Grundlegendes über Frequenzumrichter

Da in der Antriebstechnik heute fast ausschließlich KSL - Motore verwendet werden

benötigt man FU zur Stufenlosen Drehzahlregelung.

Grundsätzlich kann der Frequenzumrichter in vier Hauptbestandteile unterteilt werden:

Gleichrichter

Zwischenkreis

Wechselrichter

Steuerkreis

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Gleichrichter

Die Versorgungsspannung ist eine Dreiphasen  - Wechselspannung oder eine einphasige Wechselspannung aus dem Netz.

Der Gleichrichter des Frequenzumrichters besteht entweder aus Dioden, Thyristoren oder einer Kombination dieser Halbleiter. Ein aus Dioden bestehender Gleichrichter ist ungesteuert(z.B.: normale B6U Schaltung). Ein aus Thyristoren bestehender Gleichrichter ist gesteuert. Bei einer Kombination aus Dioden und Thyristoren ist der Gleichrichter halbgesteuert.

Gesteuerte Gleichrichter

In gesteuerten Gleichrichtern werden die Dioden durch Thyristoren ersetzt.

Eine Regelung der Spannung ist möglich.

Verglichen mit ungesteuerten Gleichrichter verursacht der gesteuerte Gleichrichter große Verluste und Störungen im Versorgungsnetz, weil der Gleichrichter einen großen Blindstrom aufnimmt, wenn die Thyristoren für kurze Zeit leiten. Dies ist eine Ursache dafür, dass Thyristoren hauptsächlich in Wechselrichtern von Frequenzumrichter eingesetzt werden.

Der Vorteil des gesteuerten Gleichrichters ist, dass Bremsleistungen im Zwischenkreis zurückgeführt werden können.

Zwischenkreis

Der Zwischenkreis kann nach drei verschiedenen Prinzipien aufgebaut sein.

Spannungsgeführter Frequenzumrichter ( U - Umrichter)

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Der Zwischenkreis kann aus einem Filter bestehen, der einen Kondensator und eine Spule beinhaltet. Dieser Zwischenkreis kann mit beiden Gleichrichtertypen kombiniert werden. Der Filter glättet die pulsierende Gleichspannung des Gleichrichters. Beim gesteuerten Gleichrichter wird die Spannung bei einer gegeben Frequenz konstant gehalten. Die Spannung, die zum Wechselrichter weitergeführt wird, ist somit eine reine Gleichspannung mit variabler Amplitude. Beim ungesteuerten Gleichrichter ist die Spannung am Eingang des Wechselrichters eine Gleichspannung mit konstanter Amplitude.

Stromgeführter Frequenzumrichter ( I - Umrichter)

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Dieser Zwischenkreistyp besteht aus einer sehr großen Spule und wird nur mit dem gesteuerten Gleichrichter kombiniert. Die Spule formt die variable Spannung des Gleichrichters in einen variablen Gleichstrom um. Die Belastung bestimmt die Größe der Motorspannung. Dieser Zwischenkreis hat den Vorteil, dass Bremsleistungen ohne zusätzliche Komponenten zurück ins Versorgungsnetz geführt werden können.

Variable Gleichspannungszwischenkreis

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Im Zwischenkreis kann kann auch ein Chopper vor einen Filter eingesetzt werden. Der Chopper besteht aus einem Transistor, der als Schalter verwendet wird und die gleichgerichtete Spannung ein - oder ausschaltet. Der Steuerkreis regelt den Chopper durch Vergleich der variablen Spannung nach dem Filter mit dem Eingangssignal.

Der Filter des Zwischenkreises soll die Rechteckspannung nach dem Chopper glätten. Kondensator und Spule des Filters halten dabei die Spannung bei einer gegebenen Frequenz konstant.

Wechselrichter

Der Wechselrichter ist das letzte Glied im Frequenzumrichter vor dem Motor. Hier erfolgt die letzte Anpassung der Ausgangsspannung..

Auch wenn die Wechselrichter unterschiedlich wirken, der prinzipielle Aufbau ist immer gleich. Die Hauptkomponenten sind gesteuerte Halbleiter, die paarweise auf drei Zweigen angeordnet sind.

Grundsätzlich muss der Wechselrichter dafür sorgen, dass die Versorgung zum Motor eine Wechselgröße wird. Mit anderen Worten, im Wechselrichter muss die Frequenz der Motorspannung erzeugt werden. Die Steuerung des Wechselrichters ist davon abhängig, ob einen variable oder konstante Größe empfangen wird. Bei variablem Strom oder Spannung muss im Wechselrichter nur die Frequenz erzeugt werden. Bei konstanter wird mit Wechselrichter die Frequenz und Amplitude der Spannung erzeugt.

Die Halbleiter des Wechselrichters leiten und sperren Signale je nach Ansteuerung vom Steuerkreis. Die Signale sind nach verschiedenen Prinzipien steuerbar. Wenn der Wechselrichter einen Strom verarbeiten soll, sind einige andere Komponenten notwendig im Vergleich mit einem Wechselrichter, der eine Spannung verarbeiten soll.

In den letzten Jahren wurden die Thyristoren der Wechselrichter durch moderne Bauelemente wie Bipolar (LTR), Unipoloar (MOS) Transistor und Insolated Gate Bipolar Transistor (IGBT) ersetzt. Diese haben den Vorteil, dass sie jederzeit leiten oder sperren können. Der Wechsel vom leitenden in den gesperrten Zustand erfolgt sofort.

Thyristoren können nur mit Hilfe einer Löschschaltung  abgeschaltet werden, da sie erst wechseln, wenn die Spannung wieder zu Null wird. Die Schaltfrequenz für Thyristoren liegt maximal bei etwa 2kHz und für moderne Bauelemente wie IGBT`s bei etwa 20 kHz.

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Dieser Wechselrichter besteht vereinfacht dargestellt aus sechs Dioden, sechs Thyristoren und sechs Kondensatoren.

Die Kondensatoren müssen die Energie beinhalten, die für das Ausschalten (löschen) der Thyristoren benötigen wird und müssen daher der Motorgröße

angepasst sein.

Die Kondensatoren erlauben das Ein - und Ausschalten der Thyristoren, damit der Strom 120 Grad in den Phasenwicklungen verschoben wird. Durch das periodische und wechselseitige Anlegen des Stromes an die Motorklemmen U - V, V - W, W - U, entsteht ein Springen des Drehfeld mit der gewünschten Frequenz im Stator. Auch wenn der Motorstrom hierbei viereckig wird, ist die Motorspannung fast sinusförmig. Es gibt jedoch jedesmal Spannungsspitzen, wenn der Strom ein - oder ausgeschaltet wird.

Die Dioden trennen die Kondensatoren vom Belastungsstrom des Motors.

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Dieser Wechselrichter besteht aus sechs Thyristoren, Transistoren oder anderen elektronischen Schaltelementen. Unabhängig vom eingesetzten Halbleitertyp ist die Funktion im Prinzip gleich. Der Steuerkreis schaltet die Halbleiter nach verschiedenen Prinzipien (Modulation) aus und ein und ändert damit die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters.

Die Intervalle, während der einzelne Halbleiter leiten oder sperren, werden in ein Muster gelegt, das abhängig zu der gewünschten Ausgangsfrequenz durchfahren wird.

Das Schaltmuster der Halbleiter wird von der Größe der variablen Spannung oder Strom des Zwischenkreises gesteuert. Mit einem spannungsgesteuerten Oszillator folgt die Frequenz immer der Amplitude der Spannung.

Es gibt verschiedene Arten wie der Steuerkreis die Halbleiter steuert zB.:

Nach der Puls Amplituden Modulation oder Puls Weiten Modulation

NACHSTEN IERT STUNDEN

Der Steuerkreis

Er kann in 4 Aufgaben unterteilt werden:

*Datenaustausch zwischen FU und Pheripherie

*Steuerung der Halbleiter des FU zB.: der Halbleiter des Wechselrichters nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation oder Pulsamplitudenmodulation

*Zum Erfassen von Störmeldungen

*Zum Ausführen von Schutzfunktionen für FU und Motor