Frequenzumrichter: Gerät, Funktionsprinzip, Zweck

Da der Elektroantrieb eine der Hauptmechanismen zur Mechanisierung von Produktions- und Haushaltsaufgaben ist, ist es in manchen Fällen notwendig, die Drehzahl von Elektromotoren anzupassen. Je nach Art und Funktionsweise kommen unterschiedliche technische Lösungen zum Einsatz. Einer davon ist ein Frequenzumrichter. Was das ist und wo der Frequenzumrichter zum Einsatz kommt, verraten wir Ihnen in diesem Artikel.

Definition

Ein Frequenzumrichter ist per Definition ein elektronischer Stromrichter zum Ändern der Frequenz eines Wechselstroms. Je nach Ausführung ändern sich jedoch sowohl die Spannungsebene als auch die Anzahl der Phasen. Es mag Ihnen nicht ganz klar sein, warum ein solches Gerät benötigt wird, aber wir werden versuchen, Ihnen in einfachen Worten davon zu erzählen.

Die Wellendrehfrequenz von Synchron- und Asynchronmotoren (AM) hängt von der Drehfrequenz des Magnetflusses des Stators ab und wird durch die Formel bestimmt:

n = (60 * F / p) * (1-S),

wobei n die Anzahl der Umdrehungen der IM-Welle ist, p die Anzahl der Polpaare ist, s der Schlupf ist, f die Frequenz des Wechselstroms ist (für RF - 50 Hz).

Vereinfacht gesagt hängt die Rotordrehzahl von der Frequenz und der Polpaarzahl ab. Die Polpaarzahl wird durch die Auslegung der Statorspulen bestimmt und die Stromfrequenz im Netz ist konstant. Um die Drehzahl zu regeln, können wir daher die Frequenz nur mit Hilfe von Umrichtern regeln.

Gerät

Unter Berücksichtigung des Obigen formulieren wir die Antwort auf die Frage, was es ist, neu:

Ein Frequenzumrichter ist ein elektronisches Gerät zum Ändern der Frequenz eines Wechselstroms, also der Drehzahl des Rotors einer Induktions- (und Synchron-)Elektromaschine.

Nachfolgend sehen Sie die konventionelle Grafikbezeichnung nach GOST 2.737-68:

Es wird als elektronisch bezeichnet, weil es auf einem Halbleiterschaltkreis basiert. Abhängig von den Funktionsmerkmalen und der Art der Steuerung werden sowohl der elektrische Schaltplan als auch der Betriebsalgorithmus modifiziert.

Im folgenden Diagramm sehen Sie, wie der Frequenzumrichter funktioniert:

Das Funktionsprinzip des Frequenzumrichters ist wie folgt:

• Die Netzspannung liegt am Gleichrichter 1 an und wird pulsierend gleichgerichtet.
• In Block 2 werden Pulsationen geglättet und der reaktive Anteil teilweise kompensiert.
• Block 3 ist eine Gruppe von Leistungsschaltern, die durch das Steuersystem (4) unter Verwendung des Pulsweitenmodulationsverfahrens (PWM) gesteuert werden. Dieser Aufbau ermöglicht es, am Ausgang eine zweistufige PWM-geregelte Spannung zu erhalten, die sich nach Glättung einer Sinusform annähert. Bei teuren Modellen hat sich ein dreistufiges Schema durchgesetzt, bei dem mehr Tasten verwendet werden. Dadurch können Sie eine sinusförmigere Wellenform erzielen. Als Halbleiterschalter können Thyristoren, Feldeffekt- oder IGBT-Transistoren verwendet werden. In letzter Zeit sind die letzten beiden Typen aufgrund ihrer Effizienz, geringen Verluste und einfachen Verwaltung am gefragtesten und beliebtesten.
• Mit Hilfe von PWM wird in einfachen Worten der gewünschte Spannungspegel gebildet - so wird eine Sinuskurve moduliert, die abwechselnd Tastenpaare einschaltet und bildet Leitungsspannung.

So haben wir kurz beschrieben, wie ein Frequenzumrichter für einen Elektromotor funktioniert und woraus er besteht. Es wird als sekundäres Netzteil verwendet und regelt nicht nur die Form des Netzstroms, sondern wandelt dessen Größe und Frequenz entsprechend den vorgegebenen Parametern um.

Arten von Chastotniki und Umfang

Kontrollmethoden

Die Drehzahlregelung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, sowohl über die Einstellung der gewünschten Frequenz als auch über die Regelung. Frequenztuner werden je nach Steuermethode in zwei Typen unterteilt:

1. Skalare Steuerung.
2. Mit Vektorsteuerung.

Geräte der ersten Art regeln die Frequenz nach einer gegebenen U / F-Funktion, dh mit der Frequenz ändert sich auch die Spannung. Ein Beispiel für eine solche Abhängigkeit der Spannung von der Frequenz ist unten zu sehen.

Sie kann unterschiedlich und für eine bestimmte Last programmiert sein, bei Ventilatoren ist sie beispielsweise nicht linear, sondern ähnelt einem Parabelzweig. Dieses Funktionsprinzip hält den magnetischen Fluss im Spalt zwischen Rotor und Stator nahezu konstant.

Ein Merkmal der Skalarsteuerung ist ihre Verbreitung und relative Einfachheit der Implementierung. Am häufigsten für Pumpen, Lüfter und Kompressoren verwendet. Solche Frequenzmesser werden oft verwendet, wenn es notwendig ist, einen stabilen Druck (oder einen anderen Parameter) aufrechtzuerhalten, es können Tauchpumpen für Brunnen sein, wenn wir den Hausgebrauch in Betracht ziehen.

In der Produktion ist der Anwendungsbereich breit, zum Beispiel die Druckregulierung in gleichen Rohrleitungen und die Leistung automatischer Belüftungssysteme. Der Regelbereich beträgt in der Regel 1:10, vereinfacht ausgedrückt kann die maximale Geschwindigkeit um das 10-fache von der minimalen abweichen. Aufgrund der Besonderheiten der Implementierung von Algorithmen und Schaltungen sind solche Geräte in der Regel billiger, was der Hauptvorteil ist.

Nachteile:

• Nicht zu genaue RPM-Unterstützung.
• Langsamere Reaktion auf Regimewechsel.
• Meistens gibt es keine Möglichkeit, das Drehmoment an der Welle zu kontrollieren.
• Bei einer Drehzahlerhöhung über die Nenndrehzahl sinkt das Drehmoment an der Motorwelle (dh wenn wir die Frequenz über die Nennfrequenz von 50 Hz erhöhen).

Letzteres liegt daran, dass die Ausgangsspannung von der Frequenz abhängt, bei der Nennfrequenz die Spannung ist gleich dem Netz, und über dem Frequenzumrichter "weiß nicht wie", auf der Grafik sieht man danach einen geraden Teil des Diagramms 50Hz. Zu beachten ist, dass die Abhängigkeit des Drehmoments von der Frequenz, die nach dem 1/f-Gesetz abfällt, in der untenstehenden Grafik rot und die Abhängigkeit der Leistung von der Frequenz blau dargestellt ist.

Vektorgesteuerte Frequenzumrichter haben ein anderes Funktionsprinzip, hier entspricht nicht nur die Spannung der U/f-Kurve. Die Charakteristik der Ausgangsspannung wird entsprechend den Signalen der Sensoren verändert, so dass ein bestimmtes Drehmoment an der Welle aufrechterhalten wird. Aber warum brauchen wir diese Art von Kontrolle? Genauere und schnellere Anpassung sind die Markenzeichen eines vektorgesteuerten Frequenzumrichters. Dies ist bei solchen Mechanismen wichtig, bei denen das Wirkprinzip mit einer starken Änderung der Belastung und des Drehmoments auf das Exekutivorgan verbunden ist.

Eine solche Belastung ist typisch für Drehmaschinen und andere Arten von Werkzeugmaschinen, einschließlich CNC. Regelgenauigkeit bis 1,5 %, Einstellbereich - 1: 100, für höhere Genauigkeit bei Drehzahlsensoren etc. - 0,2 % bzw. 1: 10000.

In den Foren herrscht die Meinung, dass der Preisunterschied zwischen Vektor- und Skalarfrequenzantrieben heute weniger als. beträgt war früher (15-35% je nach Hersteller), und der Hauptunterschied ist mehr Firmware als Schaltung. Beachten Sie auch, dass die meisten Vektormodelle auch skalare Steuerung unterstützen.

Vorteile:

• große Stabilität und Genauigkeit;
• schnelleres Ansprechen auf Lastwechsel und hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl;
• größeren Regelbereich.

Der Hauptnachteil ist, dass es teurer ist als skalare.

In beiden Fällen kann die Frequenz manuell oder durch Sensoren, beispielsweise einen Drucksensor oder einen Durchflussmesser (bei Pumpen), ein Potentiometer oder einen Encoder eingestellt werden.

Alle oder fast alle Frequenzumrichter verfügen über eine Sanftanlauffunktion für den Motor, die das Starten von Motoren aus Notstromaggregaten ohne oder mit geringer Überlastungsgefahr erleichtert.

Anzahl der Phasen

Neben dem Ansprechverhalten unterscheiden sich Frequenzumrichter auch in der Anzahl der Phasen am Ein- und Ausgang. So werden Frequenzumrichter mit einphasigem und dreiphasigem Eingang unterschieden.

Gleichzeitig können die meisten dreiphasigen Modelle aus einer Phase gespeist werden, aber bei dieser Anwendung wird ihre Leistung auf 30-50% reduziert. Dies liegt an der zulässigen Strombelastung von Dioden und anderen Leistungselementen der Schaltung. Einphasige Modelle sind in einem Leistungsbereich bis 3 kW erhältlich.

Wichtig! Bitte beachten Sie, dass bei einem einphasigen Anschluss mit einer Eingangsspannung von 220 V ein Ausgang von 3 Phasen bei 220 V und nicht bei 380 V erfolgt. Das heißt, der lineare Ausgang beträgt kurz gesagt genau 220 V. In diesem Zusammenhang müssen gängige Motoren mit Wicklungen, die für Spannungen von 380 / 220 V ausgelegt sind, in einem Dreieck und solche mit 127 / 220 V - in einem Stern - verbunden werden.

Im Netz finden Sie viele Angebote des Typs "220 bis 380 Frequenzumrichter" - dies ist in den meisten Fällen Marketing, Verkäufer nennen drei beliebige Phasen "380V".

Um echte 380V aus einer Phase zu bekommen, müssen Sie entweder einen 220/380 Einphasentransformator verwenden (wenn der Eingang des Frequenzumrichters für eine solche Spannung ausgelegt) oder verwenden Sie einen speziellen Frequenzumrichter mit einem einphasigen Eingang und 380 V dreiphasig Ausfahrt.

Eine separate und seltenere Art von Frequenzumrichtern sind einphasige Frequenzumrichter mit einem einphasigen 220-Ausgang. Sie sind für die Steuerung von Einphasen-Kondensatorstartmotoren ausgelegt. Beispiele für solche Geräte sind:

• ERMAN ER-G-220-01
• INNOVATIVE IDD

Schaltplan

Um einen 3-Phasen-Ausgang von einem 380-V-Frequenzumrichter zu erhalten, müssen Sie in Wirklichkeit 3 ​​380-V-Phasen an den Eingang anschließen:

Der Anschluss des Frequenzumrichters an eine Phase ist bis auf den Anschluss der Versorgungsleitungen gleich:

Ein einphasiger Frequenzumrichter für einen Motor mit Kondensator (Pumpe oder Kleinlüfter) wird wie folgt angeschlossen:

Wie Sie in den Diagrammen sehen können, verfügt der Frequenzumrichter zusätzlich zu den Versorgungskabeln und den Kabeln zum Motor über weitere Klemmen Sensoren, Tasten der Fernbedienung, Busse zum Anschluss an einen Computer (häufiger des RS-485-Standards) und Sonstiges. Dadurch ist es möglich, den Motor über dünne Signalleitungen zu steuern, wodurch der Frequenzumrichter in die Schalttafel verlegt werden kann.

Frequenzumrichter sind universelle Geräte, deren Aufgabe es ist, nicht nur die Drehzahl einzustellen, sondern auch den Elektromotor vor falscher Betriebsart und Stromversorgung sowie vor Überlastung zu schützen. Neben der Hauptfunktion realisieren die Geräte ein sanftes Anlaufen der Antriebe, was den Verschleiß der Geräte und die Belastung des Stromnetzes reduziert. Das Funktionsprinzip und die Einstelltiefe der Parameter der meisten Frequenzumrichter ermöglicht es Ihnen, Energie zu sparen, wenn Steuerung von Pumpen (bisher erfolgte die Steuerung nicht auf Kosten der Pumpenleistung, sondern mit Hilfe von Ventilen) und andere Ausrüstung.

Hiermit schließen wir unsere Betrachtung des Themas ab. Wir hoffen, dass Ihnen nach dem Lesen des Artikels klar wurde, was ein Frequenzumrichter ist und wozu er dient. Abschließend empfehlen wir Ihnen, sich ein nützliches Video zum Thema anzusehen:

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