Frequenzumformer und Frequenzumrichter einfach erklärt

Was genau ist ein Frequenzumformer?

Ein Frequenzumformer ist eine Maschine zur Umwandlung einer Spannung. In der Regel besteht ein elektrischer Umformer aus einem Gleichrichter und einem Wechselrichter. Der Gleichrichter versorgt einen Gleichstrom-Zwischenkreis, der Wechselrichter greift auf diesen zurück. Erst das ermöglicht die Umwandlung des Stroms in eine umgerichtete Spannung. Man unterscheidet generell drei Arten von Frequenzumformern:

• Asynchrone Frequenzumformer
• Synchrone Frequenzumformer
• Frequenzumformer mit Stromwender

Asynchrone Frequenzumformer dienen dazu, Drehstrommotoren mit höheren Drehzahlen zu betreiben. In ihnen sind ein Drehstrom-Asynchronmotor und ein mechanisch gekuppelter Schleifringläufermotor verbaut. Mithilfe von Statorwicklungen und mittels eines Schalters ist der asynchrone Frequenzumformer an das Netz angeschlossen. Die Läuferspannung reicht von 42 bis 500 Volt. Der Netzstrom erzeugt ein magnetisches Drehfeld. Dadurch entsteht eine Wechselspannung, die die Läuferwicklungen an die Schleifringe weitergeben. Diese Art von Frequenzumformer benutzt man vor allem als Schnellfrequenzumformer für den Antrieb von schnelllaufenden Induktionsmotoren mit hoher Drehzahl. Synchrone Frequenzumformer ähneln den asynchronen Frequenzumformern, bis auf den Unterschied, dass der Motor ein Drehstrom-Synchronmotor ist. Bei kleineren Maschinen ist stattdessen ein Reluktanzmotor verbaut. Frequenzumformer mit Stromwender dienen der Umwandlung niederfrequenter Wechselspannungen. Sie treiben langsam laufende Maschinen an. Hier kommt ein Stellwiderstand zum Einsatz. Es entsteht ein Drehfeld und die Drehzahl entspricht der Schlupffrequenz. Ein Kollektor nimmt die elektrische Energie auf.

In welchen Maschinen sind Frequenzumformer verbaut?

Frequenzumformer dienen dem Antreiben verschiedenster Antriebstechnik. Dazu gehören unter anderem:

• Drehstrommotoren
• Pumpen
• Klimaanlagen
• Antriebe in der Schwerindustrie
• Antriebe in der Textilindustrie und der Zuckerindustrie

Die letzten beiden Punkte beziehen sich vor allem auf die Frequenzumformer mit Stromwender. Aufgrund des hohen Wartungsbedarfs und des aufwändigen Aufbaus findet man sie heute nicht mehr in vielen Betrieben. Inzwischen verwendet man zumeist elektronische Frequenzumrichter anstelle der Frequenzumformer.

Was ist ein Frequenzumrichter?

Bei einem Frequenumzrichter handelt es sich um einen Stromrichter, der eine Wechselspannung so verändert, dass sie von elektrischen Maschinen genutzt werden kann. Dafür verändert der Frequenzumrichter die Frequenz und die Amplitude in der Wechselspannung. Er besteht in der Regel aus einem Gleichrichter und aus einem Wechselrichter. Ein Kondensator im Zwischenkreis glättet die Gleichspannung und die Komponenten. Frequenzumrichter dienen der Steuerung und der Versorgung von elektrischen Motoren. Sie erzeugen variable Wechselspannungen und arbeiten nicht mit einer festen Frequenz oder Spannungsamplitude. Generell unterscheidet man zwischen indirekten statischen Frequenzumrichtern und direkten Frequenzumrichtern. Indirekte statische Frequenzumrichter verwenden gesteuerte und ungesteuerte Brücken als Gleichrichter. Gesteuerte Brücken können etwa Transistoren oder Schaltthyristoren sein. Der Zwischenkreis beim Frequenzumrichter setzt sich aus einem Kondensator und den Induktivitäten zusammen. In der Regel verfügen Frequenzumrichter über Komponenten, die überschüssige Energie in Wärme umwandeln. Direktrichter nennt man auch Matrixumrichter. Sie benötigen keinen Zwischenkreis. Gleichzeitig sind sie auf eine lückenlose Energiezufuhr angewiesen. Sie können im Brückenbetrieb arbeiten und man verwendet sie unter anderem in Fahrstühlen.

Was sind die Einsatzbereiche von Frequenzumrichtern?

Die Einsatzbereiche von Frequenzumrichtern umfassen verschiedene Industrien zahlreicher Branchen. Man benötigt sie dort, wo eine feste Drehzahl gegeben ist, weil das Wechselspannungsnetz eine feste Spannung liefert. Verwendet werden sie zum Antreiben von Maschinen wie etwa:

• Pumpen
• Elektrische Bahnen
• Fertigungsmaschinen
• Lüftungen
• Transport
• Servoantriebe
• Kräne
• Hebesysteme

Je nach den Einsatzbereichen kommen unterschiedliche Typen von Frequenzumrichtern zum Einsatz.

Wo liegen die Unterschiede bei der Drehzahl?

Bei einem Frequenzumformer ist die mechanische Drehzahl genauso gross wie die des Elektromotors. Das liegt an der festen Kupplung. Frequenzumrichter hingegen können stufenlos zwischen mehreren Drehzahlen wechseln. Die Bandbreite reicht von null bis zur Nenndrehzahl der Netzfrequenz.

Wieso muss man die Spannung umwandeln?

Die Spannung ist die treibende Kraft für den Stromfluss – ohne Spannung kein Strom. In Batterien und Akkus sind es chemische Prozesse, die die elektrische Spannung erzeugen. Viele Maschinen nutzen als Spannungsquelle einen Gleichstrom, während andere auf einen Wechselstrom angewiesen sind. Wechselstrom zeichnet sich dadurch aus, dass die Polung periodisch wechselt und sich der Spannungswert ständig ändert. Alltägliche elektronische Gebrauchsgegenstände kommen mit dem normalen Wechselstrom des Stromnetzes aus. Dieser liefert eine konstante Wechselspannung. Bestimmte Maschinen und Motoren benötigen allerdings variable Wechselspannungen, um etwa die Drehzahl und das Drehmoment schalten zu können. Frequenzumformer und Frequenzumrichter haben die Aufgabe, diese Wechselspannung aus dem Netz anzupassen. Drehstrommotoren werden dadurch nicht in der Leistung gedrosselt und lassen sich gezielt ansteuern.

Welches Zubehör gibt es für Frequenzumrichter?

Im Handel gibt es diverses Zubehör und weitere Produkte für die Verwendung von Frequenzumrichtern, wie abgeschirmte Leitungen, Steuerelemente, Sinusfilter, Bremswiderstände oder Netzfilter. Es gibt auch tragbare Frequenzumformer. Damit lassen sich unter anderem Aussenrüttler, Hochfrequenz-Innenrüttlersysteme und Vibrationsplatten für die Verdichtung beim Bau betreiben. Die Anpassung der Drehzahl ist etwa bei den Konfigurationen der Hochfrequenz-Innenrüttlersysteme wichtig.