Frequenzumrichter – Funktion und Anwendung

Die Drehzahl eines Drehstrom-Asynchronmotors ist keine frei wählbare Größe. Sie ergibt sich aus dem Drehfeld im Stator, und dieses Drehfeld dreht sich genau so schnell, wie die Frequenz der Speisespannung es vorgibt. Diese Drehfelddrehzahl nennt man Synchrondrehzahl:

Ein zweipoliger Motor hat die Polpaarzahl p = 1, ein vierpoliger p = 2. Am 50-Hz-Netz ergibt das 3000 1/min beziehungsweise 1500 1/min. Der Läufer selbst dreht etwas langsamer als das Drehfeld — die Differenz heißt Schlupf und ist Thema eines eigenen Beitrags. Für das Verständnis des Umrichters genügt: Wer die Frequenz halbiert, halbiert die Drehzahl.

Genau hier setzt der Frequenzumrichter an. Andere Verfahren greifen nur in den Anlauf ein: Eine Stern-Dreieck-Schaltung oder ein Sanftanlaufgerät begrenzen den Anlaufstrom, ändern aber nichts an der Betriebsdrehzahl — dazu gibt es jeweils eigene Beiträge. Der Umrichter dagegen stellt die Drehzahl im laufenden Betrieb stufenlos ein, von nahe null bis über die Nenndrehzahl hinaus.

Der praktische Gewinn ist groß. Bei Pumpen und Lüftern steigt der Leistungsbedarf mit der dritten Potenz der Drehzahl. Wer eine Pumpe statt mit einer Drossel über die Drehzahl regelt und sie nur mit 80 Prozent laufen lässt, spart rund die Hälfte der Antriebsleistung.

Ein Frequenzumrichter kann die Frequenz nicht direkt am Netz verändern — er muss die Netzspannung erst „auflösen“ und dann neu aufbauen. Das geschieht in drei hintereinander geschalteten Baugruppen.

Die erste Stufe ist der Gleichrichter. Er macht aus der dreiphasigen Wechselspannung des Netzes eine pulsierende Gleichspannung. Wie eine Gleichrichterbrücke im Detail arbeitet, ist ein eigenes Thema — hier genügt, dass am Ausgang eine Gleichspannung steht.

Die zweite Stufe ist der Zwischenkreis. Ein großer Kondensator glättet die pulsierende Gleichspannung zu einer möglichst konstanten Gleichspannung und puffert Energie. Der Zwischenkreis ist gewissermaßen der Energiespeicher zwischen Netz und Motor. An ihn ist auch der Brems-Chopper angeschlossen: ein elektronischer Schalter, der bei Bedarf einen Bremswiderstand zuschaltet. Bremst der Motor ab, wirkt er als Generator und speist Energie zurück in den Zwischenkreis. Die Zwischenkreisspannung würde dadurch gefährlich ansteigen. Der Brems-Chopper schaltet dann den Bremswiderstand zu, der diese Energie als Wärme abführt. Der Widerstand kann im Gerät sitzen oder extern angeschlossen sein.

Die dritte Stufe ist der Wechselrichter. Er baut aus der Gleichspannung des Zwischenkreises wieder eine dreiphasige Wechselspannung auf — diesmal aber mit frei wählbarer Frequenz und Spannungshöhe. Als Schalter dienen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) — schnelle Leistungshalbleiter, die viele tausend Mal pro Sekunde ein- und ausschalten. Wie sie das im Einzelnen tun, zeigt das nächste Kapitel.

Der Signalweg lautet also: Netz → Gleichrichter → Zwischenkreis → Wechselrichter → Motor. Die Frequenz, mit der der Motor läuft, entsteht erst in der letzten Stufe und hat mit der Netzfrequenz nichts mehr zu tun.

Der Wechselrichter erzeugt keine glatte Sinusspannung. Seine IGBT-Schalter kennen nur zwei Zustände: ein oder aus. Aus diesen Schaltzuständen formt er die Ausgangsspannung mit der Pulsweitenmodulation (PWM). Dabei schaltet er die volle Zwischenkreisspannung in sehr kurzen, unterschiedlich breiten Impulsen auf den Motor. In der Mitte einer Sinushalbwelle sind die Impulse breit, an den Rändern schmal. Im zeitlichen Mittel entsteht so eine Spannung, deren Verlauf einer Sinuskurve folgt. Die Schaltfrequenz liegt typisch bei einigen Kilohertz — schnell genug, dass die Induktivität der Motorwicklung den Strom glättet und der Motor einen nahezu sinusförmigen Strom „sieht“. Über die Breite der Impulse stellt der Umrichter gleichzeitig die Höhe der Ausgangsspannung ein. Das ist wichtig, denn Spannung und Frequenz dürfen nicht unabhängig voneinander verstellt werden.

Der Grund liegt im magnetischen Fluss im Motor. Der Fluss ist proportional zum Verhältnis aus Spannung und Frequenz. Bleibt die Spannung konstant und sinkt nur die Frequenz, steigt der Fluss — der Eisenkern gerät in die Sättigung, der Strom schießt hoch, der Motor wird heiß. Steigt die Frequenz bei konstanter Spannung, sinkt der Fluss und damit das verfügbare Drehmoment. Damit der Fluss konstant bleibt, muss die Spannung im gleichen Verhältnis wie die Frequenz mitgeführt werden:

Diesen Zusammenhang bildet die U/f-Kennlinie ab. Von null bis zur Nennfrequenz steigt die Spannung linear mit der Frequenz — das Verhältnis bleibt konstant, das Drehmoment ist über den ganzen Bereich verfügbar. An der Nennfrequenz erreicht die Spannung ihren Maximalwert, die Netzspannung. Höher kann der Umrichter nicht gehen. Wird die Frequenz darüber hinaus erhöht, bleibt die Spannung konstant, das Verhältnis U/f sinkt, der Fluss schwächt sich ab. Dieser Bereich heißt Feldschwächbereich: Die Drehzahl steigt weiter, das verfügbare Drehmoment nimmt aber ab.

Ein Sonderfall liegt am unteren Ende der Kennlinie. Bei sehr kleinen Frequenzen ist die Spannung ohnehin niedrig, und ein merklicher Teil davon fällt schon am ohmschen Widerstand der Motorwicklung ab — für den Aufbau des Flusses bleibt zu wenig übrig, das Anlaufdrehmoment sackt ein. Deshalb bietet jeder Umrichter eine Spannungsanhebung (Boost): Die Kennlinie wird im unteren Frequenzbereich gezielt etwas angehoben, um den Spannungsabfall auszugleichen.

Ein Frequenzumrichter wird nicht einfach angeschlossen und eingeschaltet — er wird parametriert. Vor der Inbetriebnahme trägt man die Motordaten vom Typenschild ein: Nennspannung, Nennfrequenz, Nennstrom, Nenndrehzahl und Leistung. Erst damit kann der Umrichter die U/f-Kennlinie und seine Schutzfunktionen richtig einstellen.

Zu den wichtigsten Parametern im Betrieb gehören die Hochlauframpe und die Bremsrampe. Sie legen fest, in welcher Zeit der Antrieb von null auf die Sollfrequenz beschleunigt und wieder abbremst. Eine lange Rampe schont Mechanik und begrenzt den Strom, eine kurze bringt schnelle Reaktion. Dazu kommen die minimale und maximale Frequenz, die den erlaubten Drehzahlbereich eingrenzen. Für das aktive Abbremsen sorgt der im Kapitel 2 erwähnte Brems-Chopper mit Bremswiderstand; die verschiedenen Bremsverfahren bei Asynchronmotoren sind ein eigenes Thema.

Beim Anschluss sind zwei Sicherheitsaspekte zentral, die in der österreichischen Praxis nicht verhandelbar sind.

Der erste betrifft den Personenschutz. Frequenzumrichter erzeugen im Fehlerfall nicht nur die üblichen Wechselfehlerströme, sondern können auch glatte Gleichfehlerströme verursachen. Ein gewöhnlicher Fehlerstromschutzschalter vom Typ A erkennt solche glatten Gleichströme nicht zuverlässig — er kann „erblinden“ und im Ernstfall nicht auslösen. Nach dem österreichischen Regelwerk (ÖVE/ÖNORM E 8101) ist deshalb bei dreiphasig gespeisten Umrichtern ein allstromsensitiver RCD vom Typ B zu verwenden, der auch glatte Gleichfehlerströme erfasst. Hinzu kommt: Umrichter erzeugen betriebsbedingt Ableitströme über die Schirmung und die Y-Kondensatoren des Eingangsfilters. Diese Ableitströme müssen bei der Auswahl von RCD und Schutzleiterquerschnitt berücksichtigt werden, sonst löst der Schutzschalter im normalen Betrieb ungewollt aus.

Der zweite Aspekt ist die funktionale Sicherheit. Moderne Umrichter besitzen die Sicherheitsfunktion Safe Torque Off (STO) — die sichere Momentenabschaltung. Sie unterbindet die Ansteuerung der IGBT, sodass der Motor garantiert kein Drehmoment mehr aufbauen kann, ohne dass der Antrieb komplett vom Netz getrennt werden muss. Das hat zwei Vorteile: Die Maschine ist sicher stillgesetzt, etwa für einen Eingriff im Gefahrenbereich, und sie ist sofort wieder betriebsbereit, ohne langwierigen Wiederanlauf. STO ist heute in der Automatisierungstechnik Standard und Teil des Sicherheitskonzepts many Anlagen.

Ein dritter Punkt ist die EMV. Wegen der schnellen Schaltflanken der IGBT erzeugt ein Umrichter hochfrequente Störungen. Die Verbindung zwischen Umrichter und Motor muss deshalb mit einer geschirmten Motorleitung ausgeführt und der Schirm beidseitig großflächig aufgelegt werden. Eine saubere Erdung ist Pflicht — sowohl für die EMV als auch für die Schutzfunktion.

Eingesetzt werden Umrichter heute überall dort, wo eine veränderliche Drehzahl gebraucht wird: bei Pumpen und Lüftern zur Energieeinsparung, bei Förderbändern und Aufzügen für sanftes Anfahren und genaues Positionieren, bei Werkzeugmaschinen für unterschiedliche Vorschub- und Spindeldrehzahlen.