω.
(1) Strahlungsinterferenzen;
(2) Leitungsgebundene Störungen.
Bei Störsignalen, die durch Strahlung übertragen werden, können diese durch eine geeignete Verlegung und Abschirmung der Strahlungsquelle und der gestörten Leitung wirksam reduziert werden.
Störsignale, die über die Leitung übertragen werden, können durch Hinzufügen von Filtern, Drosseln oder magnetischen Ringen auf der Eingangs- und Ausgangsseite des Frequenzumrichters beseitigt werden.
Die spezifischen Methoden und Vorkehrungen zur Verringerung von Störungen sind wie folgt:
(1) Die Signal- und Stromleitungen sollten vertikal gekreuzt oder gebündelt werden.
(2) Vermeiden Sie den Anschluss von Drähten aus verschiedene Metalle zueinander.
(3) Die Abschirmschicht sollte ordnungsgemäß geerdet sein, und die Erdung sollte über die gesamte Länge durchgehend und zuverlässig sein.
(4) Für Signalkreise sollte ein paarweise verdrilltes, abgeschirmtes Kabel verwendet werden.
(5) Der Erdungspunkt für die Abschirmschicht sollte so weit wie möglich vom Frequenzumrichter entfernt und vom Erdungspunkt des Frequenzumrichters getrennt sein.
(6) An der Eingangs- und Ausgangsleitung des Frequenzumrichters kann ein Magnetring verwendet werden.
Die spezifische Methode zur Verwendung eines Magnetrings ist wie folgt: Die Eingangsleitung kann viermal in der gleichen Richtung gewickelt werden, während die Ausgangsleitung dreimal in der gleichen Richtung gewickelt werden kann.
Es ist wichtig, dass der Magnetring beim Wickeln so nah wie möglich am Frequenzumrichter bleibt.
(7) Zusätzlich können zur Vermeidung von Störungen Abschirmungen und andere Antistörungsmaßnahmen für gestörte Geräte und Instrumente eingesetzt werden.
Die vom Förderband verbrauchte Leistung ist direkt proportional zu seiner Geschwindigkeit.
Wenn Sie also mit 80 Hz arbeiten möchten, muss die Leistung des Frequenzumrichters und des Motors proportional erhöht werden, was eine Erhöhung um 60% gegenüber der 50-Hz-Leistung bedeutet. Dies bedeutet, dass die Leistung des Frequenzumrichters und des Motors um 60% erhöht werden muss.
Bei der VVC-Regelung (Variable Voltage and Variable Frequency) berechnet der Regelkreis anhand eines mathematischen Modells die optimale Motorerregung als Reaktion auf Änderungen der Motorlast und kompensiert die Last entsprechend.
Darüber hinaus enthält die Steuerschaltung ein synchrones 60°-PWM-Verfahren, das auf einem ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) implementiert ist und die optimale Schaltzeit für die Halbleiterbauelemente des Wechselrichters (IGBTs) bestimmt.
Der Gesamtschaltkreis eines Netzteils mit variabler Frequenz besteht aus Komponenten wie AC-Konstantstrom und AC-Filtern, die zu reinen Sinuswellen-Ausgangsspannungs- und -Stromwellenformen führen, die einer idealen AC-Stromversorgung sehr nahe kommen.
Es ist in der Lage, Netzspannung und -frequenz für jedes Land der Welt zu erzeugen.
Der Frequenzumrichter hingegen besteht aus Komponenten wie Wechselstromkonstantstrom (Modulationswelle) und anderen Schaltungen. Der Standardname für dieses Gerät ist variabler Frequenzregler.
Die Ausgangsspannungswellenform des Frequenzumrichters ist jedoch eine gepulste Rechteckwelle mit zahlreichen Oberwellenanteilen. Die Spannung und die Frequenz ändern sich proportional zur gleichen Zeit und können nicht unabhängig voneinander eingestellt werden, was ihn für die Verwendung als Stromversorgungsgerät ungeeignet macht.
Er wird in der Regel nur zur Regelung der Drehzahl eines Drehstrom-Asynchronmotors verwendet.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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