Frequenzwandler

Frequenzumformer mit Asynchronmotor (links) und Schleifringläufergenerator (rechts)

Ein Frequenzumformer ist eine rotierende Maschine oder ein Maschinensatz, der elektrische Energie mit Netzfrequenz umwandelt, in eine Spannung mit einer anderen Frequenz. Frequenzumformer werden benötigt um Verbraucher oder Netze mit der notwendigen Frequenz zu versorgen, wenn diese nicht vom vorhandenen Netz zur Verfügung gestellt wird.

Grundlagen

Zur Frequenzumformung werden auch heute noch rotierende Frequenzumformer eingesetzt. Durch Frequenzumformer wird aus der Netzfrequenz ein Drehstrom mit niedrigerer oder höherer Frequenz erzeugt. Als Antriebsmaschinen dienen meistens Drehstromasynchronmotoren oder auch bei bestimmten Anwendungsfällen Drehstromsynchronmotoren. Bedingt durch die starre Kupplung von Motor und Frequenzwandler (Generator), ist die mechanische Drehzahl des Frequenzwandlers genauso groß wie die Drehzahl der Antriebsmaschine. Werden Frequenzumformer zur Frequenzumwandlung eingesetzt, können Netzrückwirkungen ausgeschlossen werden. Auch werden dem Verbraucher Ströme mit perfekter Sinusform zur Verfügung gestellt. Die Frequenzen liegen je nach verwendetem Umformertypen zwischen 6 Hz - 800 Hz. Nachteilig ist bei Frequenzumformern der geringe Gesamtwirkungsgrad von $η$ = 0,5 - 0,6.

Arten von Frequenzumformern

Frequenzumformer, auch Frequenzwandler genannt, können sowohl Maschinensätze als auch Einzelmaschinen sein. Kleinere Frequenzumformer werden als Einwellenumformer ausgeführt. Hierbei sitzen die Rotoren der beiden Maschinen auf einer Welle. Bei den Statoren der beiden Maschinen befinden sich die Wicklungen und Blechpakete in einem Gehäuse. Bei größeren Maschinen verwendet man Zweimaschinensatzumformer. Hierbei sind zwei getrennte Maschinen miteinander gekuppelt.

Es gibt folgende Frequenzumformer

Asynchrone Frequenzumformer
Synchrone Frequenzumformer
Frequenzumformer mit Stromwender

Von den Frequenzumformern sind Frequenzumrichter zu unterscheiden. Diese werden oftmals als statische Frequenzumformer bezeichnet.

Asynchrone Frequenzumformer

Asynchrone Frequenzumformer werden zur Erzeugung höherer Frequenzen verwendet. Durch höhere Frequenzen ist es möglich Drehstrommotoren mit höheren Drehzahlen zu betreiben.

Aufbau

Asynchrone Frequenzumformer bestehen aus einem antreibenden Drehstrommotor und einem mechanisch gekuppelten Schleifringläufermotor. Die Statorwicklungen beider Maschinen des asynchronen Frequenzumformers werden über einen Schalter (Schütz) an das Netz angeschlossen. Das Ausgangsnetz für die Verbraucher wird an den Schleifringen des Schleifringläufers angeschlossen. Je nach Läuferausführung beträgt die Läuferspannung zwischen 42 Volt bis 500 Volt. Schleifringläufermaschinen bei denen die Ausgangsspannung kleiner als 125 Volt ist, haben einen sehr hohen Ausgangsstrom. Bei diesen Maschinen wird eine andere Schaltungsvariante angewendet. Das Ausgangsnetz (Sekundärnetz) wird mit der Statorwicklung verbunden und das Eingangsnetz (Primärnetz) wird an den Läufer des Schleifringsläufers angeschlossen. Die übliche Schaltungsvariante ist aber wie zuerst genannt.

Die Frequenzumformung

Wird an dem Stator eines Schleifringläufermotors eine Wechselspannung angelegt, so kann man an den drei Läuferklemmen eine Drehspannung abgreifen. Dies ist die auf dem Leistungsschild angegebene Läuferstillstandsspannung. Es handelt sich hierbei um die so genannte Transformatorenwirkung mit Schlupf s=100% und der Frequenz $f sek = f Netz$ . Wird der Schleifringläufermotor angetrieben, so ist die Frequenz dieser Drehspannung variabel. Bei einer Drehung in Richtung Drehfeld wird die Schnittgeschwindigkeit vermindert. Dadurch nehmen Läuferfrequenz und Läuferspannung proportional mit dem Schlupf ab.

Die Frequenz und auch die Spannung lassen sich folglich nur über eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit steigern. Die Schnittgeschwindigkeit wiederum lässt sich auf zwei Arten erhöhen:

der Läufer wird erheblich schneller in Drehfeldrichtung angetrieben. Dieses bezeichnet man als negativen Schlupf
Der Läufer wird entgegen dem Drehfeld angetrieben. Dieses bezeichnet man als inversen Schlupf. (s > 100%) oder inverse Richtung. Diese Antriebsart ist in der Praxis vorherrschend.

Die Frequenz der Läuferspannung und des Läuferstromes ist, bei gegebener Drehzahl, abhängig von der Schlupfdrehzahl $Δ n$ und ändert sich proportional nach folgender Gleichung:

$f_\text{2} = \frac{f_1 \, \mathrm \cdot\Delta n}{\mathrm n_1}=s\cdot f_1$

Funktion

Bei der üblichen Schaltungsvariante erzeugt der Drehstrom aus dem Primärnetz in der Statorwicklung ein magnetisches Drehfeld. Das Drehfeld induziert in den Läuferwicklungen eine Wechselspannung, welche an den Schleifringen aufgegriffen werden kann. Die Frequenz der Läuferspannung ist bei stillstehendem Läufer genauso groß wie die Netzfrequenz $f 1$ des Primärnetzes. Dies liegt daran, dass für beide Wicklungen die Umlaufdrehzahl des Drehfeldes gleich ist. Treibt man den Läufer mit dem Antriebsmotor in Richtung des Drehfeldes an, wird die Ausgangsfrequenz $f 2$ kleiner, was aus der Formel ersichtlich ist:

$f_\text{2} = \frac{p \, \mathrm \cdot n}{\mathrm 60}-f_\text{1}$

Erst durch Antreiben des Frequenzumformers über die Nenndrehzahl lässt sich auch hier eine Frequenzerhöhung erreichen.

Wird der Läufer gegen das Ständerdrehfeld angetrieben, so schneidet die Läuferwicklung die Feldlinien öfter als im Stillstand. Die Folge davon ist, dass die Ausgangsfrequenz größer ist als die Eingangsfrequenz. Die Ermittlung der Frequenz erfolgt bei Antrieb gegen das Drehfeld gemäß folgender Formel:

$f_\text{2} = \frac{p \, \mathrm \cdot n}{\mathrm 60}+f_\text{1}$

Einen weiteren Einfluss auf die Ausgangsfrequenz hat zum einen die Drehzahl der antreibenden Maschine, zum anderen die Polpaarzahl $p$ der Schleifringläufermaschine. Ist die Polpaarzahl des Generators größer als die des Motors, ist die Ausgangsfrequenz höher als die Netzfrequenz. Umgekehrt wird die Ausgangsfrequenz niedriger wenn die Polpaarzahl des Motors höher ist als die des Generators. Bei bekannten Polpaarzahlen sowohl des Frequenzwandlers $p F$ als auch des Motors $p M$ und der Frequenz $f 1$ , lässt sich unter Vernachlässigung des Schlupfes, die Ausgangsfrequenz $f 2$ anhand der folgenden Formeln überschlägig ermitteln:

Leerlauffrequenz bei gleicher Drehfeldrichtung

$f_\text{2} = f_\text{1} \mathrm \cdot\left(1- \tfrac{p_{F}}{p_{M}}\right)$

Leerlauffrequenz bei ungleicher Drehfeldrichtung

$f_\text{2} = f_\text{1} \mathrm \cdot\left(1+ \tfrac{p_{F}}{p_{M}}\right)$

Für einen Frequenzumformer mit einem 2 poligen Motor und einem 4 poligen Generator bedeutet dies beim Betrieb am 50 Hz Netz:

bei gleicher Drehfeldrichtung beträgt die Ausgangsfrequenz 50 Hz.
bei ungleicher Drehfeldrichtung beträgt die Ausgangsfrequenz 150 Hz.

Mit einer entsprechenden Drehzahl des Antriebsmotors und bei geeigneter Polzahl des Schleifringläufers kann man Frequenzen bis etwa 500 Hertz erreichen. Für Spezialbereiche werden moderne Frequenzumformer mit Ausgangsfrequenzen von bis zu 800 Hz gefertigt. Wird das Drehfeld durch einen Wendeschalter umschaltbar gemacht, kann man mit demselben Umformer wahlweise zwei Frequenzen liefern. Diese Frequenzumschaltmöglichkeit wird bei Frequenzen oberhalb von 200 Hertz häufig genutzt. Allerdings ändert sich jedoch mit der Frequenz auch die Spannung, bei doppelter Frequenz ist auch die Spannung doppelt so hoch. Bei bekannter Ausgangsspannung $U 21$ und bekannten Ausgangsfrequenzen $f 21$ und $f 22$ lässt sich die Ausgangsspannung $U 22$ anhand der folgenden Formel ermitteln:

$\frac{U_\text{21}}{U_{22}} = \frac{f_\text{21}}{f_{22}}$

Betriebsverhalten

Wird der Umformer belastet wird auch der Antriebsmotor belastet. Dadurch dreht der Antriebsmotor um den Schlupf langsamer. Durch diese Drehzahländerung des Antriebsmotors ändert sich auch die Sekundärfrequenz des Frequenzumformers. Da der Schlupf bei Drehstrommotoren gering ist, ist auch die Änderung der Sekundärfrequenz gering. Da durch die Belastung des Frequenzumformers die Drehzahl etwas kleiner wird bilden sich in ihm Streufeldlinien. Außerdem ruft der Innenwiderstand der Ausgangswicklung Spannungsabfälle hervor. Die Spannung sinkt bei Belastung gegenüber der Leerlaufspannung um etwa 10 % ab. Bei Entlastung steigt die Spannung wieder an. Bei der Verwendung von polumschaltbaren Antriebsmotoren kann der Frequenzumformer mehrere Frequenzen liefern, allerdings ist die Spannung dann auch bei jeder Frequenz verschieden.

Einsatzbereiche

Eingesetzt werden asynchrone Frequenzumformer besonders als Schnellfrequenzumformer. Diese schnellfrequenten Wechselströme (100 Hz - 500 Hz) werden zum Antrieb schnell laufender Induktionsmotoren benötigt. Insbesondere dort wo hohe Drehzahlen bis zu 18000 $1 / m i n$ erforderlich sind, kommen Frequenzumformer zum Einsatz. Für den Laborbetrieb stattet man den Frequenzumformers mit einen Drehzahlvarianten Antrieb aus so lässt sich mit dieser Technik eine Drehspannung mit einstellbarer Frequenz erzeugen.

Einsatzbeispiele

Holzbearbeitungsmaschinen
Bohrmaschinen mit Induktionsmotoren
Schleifmaschinen mit Induktionsmotoren
Bodenstromversorgungen von Flughäfen
Versorgung von Schiffen
Prüffelder
Radar
Laborbetrieb

Da asynchrone Frequenzumformer sehr robust sind, konnten sie ihren Platz gegenüber den Frequenzumrichtern behaupten.

Synchrone Frequenzumformer

Synchrone Frequenzumformer sind so aufgebaut wie asynchrone Frequenzumformer. Der einzige Unterschied im Aufbau liegt in der antreibenden Maschine. Es wird als antreibende Maschine ein Drehstrom-Synchronmotor verwendet. Dadurch erreicht man eine belastungsabhängige Drehzahl und eine bessere Spannungskonstanz. Für kleinere Maschinensätze werden überwiegend Reluktanzmotoren als Antriebsmotor verwendet.

Frequenzumformer mit Stromwender

Frequenzumformer mit Stromwender werden überwiegend zur Erzeugung sehr niederfrequenter Wechselspannungen verwendet. Hier haben zwei Maschinentypen bis heute einen Nischenplatz behaupten können.

Schlupffrequenzumformer
Integrierter dynamischer Frequenzumformer