Innige Verbindung: Frequenzumrichter (l.) und Elektromotoren. Frequenzumrichter sorgen unter anderem für stufenlose Drehzahlregulierung, Energieeffizienz und Sicherheitsfunktionen.

Innige Verbindung: Frequenzumrichter (l.) und Elektromotoren. Frequenzumrichter sorgen unter anderem für stufenlose Drehzahlregulierung, Energieeffizienz und Sicherheitsfunktionen. (Bild: Stock.Adobe.com - Lars Johansson)

Frequenzumrichter (FU) sind eine der wichtigsten Baugruppen in der industriellen Automatisierung. Der weltweite Markt für Antriebe mit variabler Frequenz (VFD/Variable Frequency Drives) wurde im Jahr 2023 von Fortune Business Insights auf 21,03 Mrd. US-Dollar geschätzt. Er wird voraussichtlich von 22,36 Mrd. USD im Jahr 2024 auf 40,02 Mrd. USD im Jahr 2032 anwachsen, mit einer jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 7,5 % während des Prognosezeitraums.

Was ist überhaupt ein Frequenzumrichter?

Ein Frequenzumrichter ist ein elektronisches Gerät, das die Frequenz und die Spannung von Wechselstrom verändert. Dadurch kann die Geschwindigkeit und Leistung eines Motors flexibel angepasst werden. Das spart Energie und hilft, Maschinenprozesse besser zu steuern.

Wie funktioniert ein Frequenzumrichter?

So sieht ein Frequenzumrichter von innen aus.
So sieht ein Frequenzumrichter von innen aus. (Bild: Stock.Adobe.com - romaset)

Die Funktionsweise eines Frequenzumrichters basiert auf der Umwandlung des eingehenden Wechselstroms (AC) in Gleichstrom (DC) und anschließend zurück in Wechselstrom mit variabler Frequenz und Spannung. Dies erfolgt in mehreren Schritten:

  • Gleichrichtung: Der eingehende Wechselstrom wird durch Gleichrichterdioden in Gleichstrom umgewandelt.
  • Glättung: Der resultierende Gleichstrom wird durch Kondensatoren oder Filter geglättet, um eine konstante Gleichspannung zu erzeugen.
  • Wechselrichtung: Ein Wechselrichter wandelt den geglätteten Gleichstrom wieder in Wechselstrom um, wobei die Ausgangsfrequenz und -spannung durch Halbleiterschalter (wie IGBTs oder MOSFETs) gesteuert werden.

Diese Schritte ermöglichen die präzise Steuerung der Drehzahl und des Drehmoments von Wechselstrommotoren, was zu einer effizienteren und flexibleren Maschinensteuerung führt.

Wie hängen Frequenz und Drehzahl bei einem Elektromotor zusammen?

Bei Elektromotoren, die mit Wechselstrom betrieben werden, besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Frequenz des Wechselstroms und der Drehzahl, der vor allem von der Bauart des Motors und der Polpaarzahl abhängt:

Synchronmotoren: Bei Synchronmotoren ist die Drehzahl direkt proportional zur Frequenz und wird durch die Polpaarzahl bestimmt.

Asynchronmotoren: Bei Asynchronmotoren ist die Beziehung ähnlich, jedoch dreht sich der Rotor etwas langsamer als das Drehfeld (Schlupf). Die tatsächliche Drehzahl ist daher geringfügig niedriger als die Drehfelddrehzahl und lastabhängig

Durch die Verwendung von Frequenzumrichtern kann die Drehzahl dieser Drehfeldmotoren stufenlos geregelt werden.

Welche Typen von Frequenzumrichtern gibt es?

Es gibt drei grundlegende Typen von Frequenzumrichtern, die jeweils für unterschiedliche Anwendungen und Anforderungen geeignet sind. Diese Haupttypen sind:


Spannungszwischenkreisumrichter: Diese Umrichter verwenden einen Gleichspannungszwischenkreis, um die Wechselspannung in Gleichspannung umzuwandeln und anschließend wieder in eine variable Wechselspannung. Diese Umrichter sind weit verbreitet aufgrund ihrer hohen Effizienz, guten Regelbarkeit und Flexibilität in verschiedenen Anwendungen, insbesondere in der industriellen Automatisierung und Antriebstechnik.


Stromzwischenkreisumrichter: Diese Umrichter nutzen einen Gleichstromzwischenkreis. Bei dieser Technologie wird der eingehende Wechselstrom zunächst gleichgerichtet und in einen Gleichstrom umgewandelt, der in einem Zwischenkreis gespeichert wird. Anschließend wird der Gleichstrom durch einen Wechselrichter in Wechselstrom mit der gewünschten Frequenz und Spannung umgewandelt. Diese Umrichter sind besonders robust und zuverlässig, was sie für Anwendungen in der Schwerindustrie und in Umgebungen mit hohen Leistungsanforderungen geeignet macht. Sie bieten eine hohe Stabilität und können starke Stromschwankungen bewältigen.


Direktumrichter: Ein Direktumrichter ist ein Frequenzumrichter, der die Frequenz und Spannung eines Wechselstroms direkt umwandelt, ohne den Zwischenweg über Gleichstrom zu nehmen. Dies geschieht durch eine direkte Schaltung, die die Eingangsspannung und -frequenz in die gewünschte Ausgangsspannung und -frequenz umwandelt. Direktumrichter zeichnen sich durch ihre kompakte Bauweise, schnelle Reaktionszeiten und hohe Effizienz aus, erfordern jedoch eine komplexe Steuerung und präzise Schaltungstechnik.

 

Warum sind Frequenzumrichter in der industriellen Automation so wichtig?

Frequenzumrichter spielen eine zentrale Rolle bei der präzisen und effizienten Drehzahlregelung von Elektromotoren in der industriellen Automation. Hier sind die wichtigsten Aspekte ihrer Funktion:

  • Stufenlose Drehzahlregelung: Frequenzumrichter ermöglichen eine stufenlose Regelung der Motordrehzahl durch Variation der Frequenz und Spannung. Dies erlaubt eine exakte Anpassung der Drehzahl an die Prozessanforderungen.
  • Energieeffizienz: Durch die bedarfsgerechte Drehzahlregelung können Frequenzumrichter den Energieverbrauch erheblich reduzieren - in manchen Fällen um bis zu 70%. Dies ist besonders wichtig für energieintensive Anwendungen in der Industrie.
  • Prozessoptimierung: Die präzise Drehzahlregelung ermöglicht eine Optimierung von Produktionsprozessen, was zu einer Steigerung der Produktqualität und einer besseren Auslastung von Produktionslinien führt.
  • Anpassung an Motorcharakteristik: Moderne Frequenzumrichter passen automatisch wichtige Parameter wie Startspannung und Schlupfausgleich an die Charakteristik des angeschlossenen Motors an. Dies gewährleistet eine optimale Leistung über den gesamten Drehzahlbereich.
  • Drehmomentregelung: Neben der Drehzahlregelung ermöglichen fortschrittliche Frequenzumrichter auch eine präzise Drehmomentregelung. Dies ist besonders wichtig für Anwendungen, die ein konstantes Drehmoment über einen weiten Drehzahlbereich erfordern.
  • Kommunikation und Vernetzung: Moderne Frequenzumrichter können in Netzwerk- oder Cloud-Systeme integriert werden, was eine kontinuierliche Überwachung, Analyse und Steuerung ermöglicht. Dies erleichtert die Fernwartung und die Optimierung des Betriebspunkts.
  • Sicherheitsfunktionen: Frequenzumrichter bieten oft integrierte Sicherheitsfunktionen, die zum Schutz von Mensch und Maschine beitragen.

Welche Sicherheitsfunktionen kann ein Frequenzumrichter liefern?

Hier sind einige der wichtigsten Sicherheitsfunktionen, die in Frequenzumrichtern eingestellt werden können:

  • STO (Safe Torque Off): Diese Funktion schaltet das Motordrehmoment sicher ab, ohne den Motor elektrisch vom Netz zu trennen. STO verhindert ein unbeabsichtigtes Wiederanlaufen des Motors.
  • SS1 (Sicherer Stopp 1): SS1 führt einen kontrollierten Stopp des Motors durch und aktiviert anschließend die STO-Funktion. Dies gewährleistet ein sicheres Abbremsen und Stillsetzen des Motors.
  • SLS (Sicher begrenzte Geschwindigkeit): Diese Funktion überwacht und begrenzt die Motorgeschwindigkeit auf einen sicheren Wert. Sie ist besonders nützlich für Einricht- oder Wartungsarbeiten.
  • SBC (Sichere Bremsenansteuerung): SBC ermöglicht die sichere Ansteuerung einer externen mechanischen Bremse, was besonders bei Hubwerken oder Aufzügen wichtig ist.
  • SSM (Sichere Geschwindigkeitsüberwachung): Diese Funktion überwacht, ob die Motorgeschwindigkeit innerhalb definierter Grenzen bleibt und gibt ein entsprechendes Rückmeldesignal.
  • SOS (Sicherer Betriebshalt): SOS hält die Position des Motors sicher, ohne die Energieversorgung zu unterbrechen. Dies ist nützlich, wenn der Motor in einer bestimmten Position gehalten werden muss.
  • SDI (Sichere Drehrichtung): Diese Funktion verhindert, dass sich der Motor in eine unerwünschte Richtung dreht.

Was Antriebstechnik mit dem Klima zu tun hat

(Bild: IEA / ANX)

Die elektrische Antriebstechnik in der Industrie ist einer der größten Energieschlucker. Vom weltweiten Gesamtverbrauch an Strom von knapp 23.000 Terawattstunden fließt laut der Internationalen Energieagentur IEA mehr als ein Viertel in Elektromotoren in der Industrie (siehe Grafik links). Um die Klimaziele des Pariser Abkommens zu erreichen, ist daher auch die Industrie gefordert, den Energieverbrauch der Motoren zu reduzieren - zum Beispiel, indem die vielfach noch verwendeten ungeregelten Antriebe in vielen Anwendungen durch geregelte Systeme mit Frequenzumrichtern ersetzt werden.

Wo liegen Probleme beim Einsatz von Frequenzumrichtern?

Die Implementierung von Frequenzumrichtern in Anwendungen bringt eine Reihe von Herausforderungen mit sich. Zu den Hauptproblemen gehören die Kompatibilität mit bestehenden Systemen, die hohen Anschaffungskosten und die Wartungsanforderungen. Darüber hinaus können elektromagnetische Interferenzen (EMI) und die Notwendigkeit einer genauen Abstimmung und Konfiguration der Frequenzumrichter weitere Schwierigkeiten darstellen. Diese Herausforderungen müssen bewältigt werden, um die Vorteile der Frequenzumrichter vollständig nutzen zu können.

Kompatibilität: Kompatibilitätsprobleme treten auf, wenn Frequenzumrichter in bestehende Antriebs-Systeme integriert werden sollen. Diese Probleme können aufgrund unterschiedlicher technischer Standards, Kommunikationsprotokolle und der elektrischen Spezifikationen der bestehenden Ausrüstung entstehen. Zudem können ältere Maschinen und Systeme Schwierigkeiten haben, sich mit den modernen Steuerungs- und Regelungsmechanismen der Frequenzumrichter zu synchronisieren.

Kosten: Die Anschaffungskosten von Frequenzumrichtern stellen eine Hürde insbesondere für kleine und mittelständische Unternehmen dar. Diese Kosten umfassen nicht nur den Kaufpreis der Geräte, sondern auch die Kosten für Installation, Integration und Schulung des Personals. Obwohl Frequenzumrichter langfristig zu Energieeinsparungen und Effizienzsteigerungen führen können, schrecken die anfänglichen Investitionen viele Unternehmen ab. Es ist wichtig, die Gesamtkosten über den Lebenszyklus und die potenziellen Einsparungen zu berücksichtigen, um den wirtschaftlichen Nutzen zu beurteilen.

Wartung: Die Wartungsanforderungen von Frequenzumrichtern sind eine wesentliche Herausforderung, da sie regelmäßige Inspektionen und technische Unterstützung erfordern. Sie umfassen die Überprüfung von elektrischen Verbindungen, die Reinigung von Kühlsystemen und die Aktualisierung der Software.

Welche aktuellen Trends gibt es bei Frequenzumrichtern?

Die aktuellen Entwicklungen konzentrieren sich auf technologische Fortschritte, Energieeffizienz und die Integration in moderne industrielle Systeme:

  • Zu den wichtigsten Trends gehören die Verwendung von Halbleitermaterialien der nächsten Generation wie SiC (Siliziumkarbid) und GaN (Galliumnitrid), die höhere Schaltfrequenzen und Effizienz bieten.
  • Zudem werden Frequenzumrichter zunehmend mit IoT (Internet der Dinge)-Fähigkeiten ausgestattet, um eine bessere Überwachung und Steuerung in Echtzeit zu ermöglichen.
  • Ein weiterer wichtiger Trend ist die Entwicklung kompakterer und leichterer Frequenzumrichter, die einfacher in bestehende Systeme integriert werden können.

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