Frequenzumformer

Frequenzumformer im Bahnstromumformerwerk Karlsruhe zur Erzeugung von Bahnstrom mit 16,7 Hz. Links befindet sich der Motor, rechts der Generator.

Frequenzumformer mit Asynchronmotor (links) und Schleifringläufergenerator (rechts)

Ein Frequenzumformer, auch Frequenzwandler genannt, ist eine rotierende elektrische Maschine, die Wechselspannung einer bestimmten Netzfrequenz in eine Spannung mit einer anderen Frequenz umwandelt. Frequenzumformer wurden benötigt, um Verbraucher oder Netze mit der notwendigen Frequenz zu versorgen, wenn diese nicht vom vorhandenen Netz zur Verfügung gestellt wird.^[1] Durch die Weiterentwicklung bei den Halbleiterbausteinen werden heutzutage statt mechanischer Frequenzumformer meistens elektronische Frequenzumrichter verwendet (auch als statische Frequenzumformer bezeichnet), außer in einigen Bahnstromumformerwerken.

Ähnliche Anlagen, die Gleichstrom in Wechselstrom wandeln sind Umformer.

Grundlagen

Durch Frequenzumformer wird aus der Netzfrequenz ein Drehstrom mit niedrigerer oder höherer Frequenz erzeugt, je nach Bauart zwischen 6 Hz und 800 Hz. Als Antriebsmaschinen dienen meistens Drehstromasynchronmotoren oder in bestimmten Anwendungsfällen auch Drehstromsynchronmotoren. Durch die starre Kupplung ist die mechanische Drehzahl des Frequenzwandlers (Generators) genauso groß wie diejenige des Elektromotors.^[2]

Vor- und Nachteile gegenüber Frequenzumrichtern

Werden Frequenzumformer zur Frequenzumwandlung eingesetzt, können Netzrückwirkungen ausgeschlossen werden. Zudem bestehen die spezifischen Eigenschaften rotierender Maschinen gegenüber statischen Umrichtern (hohe Kurzschlussströme, Trägheit der rotierenden Massen etc.). Auch wird dem Verbraucher eine Spannung mit geringem Oberschwingungsanteil zur Verfügung gestellt. Der Gesamtwirkungsgrad $\eta$ setzt sich aus dem Produkt der beiden Wirkungsgrade von Motor und Generator zusammen und liegt üblicherweise über 0,5.^[3]

Bauformen

Frequenzumformer können sowohl Einzelmaschinen als auch Maschinensätze sein.

Kleinere Frequenzumformer werden als Einwellenumformer ausgeführt. Hierbei sitzen die Rotoren beider Maschinen auf einer gemeinsamen Welle sowie die die Wicklungen und Blechpakete beider Statoren in einem gemeinsamen Gehäuse.
Bei größeren Maschinen verwendet man Zweimaschinensatzumformer. Hierbei sind zwei getrennte Maschinen miteinander gekuppelt.^[1]

Bauarten

Es gibt folgende Bauarten von Frequenzumformern:

Asynchrone Frequenzumformer (Drehstrom-Asynchronmotor als Antrieb)
Synchrone Frequenzumformer (Drehstrom-Synchronmotor als Antrieb)
Frequenzumformer mit Stromwender.^[4]

Asynchrone Frequenzumformer

Asynchrone Frequenzumformer erzeugen höhere Frequenzen, wodurch Drehstrommotoren mit höheren Drehzahlen betrieben werden können.^[1]

Aufbau

Asynchrone Frequenzumformer bestehen aus einem antreibenden Drehstrom-Asynchronmotor und einem mechanisch gekuppelten Schleifringläufermotor. Die Statorwicklungen beider Maschinen des asynchronen Frequenzumformers werden über einen Schalter an das Netz angeschlossen. Das Ausgangsnetz für die Verbraucher wird an die Schleifringe des Schleifringläufers angeschlossen.^[5] Je nach Läuferausführung beträgt die Läuferspannung zwischen 42 Volt und 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.^[4]

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.^[5] Es handelt sich hierbei um die so genannte Transformatorenwirkung mit Schlupf s=100% und der Frequenz ${f_{\text{sek}}}={f_{\text{Netz}}}$ . 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.^[4]

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 $\Delta _{n}$ und ändert sich proportional nach folgender Gleichung:

f_{\text{2}}={\frac {f_{1}\,\mathrm {\cdot } \Delta n}{\mathrm {n} _{1}}}=s\cdot f_{1}

Quelle:^[2]

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 abgegriffen 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.^[3] 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 {6} 0}}-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 {6} 0}}+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)

Quelle:^[1]

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 Hz erreichen.^[3] Für Spezialbereiche werden moderne Frequenzumformer mit Ausgangsfrequenzen von bis zu 800 Hz gefertigt.^[6] 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 Hz 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 ${U_{\text{21}}}$ und bekannten Ausgangsfrequenzen ${f_{\text{21}}}$ und ${f_{\text{22}}}$ lässt sich die Ausgangsspannung ${U_{\text{22}}}$ anhand der folgenden Formel ermitteln:

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

Quelle:^[2]

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.^[1]

Einsatzbereiche

Eingesetzt werden asynchrone Frequenzumformer besonders als Schnellfrequenzumformer. Diese schnellfrequenten Wechselströme (100 Hz – 500 Hz) werden zum Antrieb schnelllaufender Induktionsmotoren benötigt.^[3] Insbesondere dort, wo hohe Drehzahlen bis zu 18.000 $1/min$ erforderlich sind, kommen Frequenzumformer zum Einsatz. Für den Laborbetrieb stattet man den Frequenzumformer mit einem Drehzahlvarianten-Antrieb aus. So lässt sich mit dieser Technik eine Drehspannung mit einstellbarer Frequenz erzeugen. Typische Einsatzbeispiele liegen im Bereich bei Holzbearbeitungsmaschinen, Bohrmaschinen mit Induktionsmotoren, Schleifmaschinen mit Induktionsmotoren,^[1] Bodenstromversorgungen von Flughäfen, Versorgung von Schiffen, Prüffelder, Radar und im Laborbetrieb.^[2]

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

Synchrone Frequenzumformer

Synchrone Frequenzumformer sind aufgebaut wie asynchrone Frequenzumformer mit dem einzigen Unterschied, dass die antreibende Maschine ein Drehstrom-Synchronmotor ist, der bei kleineren Maschinensätzen überwiegend ein Reluktanzmotor ausgeführt ist. Dadurch erreicht man eine belastungsunabhängige Drehzahl und eine bessere Spannungskonstanz.^[2]

Frequenzumformer mit Stromwender

Frequenzumformer mit Stromwender werden überwiegend zur Erzeugung sehr niederfrequenter Wechselspannungen und damit zum Antrieb langsam laufender Maschinen verwendet.
Hier haben zwei Maschinentypen bis heute einen Nischenplatz behauptet:

Schlupffrequenzumformer
Integrierter dynamischer Frequenzumformer.^[7]