Frequenzumrichter zählen zu den Stromrichtern und sind in der Lage, eine elektrische Kenngrößen in eine andere umzuwandeln. In Deutschland fließt Wechselstrom mit einer Frequenz von 50Hz und einer Spannung von 230V je Phase durch die Leitungen in die Haushalte. Im industriellen Umfeld sind Spannungen von 400, 500 und 690V für die dreiphasigen Verbraucher im Einsatz. Ein Frequenzumrichter in der weit verbreiteten Form setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen:
- einem Gleichrichter, der die Wechselspannung vom Netzanschluss in Gleichspannung umwandelt,
- einem Zwischenkreis, der die Gleichspannung glättet und puffert,
- einem Wechselrichter, der die Gleichspannung wieder in Wechselspannung mit den gewünschten Eigenschaften umwandelt.
Ein Frequenzumrichter wird also verwendet, um eine elektrische Wechselspannung über einen Gleichspannungszwischenkreis in eine andere Form von Wechselspannung mit einer variablen Frequenz oder Spannung umzuwandeln.
Nur so schnell, wie nötig
Ein Elektromotor läuft bei direktem Anschluss an das Stromnetz mit einer festen Drehzahl. Möchte man z.B. den Durchfluss von Wasser in einem Rohrsystem regulieren, das von einer Festdrehzahlpumpe gefördert wird, kann man auf eine mechanische Drosselung über Ventile zurückgreifen. Solche Systeme mit Elektromotoren ohne Umrichter sind deshalb vergleichbar mit einem Auto, das ungeachtet der Verkehrslage immer Vollgas fährt und die Geschwindigkeit nur mit der Bremse reguliert. Das verschwendet Energie und trägt zum Verschleiß des Motors und anderer Komponenten bei. Durch den Einsatz von Frequenzumrichtern lässt sich die Leistung an die tatsächlichen Anforderungen einer Anwendung anpassen und viel Energie sparen. Der Motor läuft nur so schnell wie nötig.
Mit Frequenzumrichter sind Betreiber in der Lage, die Drehzahl, mit der ein Motor betrieben wird, zu erhöhen, zu verringern oder konstant zu halten. Motoren lassen sich sanft starten und ruckartige Stopps werden vermieden. In Aufzügen trägt diese Funktion zum Komfort bei, während sie im industriellen Umfeld notwendig ist, um einen reibungslosen Prozessablauf zu gewährleisten. Ein Frequenzumrichter muss dabei nicht wissen, welche Leistung der Motor erbringen soll, denn er regelt primär Drehmoment und Drehzahl des Motors. Maschinenbediener oder die Prozessregelung geben dabei vor, welche Drehzahl oder Drehmoment eine spezifische Anwendung benötigt. In einer Pumpe ist dies unter anderem abhängig von der Menge an Flüssigkeit, die gefördert werden soll, dem Druck, der Viskosität oder der Temperatur.
Frequenzumrichter senken den Energieverbrauch der gesamten Anwendung signifikant, in manchen Fällen sogar bis 70 Prozent. Viele moderne Geräte sind zudem in der Lage, Bremsenergie von Motoren ins Stromnetz zurückzuspeisen. Beim Elektroauto spricht man von Rekuperation. Bei ABB sind diese Geräte seit kurzem auch zertifiziert, sodass sie als Teil einer Stromerzeugungsanlage verwendet werden können, z.B. einer Kleinwasserkraftanlage mit Anschluss an das öffentliche Netz. Damit tragen sie zur regenerativen Stromerzeugung bei. Frequenzumrichter verbessern zudem die Regelung industrieller Anwendungen. Sie fungieren wie ein Tempomat für Industrieanlagen und automatisieren die Regelung. Moderne Umrichter verfügen nicht nur über die Standard-Einstellungen, sondern auch über interne Programmiermöglichkeiten, die für eine Anpassung auf variable Anforderungen genutzt werden können.
Oberschwingungen als Problem
Der Einsatz von Frequenzumrichtern kann jedoch auch zu Oberschwingungen im Stromnetz führen. Sie führen zur Verzerrung der reinen Sinuskurve des Stroms und damit auch der Netzspannung. Diese Verzerrung birgt die Gefahr mehrerer negativer Auswirkungen: Sie kann Messseinrichtungen stören, Interferenzen bei den Kommunikationseinrichtungen verursachen, oder empfindliche elektronische Geräte schädigen. Zudem können Oberschwingungen in manchen Fällen auch eine Überhitzung von Kabeln und Transformatoren verursachen. Anlagenkomponenten so überdimensioniert zu konzipieren, dass Oberschwingungen verlässlich toleriert werden können, ist teuer. Stattdessen sollte das Ziel ein geringer Oberschwingungsgehalt sein, um so das Stromnetz sauber und stabil zu halten. Eine Lösung ist der Einsatz von Ultra-Low Harmonic Drives (ULHD). Diese Art der Frequenzumrichter nutzt anstatt eines einfachen Diodengleichrichters eine spezielle Technologie zur Gleichrichtung der Spannung. Damit erreichen ULHD einen geringen Oberschwingungsgehalt, der bis zu 97 Prozent unter dem Niveau konventioneller Frequenzumrichter liegt. Die übrige Gesamtstromverzerrung von typisch 3 Prozent ist fast schon ein idealer sinusförmiger Strom.
Mit der Oberschwingung im Griff ist dem Einsatz von Frequenzumrichtern kaum ein Limit gesetzt. Die industrielle Fertigung nutzt Frequenzumrichter, um die Motoren besser an die Anforderungen anzupassen und damit die Effizienz der Anlage zu steigern, z.B. für die Regelung von Förderbändern, Kranen, in Pumpen oder Lüftern aber auch in den meisten Produktionsmaschinen wie Extruder, Metallwalzwerke oder Papiermaschinen. Frequenzumrichter sind zwar mit einer Anfangsinvestition verbunden, zahlen sich aber schnell aus. Besonders bei hohen Strompreisen amortisieren sich die Anschaffungskosten in kurzer Zeit. Auch in Anwendungen, in denen die Motoren länger bei einer Drehzahl laufen, spielen Frequenzumrichter ihre Vorteile aus. Sie sorgen für ein sanftes Anlaufen, schonen damit die Anlage und verlängern die Lebensdauer der Komponenten.
