Was ist ein Frequenzumrichter?

Ein Frequenzumrichter (VFD) ist ein elektronisches Gerät, das die Drehzahl von AC-Induktionsmotoren steuert. Bevor wir uns ansehen, wie dies funktioniert und wie es verwendet werden kann, sollten wir uns die Geschichte der Motorsteuerungen ansehen und auch, wie der Induktionsmotor selbst funktioniert.

Es war schon immer nützlich, die Geschwindigkeit von Elektromotoren zu steuern, die in der Industrie verwendet werden. Fast jeder Prozess, der einen Motor verwendet, profitiert von der Drehzahlregelung. Nicht nur der Prozess wird allgemein verbessert, sondern in vielen Fällen (insbesondere bei Pumpen und Ventilatoren) ist dies eine erhebliche Energieeinsparung.

Bevor elektronische Steuerungen zur Verfügung standen, wurden Motoren auf verschiedene Arten gesteuert, zum Beispiel durch Die Steuerung des Feldstroms an einem Gleichstrommotor mit einer Reihe von Widerständen oder durch die Verwendung anderer Motoren. Als jedoch thyristoren, die ersten Leistungshalbleiter, in den 1950er Jahren verfügbar wurden, wurde es möglich, die Ankerspannung und damit die Geschwindigkeit eines Gleichstrommotors mittels Phasensteuerung zu steuern. Diese DC-Antriebe werden auch heute noch hergestellt und sind weit verbreitet.

Die Herausforderung bestand jedoch immer darin, die Geschwindigkeit des AC-Induktionsmotors, auch Asynchronmotor genannt, zu steuern. Während eine Gleichstrommaschine in der Regel zwei gewickelte Teile (die Feld- und Ankerwicklungen) sowie Bürsten und einen Kommutator hat, verfügt die AC-Maschine über eine einfache, feste Wicklung (den Stator) und einen Rotor. Der Rotor besteht in der Regel aus Leitern, die durch Gießen von Aluminium oder Kupfer im Eisenkern gebildet werden. Es gibt keine Bürsten oder Kommutatoren. Die Maschine ist dadurch günstiger, einfacher und zuverlässiger. Es ist wenig überraschend, dass diese Maschinen die Mehrheit der Motoren ausmachen, die in den Industrien der Welt verwendet werden. Wie funktioniert es also und warum braucht es einen Frequenzumrichter?

Beginnen wir mit einem Blick auf einen dreiphasigen Transformator, der in Abbildung 1 dargestellt ist

Abb. 1: Dreiphasentranformator

Wenn die Transformatorwicklung an eine dreiphasige Wechselstromversorgung angeschlossen ist, fließt ein Sinusstrom in den Primärwicklungen. Der Strom bewirkt, dass ein magnetischer Fluss im Eisenkern des Transformators induziert wird, der steigt und fällt, wenn sich die angelegte Spannung (und damit der Strom) abwechselt, normalerweise bei 50 oder 60 Hz, abhängig vom Stromnetz.

Der sich ändernde magnetische Fluss induziert dann eine Spannung in den Sekundärwicklungen, und wenn eine Last angeschlossen ist (oder sogar wenn die Wicklungen kurzgeschlossen sind), fließt ein Strom. Das Verhältnis der Windungen der Primär- und Sekundärwicklung bestimmt das Verhältnis der Primärspannung und der Sekundärspannung, weshalb Transformatoren so nützlich sind.

Stellen Sie sich nun vor, wir rollen die Wicklungen auf, machen einen kleinen Luftspalt zwischen ihnen und lassen die Sekundärwicklung, die jetzt Rotor genannt wird, sich frei bewegen. Dies ist die Grundlage des Induktionsmotors, der in Abbildung 2 dargestellt ist.

Abb. 2: AC-Induktionsmotor-Querschnitt

Wenn wir also eine dreiphasige Versorgung an die Primärwicklung anschließen – jetzt Stator genannt – haben wir wie zuvor Transformatorwirkung und Strom fließt in den Rotorwicklungen (Sekundärwicklungen). Wie oben erwähnt, besteht der Rotor in der Regel aus gegossenen Leitern innerhalb eines Eisenkerns mit einem Kurzschlussring an jedem Ende. Da diese Anordnung ein wenig wie ein kreisförmiger Käfig aussieht (das Eisen natürlich ignorierend!), wird der Motor manchmal als Käfigläufermotor bezeichnet. In Abbildung 2 sind die Leiter senkrecht zum Diagramm und die Kurzschlussringe nicht dargestellt.

Abbildung 3 zeigt eine typische Motorkonstruktion

Abb. 3: Induktionsmotor abgeschnitten

Wenn wir nun ein Magnetfeld und einen elektrischen Strom haben, erhalten wir eine Kraft, und nach Flemings Left Hand Rule wird dies den Rotor drehen, also haben wir einen Motor. Wenn der Motor jedoch beschleunigt, beginnt er das Magnetfeld "einzuholen", das sich effektiv - abwechselnd - mit der Frequenz der dreiphasigen Versorgung um den Stator dreht. Jetzt werden wir nur noch Transformatorenwirkung bekommen, solange sich das Magnetfeld ständig ändert; Transformatoren funktionieren nur mit Wechselstrom. Wenn also der Rotor die Versorgung einholt, gibt es kein sich änderndes Magnetfeld mehr, also keine Transformatorwirkung, keinen Rotorstrom und kein Drehmoment. Ein Standard-Induktionsmotor läuft also immer etwas langsamer als die angelegte Frequenz. Diese Geschwindigkeitsreduzierung wird als Schlupf bezeichnet. Wenn ein Induktionsmotor belastet wird, nimmt der Schlupf etwas zu, es wird mehr Strom gezogen und der Motor nimmt die Last auf. Die Drehzahl des Motors ist also grundsätzlich abhängig von der angelegten Frequenz. In einem einfachen Induktionsmotor ist diese Drehzahl typischerweise einige Prozent niedriger als die Synchrondrehzahl (bei der kein Drehmoment verfügbar ist).

Durch Verdoppelung (oder Verdreifachung usw.) der Anzahl der Wicklungen oder Polpaare kann diese Geschwindigkeit reduziert werden. Ein Motor mit einem Polpaar (ein zweipoliger Motor), der mit einer 50 (60) Hz-Versorgung betrieben wird, arbeitet also mit 48 (58) Umdrehungen pro Sekunde oder 2880 (3480) U / min. Eine vierpolige Maschine, die gebräuchlichste, läuft daher mit 1440 (1740) U / min. Sechs- und achtpolige Motoren sind leicht verfügbar, wobei spezielle Anwendungen mit speziellen Motoren mehr Pole erfordern.

Abbildung 4 zeigt das klassische Drehmoment/Drehzahl-Verhältnis eines AC-Induktionsmotors.

Abb. 4: Drehmoment-/Drehzahlkennlinie eines AC-Induktionsmotor

Wenn wir also die Geschwindigkeit des Motors steuern wollen, müssen wir die angelegte Frequenz variieren. Wenn wir es jedoch schaffen, die Frequenz zu variieren, müssen wir auch auf die Spannung achten, da der Magnetisierungsstrom im Stator vom Integral der Spannung im Laufe der Zeit abhängt. Das heißt, die Fläche unter der Kurve der Sinuswelle. Wenn wir die Frequenz verringern, nimmt die Periode oder Länge der Sinuswelle zu, so dass auch die Fläche darunter zunimmt, was zu einem übermäßigen Magnetisierungsstrom im Motor führt. Wenn wir also die Frequenz reduzieren, müssen wir auch die an den Motor angelegte Spannung proportional reduzieren.

Wie wir das elektronisch mit einem Frequenzumrichter machen, besprechen wir im nächsten Artikel.

Im letzten Artikel haben wir gesehen, dass ein AC-Induktionsmotor mit einer Geschwindigkeit läuft, die von der angelegten Frequenz abhängt, mit einer leichten Verringerung der Geschwindigkeit, die als Schlupf bekannt ist. Um die Motordrehzahl zu steuern, müssen wir diese Frequenz variieren und auch die angelegte Spannung steuern, um den optimalen Fluss oder das Magnetfeld aufrechtzuerhalten.

Fast alle Frequenzumrichter arbeiten auf der Grundlage, dass sie die vorhandene Wechselstromversorgung nehmen, sie mit einem Gleichrichter in Gleichstrom umwandeln und dann mit einem Wechselrichter wieder in eine variable Frequenzversorgung umwandeln. Der Wechselrichter ist der Schlüsselteil davon, daher wird ein Frequenzumrichter manchmal einfach als Wechselrichter bezeichnet.

Wechselrichter und in geringerem Maße Gleichrichter sind auf moderne Leistungshalbleiter angewiesen, die hohe Spannungen (z. B. Versorgungsspannungen) und Ströme von Hunderten von Ampere schalten und leiten können. Sie benötigen auch leistungsstarke Mikroprozessoren, um sie zu steuern. Diese Komponenten waren nur in den letzten dreißig Jahren zu vernünftigen Kosten und Zuverlässigkeit erhältlich, daher sind Frequenzumrichter ein relativ modernes Industrieprodukt.

Wie funktionieren sie eigentlich?

Beginnen wir mit dem Gleichrichter. Abbildung 5 zeigt einen dreiphasigen Gleichrichter, der aus sechs Dioden besteht, die als einfache Last mit einem Kondensator und einem Widerstand verbunden sind.

Abb. 5: Dreiphasiger Gleichrichter mit Kondensator und ohmscher Last

Die Dioden leiten nur in eine Richtung (in die Richtung, in die sie zeigen); der Kondensator speichert Energie ein wenig wie eine Batterie, der Widerstand wirkt als Last. Wenn wir eine dreiphasige Versorgung an die Eingänge auf der linken Seite anschließen, beginnen wir, Strom in den Kondensator zu pumpen, und die Spannung baut sich auf, was zu einem Stromfluss im Widerstand führt. Sie können den Leitungspfad von einer beliebigen Phase zur anderen durch eine obere Diode, den Kondensator / Widerstand und dann durch eine niedrigere Diode verfolgen.

Im stationären Zustand sitzt die Spannung am Kondensator ziemlich nahe an der Spitze der Sinusspannung des Eingangs. Jetzt leiten die Dioden nur, wenn die Eingangsspannung höher ist als die Spannung am Kondensator. Folglich gibt es nacheinander einen kurzen Stromimpuls durch jede Diode, was zu der charakteristischen "Twin Peaks" -Wellenform des Stroms in jeder der drei Phasen führt, wie in der Abbildung gezeigt. Wenn wir eine einphasige Versorgung verwenden, benötigen wir nur vier Dioden, und wir erhalten einen einzigen Peak pro Halbzyklus, also brauchen wir einen größeren Kondensator, um die Lücken in den Spannungsspitzen zu halten.

Bei ein- oder dreiphasigen Systemen können diese Stromimpulse Konsequenzen für die Versorgung haben, wie wir später sehen werden. Allerdings haben wir jetzt eine relativ glatte Gleichspannung am Kondensator. Wenn wir den Widerstand wegnehmen und stattdessen einen Wechselrichter anschließen, beginnt er wie ein Frequenzumrichter auszusehen (Abbildung 6).

Abb. 6: Frequenzumrichter-Leistungsbereich

Nun zum Business-Teil. Wir haben sechs Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBTs). Diese fungieren als sehr schnelle Leistungsschalter. Sie haben Dioden parallel zu ihnen aus Gründen, die klar werden.

Wir können jetzt ein oberes und unteres IGBT einschalten und einen Strompfad über zwei beliebige Motoranschlüsse bereitstellen. Um ein IGBT einzuschalten, legen wir einfach ein paar Volt an das Gate an (hier unverbunden dargestellt). Dann dirigiert das IGBT in Pfeilrichtung. Je nachdem, welche IGBTs wir einschalten, können wir einen positiven oder negativen Strompfad durch den Motor erzeugen. Daher können wir AC aus DC herstellen.

Was wir nicht tun, ist, ein oberes und unteres IGBT einzuschalten, die direkt übereinander liegen, da dies einen Kurzschluss zum Zwischenkreis verursachen würde. Wenn wir stattdessen IGBTs in einer sorgfältig kontrollierten Reihenfolge ein- und ausschalten, können wir einen Dreiphasenstrom in den Motorwicklungen aufbauen. Wenn wir die Zeit variieren, für die wir die IGBTs ein- und ausschalten, können wir diesen Strom steuern. Dies liegt daran, dass sich der Motorstrom nicht sehr schnell ändert, so dass wir durch Erhöhen und Verringern der Einschaltzeiten einen Sinuswellenstrom im Motor mit praktisch jeder gewünschten Frequenz aufbauen können. Das ist natürlich das, was wir tun wollen, um die Motordrehzahl zu kontrollieren. Mit der gleichen Technik können wir die effektive Spannung steuern, die wiederum das Magnetfeld steuert.

Diese Einschaltzeitregelung wird als Pulsweitenmodulation (PWM) bezeichnet und ist in Abbildung 7 vereinfacht dargestellt. Das Ein- und Ausschalten der sechs IGBTs bietet Strompfade zum Motor und lässt einen dreiphasigen Sinusstrom fließen, der den Motor mit der gewünschten Geschwindigkeit dreht.

Abb. 7: Pulsweitenmodulation

Wenn wir unsere IGBTs mehrere tausend Mal pro Sekunde schalten (normalerweise zwischen 4 und 16 kHz), können wir eine recht schöne Stromwellenform aufbauen, wie in Abbildung 8 gezeigt.

Abb. 8: Spannung und Strom am Motor

Beachten Sie, dass die Ausgangsspannung aus vielen Impulsen und nicht aus einer schönen Sinuswelle besteht. Der Motor glättet den Strom zu einer leicht gezackten Sinuswelle, aber die Spannung besteht immer noch aus der PWM-Wellenform der IGBTs. Dies kann zu Problemen führen, auf die wir später eingehen werden. Der Motor ist jedoch mit dem gezackten Strom zufrieden und dreht sich mit der erforderlichen Geschwindigkeit. Der Motorstrom ist aufgrund des Motorleistungsfaktors mit der "durchschnittlichen" Spannung phasenverschoben.

Was machen also die Dioden im Wechselrichter? Nun, der Strom im Motor ändert sich nicht sehr schnell, wenn wir also ein IGBT ausschalten, muss der Strom weiter fließen, oder es wird Probleme geben. Die Dioden stellen diesen Strompfad automatisch bereit, indem sie den Strom einschalten oder kommutieren. Daher der Name Kommutierungs- oder Schwungraddioden.

Wechselrichter sind sehr schwer zu steuern – sie wurden als Kurzschluss beschrieben, der darauf wartet, zu passieren, aber moderne Leistungshalbleiter sind ziemlich robust, und schnelle, leistungsstarke digitale Signalprozessoren ermöglichen eine zuverlässige und präzise Steuerung des Ein- und Ausschaltens.

Übrigens ist der Leistungsteil des Frequenzumrichters vollständig an die Wechselstromversorgung angeschlossen und arbeitet mit Gleichspannungen von 300 V (mit einem 230 V AC-Eingang) bis zu 600 - 900 V mit industriellen dreiphasigen Stromversorgungen. Daher ist die interne Isolierung zwischen den Steuerkreisen, Kundenschnittstellen und dem Leistungsteil sicherheitskritisch.