Frequenzumrichter

Wellenbegrenzung

In einem Frequenzumrichter wird wie in anderen Drehzahlstellern die Netzfrequenz so umgerichtet, dass Antriebe variabel geregelt werden können. Das Herz eines solchen Umrichters besteht im Prinzip aus einem Gleichrichter, einem Zwischenkreis und einem Wechselrichter. Im Gleichrichter wird die ankommende Wechselspannung gleichgerichtet, die resultierende Gleichspannung im Zwischenkreis geglättet und im Wechselrichter aus der Gleichspannung eine sinusbewertete pulsweite modulierte Spannung erzeugt. Durch einen solchen Aufbau können Kurzschlussläufermotoren über die Spannung und die Frequenz fast beliebig geregelt werden. Den zusätzlichen Anschaffungskosten eines Frequenzumrichters steht eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber. So können beispielsweise auch bei hohen Anzugsdrehmomenten kleinere Motoren eingesetzt werden, und da die Rampen fast beliebig einstellbar sind, reichen die Einsatzmöglichkeiten von der einfachen Drehzahlregelung bis hin zum Schweranlauf. Beispiele sind Tür- und Torantriebe, Förderanlagen, Zentrifugen und Vakuumpumpen sowie Pumpenantriebe. Bislang wurden ein- und dreiphasige Frequenzumrichter hauptsächlich in industrieller Umgebung eingesetzt, das heißt, an einem Industrienetz mit eigenen Transformatoren zur Niederspannungsversorgung. Mittlerweile vollzieht sich aber am öffentlichen Niederspannungsnetz, speziell im Bereich der „Weißen Ware“ wie Wasch- und Geschirrspülmaschinen, ein Wandel zu bürstenlosen Antrieben mit einphasigen Frequenzumrichtern. Da aber immer noch eine größere Zahl der herkömmlichen Geräte aufgrund ihres Wirkprinzips Oberwellen erzeugen, ist ein Konflikt des Anwenders mit der Stromoberwellennorm EN 61000-3-2 unausweichlich. Diese regelt die Begrenzung der Netzrückwirkungen bei drehzahlvariablen Antrieben und erfasst alle Verbraucher mit einem maximalen Eingangsstrom von 16 Ampere pro Leiter.

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Der Leistungsfaktor

Netzrückwirkungen entstehen durch herkömmliche Schaltnetzteile und Frequenzumrichter. Es sind harmonische Oberwellen, die durch Verzerrungen der ursprünglich sinusförmigen Grundschwingung entstehen und den Wirkungsgrad angeschlossener Geräte am Netz durch zusätzliche Verluste reduzieren. Sie können durch eine passive oder aktive Schaltung, die so genannte Power Factor Correction (PFC), begrenzt werden. Dreh- und Angelpunkt ist dabei, einen möglichst hohen Leistungsfaktor trotz der Korrektur beizubehalten. Dieser Faktor gibt das Verhältnis zwischen der übertragenen Wirkleistung zu der aus dem Netz entnommenen Scheinleistung an, und ist ein Maß für die effektive Nutzung der bereitgestellten Energie und damit auch für den Wirkungsgrad. Der Ursprung dieser Oberwellen resultiert bei einem Frequenzumrichter vorwiegend aus seinem typischen Schaltungsaufbau, etwas genauer gesagt, aus dem Kondensator im (Spannungs)-Zwischenkreis, der als Energiespeicher eingesetzt wird. Die möglichen Korrekturen reichen von passiven Varianten wie Drosseln über spezielle Folienkondensatoren bis hin zum Controller. Zur Dämpfung der harmonischen Oberwellen kann eine Drossel entweder im Zwischenkreis oder auch als Netzdrossel vor dem Gleichrichter eingesetzt werden. Sie reduziert nicht nur die Welligkeit, sondert erhöht auch die Gleichspannung im Kreis sowie die Lebensdauer des Elkos und verbessert darüber hinaus die Spannungsfestigkeit bei Transienten. Nachteilig hingegen sind, je nach Anwendung, cos f-Werte von nur circa 0,7 bis 0,8 sowie die Tatsache, dass die Spulen und Kondensatoren relativ großvolumig sind – falls man überhaupt Platz einsparen muss. Hauptpunkt auf der Negativseite sind aber größere Antriebsleistungen deutlich über 200 Watt. Hier kann es beim Einsatz von Drosseln zu übermäßigen Spannungsverlusten kommen, was die gewünschte Effektivität des Stromrichters wieder stark reduziert.

Eine weitere Korrekturmöglichkeit, die deutlich weniger Platz benötigt, ist der bei vielen Frequenzumrichtern eingesetzte Folienkondensator im Zwischenkreis. Nachteilig sind aber seine geringe Kapazität und die damit verbundene höhere Welligkeit der Zwischenkreisspannung. Diese muss über eine gezielte Modulation wieder kompensiert werden, um die Drehzahlregelung des Motors nicht negativ zu beeinflussen. Dies wiederum führt dazu, dass beispielsweise ein Asynchron-Drehstrommotor aufgrund einer niedrigeren Motorspannung einen höheren Strom aufnimmt, was sich letztendlich negativ auf das Drehmoment und die Temperatur auswirkt. Wie bei den Drosseln sind es auch hier die vorgegebenen Parameter der jeweiligen Anwendung wie Kosten, Platz und Leistung, die den Ausschlag für den Einsatz der genannten Kontrollen des Leitungsfaktors geben – sofern die Norm eingehalten wird.

Aktive Kontrolle

Bei herkömmlichen Frequenzumrichtern ohne aktive PFC erreicht die Motor-Effektivspannung aufgrund interner Spannungsverluste im Nennlastbetrieb lediglich 190 bis 200 Volt. Höhere Spannungswerte können zwar durch Übermodulation erreicht werden, führen jedoch wegen der damit verbundenen nicht sinusförmigen Motorströme zu den zusätzlichen Wärmeverlusten im Motor. Bei der Dimensionierung einer PFC-Schaltung kann man die frei wählbare (!) Zwischenkreisspannung vorzugsweise so legen, dass der Frequenzumrichter an einen für 230-V-Netzbetrieb ausgelegten Normmotor optimal angepasst ist. Ein direkter Vergleich zeigt, dass mit aktiver PFC eine deutliche Spannungsreserve vorhanden ist, die gerade bei Systemen, die an der Leistungsgrenze betrieben werden über Weiterbetrieb und Abschaltung aufgrund einer Überlast entscheidet.

Da die Zwischenkreisspannung über den Hochsetzsteller auf einen konstanten Wert geregelt wird, können weitere Eingangsspannungsbereiche als sonst abgedeckt werden, ohne dass der angeschlossene Motor in seiner Leistung beeinträchtigt wird. So kann man sich beim Frequenzumrichter DriveCCI beispielsweise auf zwei Bestückungsvarianten für die Spannungsbereiche um 100 und 200 Volt beschränken, mit denen Applikationen an allen Netzspannungen einphasiger Versorgungsnetze bedient werden können. Er wird in offener und in geschlossener Bauform (Schutzart IP20) angeboten und ist auch für 3-phasige Einspeisung erhältlich. Trotz der weiten Eingangsspannungsbereiche kann immer der gleiche Motor verwenden werden, da er über die geregelte Zwischenkreisspannung im Nennbetrieb seine volle effektive Nennspannung erhält. Aber es gibt noch mehr Vorteile, speziell bei der Dimensionierung anderer Schaltungskomponenten im Umrichter. Ein Antriebssystem mit PFC führt bei gleicher Ausgangsleistung geringere Wirkströme in der gesamten Leistungskette als ohne PFC, angefangen vom Netzfilter bis hin zur Ripplestrombelastung des Zwischenkreises. Damit können großvolumige Bauelemente wie Drosseln zur Funkentstörung und die Elkos im Zwischenkreis kleiner dimensioniert werden. Eine aktive PFC bietet daher durch die größere Anzahl freier Parameter bedeutend mehr Spielraum für die optimale Anpassung eines Frequenzumrichters an eine konkrete Antriebsapplikation.

Fazit

Die seit nunmehr drei Jahren vorgeschriebene Reduzierung der Oberschwingungsströme nach EN 61000-3-2 wirkt sich mehr und mehr auf die stark ansteigende Zahl der Anwendungen drehzahlvariabler Antriebe am öffentlichen Niederspannungsnetz aus. Vergleicht man die mit einer aktiven Leistungsfaktorkorrektur verbundenen höheren Investitionen mit denen der sonst üblichen Schaltungen, so relativieren sich die Kosten in Anbetracht der genannten Vorteile, allen voran der deutlich weitere Eingangsspannungsbereich.Dr. Peter Stipp

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