Was ist ein Frequenzumrichter?
Ein Frequenzumrichter (VFD) ist ein elektronisches Steuergerät, das zur Drehzahlregelung von Wechsel- und Gleichstrommotoren dient. Die gängigsten Arten von Wechselstrommotoren sind Wechselstrom-Induktionsmotoren oder Asynchronmotoren. Die Vorteile der Verwendung eines VFD sind Energieeinsparungen bei HVAC-Lüfter- und Pumpenanwendungen, eine verbesserte Motordrehmoment- und Drehzahlregelung in industriellen Anwendungen und ein verbesserter Motorschutz.
Motorgrößen für VFD-Betrieb:
Frequenzumrichter können Motoren von ¼ PS bei 120 Volt einphasig bis 20.000 Kilowatt bei 11.000 Volt dreiphasig betreiben. Industriemotoren sind typischerweise dreiphasig, und die in den USA am häufigsten verwendete Spannung beträgt 480 V. Andere übliche Spannungen sind 230, 2300 und 4160 V. Der Motor ist so ausgelegt, dass er je nach Pol des Motors mit verschiedenen Spannungen betrieben werden kann.
Motoren sind so konstruiert, dass sie mit einer konstanten Drehzahl laufen, die von der Anzahl der Pole im Motor abhängt. Die Frequenz der dem Motor zugeführten Spannung bestimmt die Drehzahl des Motors. Diese Drehzahl ist eine Funktion der angelegten Frequenz multipliziert mit 120 geteilt durch die Anzahl der Pole pro Phase.
So ändert ein VFD die Drehzahl eines Motors:
VFDs steuern Motoren, indem sie die Frequenz zwischen 0 und 60 Zyklen oder Hertz pro Sekunde variieren. Sie können auch Frequenzen außerhalb des Standardbands von 0-60 Hz bis zu 600 Hz ändern. Über 600 Hz handelt es sich bei der Anwendung normalerweise um einen Hochgeschwindigkeitsspindelmotor. Über 600 Hz handelt es sich bei der Anwendung normalerweise um einen Hochgeschwindigkeitsspindelmotor. Der VFD variiert die Eingangsfrequenz, indem er die Ausgangsfrequenz der AC-Sinuswelle an den Motor anpasst. Um dies zu erreichen, verfügt der VFD über vier Hauptkomponenten:
- Der Diodengleichrichter- bzw. Konverterteil wandelt die 60 Hz-Netzwechselspannung über einen Diodengleichrichter in Gleichspannung um.
- Der DC-Busabschnitt speichert die umgewandelte Wechselspannung in einem Kondensator. Bei einem 480-V-AC-Eingang kann die Spitzenspannung am dreiphasigen DC-Bus 648 V DC betragen (= 480 V x Sq. Rt. √1,82).
- Der Wechselrichterabschnitt oder IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) wandelt die gespeicherte Gleichspannung in eine analoge Wechselstrom-Sinuswellenform um, die als Pulsweitenmodulation bezeichnet wird, um eine Wechselstromwellenform zu simulieren. Die pulsweitenmodulierte Wellenform hat eine Amplitude (Höhe), die der maximalen Eingangsspannung entspricht, normalerweise 480 Volt, und einen Arbeitszyklus (Breite). Die Anzahl der Arbeitszyklen pro Sekunde ist die Frequenz in Hertz, und die Rate, mit der der IGBT ein- und ausgeschaltet wird, ist die Trägerfrequenz. Trägerfrequenzen reichen von 2,000 Hz bis 15,000 Hz. Höhere Trägerfrequenzen erzeugen bessere Wellenformen. Stellen Sie sich einen Lichtschalter an der Wand vor, der Spannung und Strom zum Betreiben einer Glühbirne zulässt. Spannung und Strom fließen mit einer Rate von 60 Zyklen pro Sekunde zur Glühbirne. Jedes Lichtflackern ist zu schnell, um mit bloßem Auge erkannt zu werden.
- Der VFD-Steuerabschnitt bestimmt die Spannung und Frequenz oder die Arbeitszykluszahl, die an den Motor gesendet wird. Der Motor verwendet eine pulsweitenmodulierte Wellenform, um die Motordrehzahl zu steuern.
Die Entwicklung von Frequenzumrichtern
VFDs haben sich im Laufe der Zeit weiterentwickelt, aber die grundlegende Funktionalität bleibt bestehen. Sie werden in vielen Anwendungen eingesetzt und unterstützen die Weiterentwicklung von Branchen. Mit dem aktuellen Aufschwung im IIoT und der intelligenten Fertigung werden VFDs ein wesentlicher Bestandteil der Prozessverbesserung und liefern aussagekräftige Daten, die Herstellern helfen, in ihren Branchen führend zu werden.