Über Wechselrichter einfach und verständlich – wir treiben die Zukunft mit der Marke LS Electric an!

Frequenzumrichter waren vor 15 Jahren sehr teure und seltene Startsysteme, die für die Mehrheit der Gesellschaft die sogenannten waren eine „Black Box“, an die Strom- und Steuerkabel angeschlossen werden mussten. Derzeit sind Frequenzumrichter, oft auch Wechselrichter genannt, die gebräuchlichste Form zum Starten und Regeln der Drehzahl von Motoren. Der ständig steigende Bedarf an Automatisierung industrieller Prozesse, die Steigerung der Produktionsrate und ihrer Effizienz sind die Hauptfaktoren, die die Entwicklung des Wechselrichtermarktes in Polen und auf der ganzen Welt beeinflusst haben.

Dazu trugen auch der Technologiesprung bei Halbleiterbauelementen und deren sinkende Preise bei. Derzeit sind Frequenzumrichter praktisch überall zu finden: in Industrieanlagen, Cafés, Kläranlagen, Restaurants, Kaufhäusern und Wohnhäusern. Die ersten Konvertersysteme wurden in den 1960er Jahren entwickelt, doch obwohl seit ihrer Premiere 50 Jahre vergangen sind, sind die Grundprinzipien der Funktionsweise und das allgemeine Blockdiagramm unverändert geblieben.

In diesem Artikel lesen Sie darüber:

• Warum erfreuen sich Frequenzumrichter so großer Beliebtheit und werden in verschiedenen Branchen so stark benötigt?
• Wie sahen die Start- und Regelungssysteme von Asynchron- und Induktionsmotoren früher aus und welche Mängel gab es?
• Wie wird die Motordrehzahl reguliert und welche 4 Startmethoden gibt es?
• Außerdem erfahren Sie, wie ein Wechselrichter funktioniert.

Schauen Sie sich die Wechselrichter beim Onninen-Großhändler an

Regulierung der Motorgeschwindigkeit

Methoden zur Geschwindigkeitsanpassung:

• Schlupfänderung, die durch den Einbau eines Steuerwiderstands in den Rotorkreis des Schleifringläufermotors verursacht wird. Diese Regelung hatte eine Reihe von Nachteilen: fehlende Regelung der vollen Geschwindigkeit, hohe Energieverluste, Ausfallrate und eine große Anzahl von Widerständen und Kontaktelementen, große Einschränkungen bei der Leistung und der Anzahl der Starts;
• Ändern der Anzahl der Motorpolpaare. Auch das Fehlen einer vollständigen Regulierung (Geschwindigkeitsstufenänderung) und das Vorhandensein von Schaltsystemen;
• Änderung der den Motor versorgenden Frequenz (schwierig umzusetzen).

Vier Methoden zum Starten des Motors

Startmethoden mit Vor- und Nachteilen:

• Direktstart. Eine der gebräuchlichsten Startmethoden und eine der unerwünschtesten, aufgrund des sehr großen Stromstoßes (typischerweise beträgt der Startstrom das 4- bis 8-fache des Nennstroms) und der damit verbundenen Probleme (mechanische Beanspruchung, Wasserschlag an Pumpen). , Rucke von Förderbändern usw. .);
• Stern-/Dreieckstart. Auch eine sehr beliebte Boot-Methode. Zu den Nachteilen zählen: immer noch hoher Anlaufstrom, geringes Anlaufdrehmoment, Ausfallrate von Kontaktelementen und doppelt so viele Kabeleinführungen. Vorteile: zeitliche Begrenzung des Anlaufstroms, geringe Installationskosten.
• Beginnend mit einem Softstarter. Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei Softstartern um Geräte zum sanften Starten und Stoppen von Elektromotoren. Leider ist es uns nicht möglich, die Motordrehzahl über einen Sanftanlasser zu regulieren. Der Anlaufstrom beträgt je nach Startart (Spannungsregelung, Drehmomentregelung in zwei oder drei Phasen) und der Anzahl der steuerbaren Phasen das 2- bis 6-fache des Nennstroms. Vorteile: sanfter Stromaufbau (keine mechanische Belastung, keine Stromstöße), einstellbare Startzeit, hohes Startmoment. Nachteile: mangelnde Regelperfektion bei Sanftstartern mit steuerbaren zwei Phasen, keine Drehzahlregelung.
• Beginnend mit einem Frequenzumrichter. Die bestmögliche Methode zum Starten des Motors aufgrund von: sehr niedrigem Anlaufstrom (bei entsprechender Konfiguration der Einstellungen übersteigt der Anlaufstrom nicht den Nennstrom), vollständige Regulierung der Motordrehzahl, vollständiger Schutz und Überwachung des Motorbetriebs, reaktiv Leistungskompensation, Stromeinsparung, Reduzierung der Betriebskosten von Maschinen, Minimierung von Ausfallraten usw.

Schauen Sie sich die Produkte von LS Electric beim Onninen-Großhändler an

Verschiedene Arten von Frequenzumrichtern

Zahlreiche Probleme und Schwierigkeiten, die sich aus den grundlegenden Startmethoden von Elektromotoren ergaben und erzwangen, führten zu einer schnellen und dynamischen Entwicklung zunächst von Thyristor-Sanftanlaufsystemen (Softstartern) und dann von Frequenzumrichtern. Diese Geräte sind die beste Möglichkeit, Elektromotoren zu regeln, zu schützen und zu steuern. Typische Standard-Frequenzumrichter werden zum Betrieb von Asynchron-Induktionsmotoren verwendet.

Auf dem Markt finden sich jedoch Umrichter mit zahlreichen Regelalgorithmen, die für Synchronmotoren (PMSM – Permanentmagnet-Synchronmotoren), Reluktanzmotoren oder BLDC (bürstenlose Gleichstrommotoren mit Permanentmagneten) vorgesehen sind. Die überwiegende Mehrheit der Industrie konzentriert sich aufgrund ihres niedrigen Preises immer noch auf Induktionsmotoren. Wie Sie unschwer erkennen können, bringt der Einsatz von Frequenzumrichtern viele Vorteile mit sich. Zweifellos ist dies die beste Methode zum Starten und Regeln von Motoren. Unter Berücksichtigung des kontinuierlichen Abwärtstrends der Konverterpreise und der linearen Steigerung ihrer Leistungsfähigkeit im Laufe der Zeit wird die Nachfrage nach diesen Geräten in den kommenden Jahren weiter steigen.

Die Hauptkomponentenblöcke des Wechselrichters

In jedem   Frequenzumrichter können wir vier Hauptkomponentenblöcke unterscheiden (siehe Abb. 1):

• Gleichrichter, also der sogenannte Einstiegsphase;
• Zwischenschaltungslayout;
• Tatsächliches Wechselrichterelement, Ausgangsstufe;

Schauen Sie sich die Produkte von LS Electric beim Onninen-Großhändler an

Wie funktioniert ein Frequenzumrichter?

Die Hauptaufgabe der Eingangsstufe des Wandlers besteht darin, den von einer bestimmten Quelle bezogenen Wechselstrom gleichzurichten. Hier sind mehrere Gleichrichterausführungen anzugeben: unsteuerbare Diode mit unterschiedlicher Impulszahl (6, 12, 18, 24 und mehr); halb steuerbar (Diode - Thyristor) und voll steuerbar, basierend auf IGBT-Transistoren.

Am gebräuchlichsten sind Ausführungen auf Basis von Diodengleichrichtern. Dies sind natürlich die günstigsten Strukturen, haben aber auch den größten Einfluss auf den THD (harmonischer Verzerrungskoeffizient). Der Diodengleichrichter ist eine nichtlineare Last, die einen starken Einfluss auf die Stromverzerrung hat. Um den THD-Faktor auf einen geeigneten Wert zu reduzieren, verwenden Sie einen der verfügbaren THD-Filter: Eingangsdrosseln, Drosseln im Zwischenkreis, passive LCL-Filter, aktive THD-Filter. Die gleichgerichtete gepulste Spannung am Ausgang des Gleichrichters hat einen Wert in der Größenordnung von 1,35 des Effektivwerts der Phase-Phase-Spannung des Netzwerks.

Anschließend gelangt das Signal zum Zwischenkreis des Wandlers, der üblicherweise einen Kondensator oder eine Kondensatorbank bildet. Der Zwischenkreis hat eine Doppelfunktion: Er glättet die vom Gleichrichter empfangene Pulsationsspannung und speichert gleichzeitig die zum Antrieb des Motors notwendige Energie. Sehr oft integrieren Hersteller auch zwei wichtige Elemente in den Zwischenkreis: eine Gleichstromdrossel und einen Bremstransistor (Chopper).

• Eine Gleichstromdrossel ist eine Möglichkeit, mit Oberwelleninhalten umzugehen. Es verbessert auch den Leistungsfaktor erheblich.
• Ein Bremstransistor ist erforderlich, wenn eine hohe Trägheit an der Motorwelle sehr schnell gestoppt werden soll.

Während des Bremsvorgangs schaltet der Motor auf Rekuperationsbetrieb um. Der Motor wird zum Generator, der den Wandler mit Energie versorgt. Diese Energie wird im Kondensator gespeichert, der eine endliche Kapazität hat. Nach Überschreiten der Spannungsgrenze am Kondensator schaltet der Umrichter den Motor ab und meldet eine zu hohe Spannung am Kondensator. In einem solchen Fall sollten Sie das eingebaute (oder externe) Bremsmodul verwenden, an das wiederum angeschlossen wird   Bremswiderstand . Nach Überschreiten der Ladegrenze überträgt der Transistor Strom an den externen Bremswiderstand. Die Energie geht am Widerstand in Form von Wärme verloren und der Umrichter regelt den Motor ständig.

Hinter dem Zwischenkreis des Umrichters befindet sich das eigentliche Wechselrichterelement, das die gleichgerichtete Gleichspannung in Wechselspannung mit entsprechender Amplitude und Frequenz umwandelt. Der Motor ist direkt mit dem Wechselrichterelement verbunden. Die Hauptkomponenten des Wechselrichters sind gesteuerte Leistungshalbleiter. Früher waren es Thyristoren, später wurden sie aufgrund der schnelleren Schaltzeit durch IGBT-Transistoren (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) ersetzt. Der Betrieb von Halbleitern erfolgt in zwei Zuständen, daher die häufige Bezeichnung „Transistorschalter“.

Die Schaltfrequenz der Transistoren erreicht 20 KHz (20.000,00 Änderungen pro Sekunde!). Das Schalten der Halbleiter erfolgt über Steuersignale, die in der Umrichtersteuerung generiert werden. Steuersignale können nach verschiedenen Algorithmen und Methoden generiert werden. Das derzeit am weitesten verbreitete Verfahren ist die PWM-Modulation (Pulsweitenmodulation).

Bei dieser Methode bestimmt die Steuerschaltung die Dauer der Ein- und Ausschaltperioden der entsprechenden Transistorpaare. Drei Wechselrichterzweige (zwei Transistoren pro Zweig) erzeugen acht mögliche Öffnungs-/Schließkombinationen der Halbleiterventile. Dadurch entstehen an den Wechselrichterausgängen acht verschiedene Spannungsvektoren (siehe Abb. 2). Die verbleibenden Zwischenvektoren werden durch Kombinieren (Summieren) ausgewählter Hauptvektoren für geeignete Zeiten erhalten.

Je nach Schaltfrequenz der Halbleiterventile entsteht am Wechselrichterausgang eine mehr oder weniger sanft verlaufende Sinuskurve. Normalerweise hat der Benutzer die Möglichkeit, die entsprechende Trägerfrequenz im Gerät selbst einzustellen. Wenn die Trägerfrequenz zu hoch eingestellt wird, wird zu viel Wärme an die Halbleiter abgegeben, was zu einem Leistungsverlust des Wandlers führt (bei einem zu niedrigen Wert stellen die Hersteller in den Benutzerhandbüchern normalerweise Diagramme zur Trägerfrequenz gegenüber der Leistung bereit). , kann es sein, dass der Motor Geräusche macht.

Frequenzumrichter – Skalar- und Vektorsteuerung

Jeder derzeit produzierte Frequenzumrichter verfügt über die Möglichkeit sowohl der Skalar- als auch der Vektorsteuerung.   Die Skalarsteuerung, oft auch U/f-Steuerung (sprich: U bis f) genannt, ist die einfachste Art der Motorsteuerung, die sich seit den 1970er Jahren nicht verändert hat.

Der Skalarmodus basiert auf einem konstanten Spannungs-Frequenz-Verhältnis. Ohne zu sehr ins Detail zu gehen und höhere Mathematik zu betreiben: Ein konstantes Spannungs-Frequenz-Verhältnis gewährleistet die Erzeugung des Nennmagnetflusses im Motor. Dadurch kann das maximale Drehmoment erreicht werden. Leider hat die Skalarsteuerung ihre Nachteile. Bei niedrigen Frequenzen ist das Drehmoment sehr gering und oft zu klein, um mit hohen Massenträgheiten zu arbeiten. Daher wird die Skalarregelung hauptsächlich für Lasten mit variablem Drehmoment wie Pumpen oder Lüfter eingesetzt. Wenn mit konstanten Drehmomentlasten oder großen Trägheiten gearbeitet werden muss, die ein großes Anlaufdrehmoment erfordern, sollte die Vektorsteuerung (oben als PWM-Modulation mit Spannungsvektorsteuerung beschrieben) gewählt werden.

Vektorregelung   ist raffinierter. Um diese Steuerungsmethode verwenden zu können, müssen Sie häufig zunächst alle Motorleistungsdaten angeben, wie zum Beispiel: Strom, Spannung, Leistung, Anzahl der Umdrehungen, Anzahl der Pole, Schlupf, Leistungsfaktor. Anschließend führt der Konverter die sogenannten Operationen durch. Motor-Autotuning, d. h. es schätzt und berechnet automatisch andere Motordaten mit und ohne Motordrehung (Wicklungswiderstand und -induktion, Rotorzeitkonstante und viele andere).

Bei der Vektorregelung nutzt der Wandler ein mathematisches Modell des Motors, das im Signalprozessor implementiert ist. Daher ist es so wichtig, immer alle Motordaten im Konverter zu speichern (je genauer, desto besser die Motorsteuerung) und regelmäßig ein Autotuning durchzuführen (Motorparameter ändern sich im Laufe der Zeit und bei Änderungen der Umgebungsbedingungen).

Schauen Sie sich die Wechselrichter beim Onninen-Großhändler an