Umformer

Ein Umformer ist eine rotierende elektrische Maschine, die eine Stromart, z. B. Gleichstrom, in eine andere, z. B. Wechselstrom, umwandelt.
Durch die Weiterentwicklung bei den Halbleiterbausteinen (Thyristoren) werden immer mehr mechanische Umformer durch ruhende elektronische Leistungseinheiten ersetzt.

Zwei Umformersätze

Grundlagen

Umformer waren vor der Einführung des Wechselstromnetzes, der dann verwendbaren Transformatoren sowie Halbleiter-Gleichrichtern und Umrichtern auch für kleine Leistungen gebräuchlich. Heute werden nur noch Einheiten für große Leistungen betrieben. Eine großtechnische Anwendung erfolgt noch in Bahnstrom-Umformerwerken. Auch die Bundeswehr benutzt noch Umformer, um Flugzeuge bei Wartungsarbeiten mit Strom zu versorgen.

Aufbau

Ein Umformer besteht aus einem Elektromotor, der einen Generator für die gewünschte Stromart antreibt. Beide können als Umformer-Satz, d. h. als einzelne, mit ihren Wellen gekoppelte Maschinen realisiert sein oder sie bestehen aus nur einer Maschine (so genannte Einankerumformer), in der sich beides befindet. Solche Einankerumformer haben überhaupt keine nach außen ragende Welle.

Anwendungen

Umformer-Satz: links die Gleichstrommaschine, rechts die Drehstrommaschine

Mit einem an einen netzbetriebenen Asynchronmotor gekoppelten, fremderregten Gleichstromgenerator kann zum Beispiel über die Steuerung dessen Erregung eine variable Gleichspannung erzeugt werden.

Soll bei konstanter Antriebsdrehzahl auch die abgegebene Frequenz variabel sein, bestehen folgende Möglichkeiten:

• ein Synchrongenerator wird mit einer Wechselspannung variabler Frequenz erregt
• an eine variable Gleichspannung (siehe oben) wird ein weiterer Umformersatz, bestehend aus Gleichstrommotor und Synchrongenerator angeschlossen.

Weitere Anwendungen von Umfromern bzw. Maschinensätzen liegen im Abfangen von Laststößen, wie sie zum Beispiel bei Walzantrieben in Stahlwerken oder auch bei der Versorgung von Hochspannungslabors vorkommen. Durch die Schwungmasse und die mechanische Entkopplung können so abrupte Lastschwankungen in das elektrische Versorgungsnetz vermieden werden.

Der Leonardsatz, ein Maschinensatz zum drehzahlvariablen Antrieb großer Maschinen, gehört eigentlich nicht zu den Umformern, aufgrund der ähnlichen verwendeten Komponenten und Prinzipien ist er hier jedoch ebenfalls beschrieben.

Einankerumformer

Einankerumformer zur Erzeugung von 400-Hz-Drehstrom (36 V) aus 27 V Gleichspannung. Durchmesser 100 mm

Einankerumformer wurden für kleine Leistungen zum Beispiel zur Erzeugung von Kleinspannungen aus dem ursprünglichen Gleichstromnetz verwendet. Eine weitere Anwendung kleiner Einankerumformer war zum Beispiel die Erzeugung des 400-Hz-Drehstromes (36 V) zum Betrieb von Kreiselmotoren in Kreiselkompassen oder des Künstlichen Horizonts aus dem 28-V-Gleichstrom-Bordnetz von Flugzeugen.
Solche kleinen Umformer besaßen eine Permanentmagnet-Erregung, ihre abgegebene Spannung konnte daher nur über die Eingangsspannung beeinflusst werden.

Bahnstrom

Die Frequenz des Fern-Bahnstromes in Deutschland und anderer europäischer Länder beträgt 16,7 Hz oder 25 Hz. Diese niedrigen Frequenzen wurden als Kompromiss gewählt, um einerseits in der Lokomotive einen Stelltransformator betreiben zu können (die weite Übertragung erfordert überdies eine hohe Spannung, mit der die Motoren nicht direkt betrieben werden können) und andererseits effektiv die Reihenschluss-Gleichstrommotoren des Antriebes zu speisen (diese arbeiten am besten mit Gleichstrom, mit niedriger Frequenz zumindest aber besser als an 50 Hz). Die benutzten Frequenzen ergeben sich konkret aus dem Teilerverhältnis 1:2 bzw. 1:3 der Netzfrequenz 50 Hz, sodass sie mit Umformern auf einer gemeinsamen Welle aus dieser erzeugt werden konnten. Bahnstrom-Umformer-Sätze besitzen eine Fremderregung, sodass sich die abgegebene Spannung steuern lässt. Sie sind rückspeisefähig.

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  Maschine E2 im Umformerwerk Karlsruhe; links befindet sich der Motor, rechts der Generator. Die Leistung beträgt etwa 25 MW.

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  Läufer und die Ständerwicklung der Maschine E1 im Umformerwerk Karlsruhe während Reparaturarbeiten. Normalerweise ist die Welle mit dem Generator verbunden. Die Leistung beträgt etwa 25 MW.

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  Offener Motor der Maschine E1 im Umformerwerk Karlsruhe während Reparaturarbeiten. Am dicken Teil der Welle befinden sich normalerweise die Kohlebürsten.

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  Offener Generator (rechts) und Läufer (links) der Maschine E1 im Umformerwerk Karlsruhe während Reparaturarbeiten.

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  Dieses Bild verdeutlicht die Ausmaße des Rotors.

Leonardsatz

Der Leonardsatz heißt nach seinem Erfinder, dem amerikanischen Elektroingenieur Harry Ward Leonard, auch Ward-Leonard-Umformer. Er besteht aus einem Umformer (dieser formt Drehstrom in eine variable Gleichspannung um) und einem daran angeschlossenen Gleichstrommotor. Der Leonardsatz war früher die einzige Möglichkeit zur Realisierung großer drehzahlvariabler Antriebe, die mit Drehstrom gespeist wurden.

Umformer-Teil eines Leonardsatzes

Mit Lastmaschine (4)

Der abgebildete Umformer-Teil eines Leonardsatzes dient der Versorgung und Steuerung einer Pendelmaschine eines Motorenprüfstandes und besteht aus:

• dem Antrieb (1), einem Asynchronmotor
• dem Generator (2), einer fremderregten Gleichstrommaschine
• dem Erregergenerator (3), einem kleinen Hilfs-Gleichstromgenerator zur Erzeugung der Erregerspannung für (2)

Ein Leonardsatz besteht aus einem Umformer, der zunächst mithilfe eines Asynchronmotors und einem mit diesem mechanisch gekoppelten Gleichstromgenerator eine über dessen Erregung steuerbare Gleichspannung erzeugt (Spannungswandlung). Der Primärantrieb ist normalerweise ein direkt ans Wechselstromnetz angeschlossener Asynchronmotor, könnte aber auch ein Gleichstrommotor oder ein Verbrennungsmotor sein. Die von diesem Umformer gelieferte variable Gleichspannung speist einen Gleichstrommotor, dessen Erregung teilweise ebenfalls variiert wird. Der Motor kann auch räumlich getrennt vom Umformersatz untergebracht sein, nämlich bei der anzutreibenden Maschine (Walzwerk, Aufzug, Spinnmaschine usw.). Belastungseinrichtungen von Motorprüfständen nutzen die Tatsache, dass ein Leonardsatz rückspeisefähig ist, d. h. er kann Energie zurück ins Netz speisen, wenn der Abtrieb des Gleichstrommotors angetrieben wird - dieser arbeitet dann als Generator, die Gleichstrommaschine des Umformersatzes als Motor und die Asynchronmaschine als Asynchrongenerator. Siehe auch Pendelmaschine.

Normalerweise beinhaltet ein Leonardsatz zusätzlich einen Erregergenerator (Nebenschlussmaschine), um den Gleichstrommaschinen eine Erregerspannung zur Verfügung zu stellen. Dieser Erregergenerator wird durch den Primärantrieb mitangetrieben. Dessen kleine Erregerleistung kann mit einem Stellwiderstand gesteuert werden.
Der Anker des Gleichstromgenerators ist direkt an den Anker des Gleichstrommotors angeschlossen; dieser Gleichspannungs-Zwischenkreis überträgt die Leistung, der darin fließende große Strom muss nicht geschaltet werden - einer der Vorteile des Leonardsatzes. Der Erregerstrom des Motors wird normalerweise nicht geändert, um bei allen Drehzahlen das maximale Drehmoment zur Verfügung zu haben. Mittels Feldschwächung kann jedoch dessen Drehzahl auf Kosten des Drehmomentes über die Nenndrehzahl hinaus erhöht werden.

Der Ward-Leonard-Satz ermöglicht verlustarme drehzahlvariable Antriebe und auch die Energierückgewinnung beim Bremsen. Außerdem kann der Gleichstrommotor auch stoßweise belastet werden, ohne dass sich die Laststöße auf das Netz übertragen (Massenträgheit des Maschinensatzes). Das Anfahren des Gleichstrommotors bzw. der angetriebenen Maschine erfolgt durch Hochfahren der Generatorspannung von Null, indem der Erregerstrom des Gleichstromgenerators allmählich erhöht wird. Ein hoher Einschaltstrom tritt folglich nur beim Start des Asynchronmotors auf.

Ilgner-Umformer

Historische Umformer mit Schwungrad

Der Ilgner-Umformer beruht auf dem gleichen Prinzip wie der Leonardumformer. Seine Besonderheit ist lediglich ein großes Schwungrad welches mit dem Drehstrommotor gekoppelt ist. Diese Schwungmasse speichert kinetische Energie, welche verschieden genutzt werden kann:

• es können damit Antriebsausfälle überbrückt werden
• es können Laststöße abgefangen werden, wie sie zum Beispiel bei Walzantrieben in Stahlwerken vorkommen.

Leonardsätze fanden ihre Anwendung ab Anfang der 1920er Jahre und laufen zum Teil bis heute. Gute Alternativen ergaben sich erst durch Thyristorsteller und Frequenzumrichter. Hierbei sind allerdings elektrische Speicher erforderlich, um den mechanischen Energiespeicher des Ilgner-Umformers zu ersetzen.

Die stoßweise Netzbelastung von Walzwerken, Elektrostahl-Öfen oder anderen Lichtbogen-Öfen führt auch heute zu lästigen Netzspannungsschwankungen, daher baut man sie häufig nahe von Kraftwerken, deren Generatoren und Turbinen Lastschwankungen aufgrund ihrer Massenträgheit ausgleichen können.

Literatur

• Hans-Günter Boy, Horst Flachmann, Otto Mai, Jürgen Rabens: Elektrische Maschinen und Steuerungstechnik. In: Die Meisterprüfung. 8. Auflage, Vogel, Würzburg 1990, ISBN 3-8023-0725-9.
• Peter Bastian, Horst Bumiller, Monika Burgmaier u. a.: Fachkunde Elektrotechnik. 27. Auflage, Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 2009, ISBN 978-3-8085-3188-4 (mit DVD).

Siehe auch

• Frequenzumformer