Der Frequenzumrichter ist ein gut bekanntes elektronisches Gerät, daher werden wir die grundlegenden Aspekte seiner wesentlichen Anwendungen kurz darstellen.

Umrichter dienen dazu, eine Art von Versorgungsspannung (Gleich- oder Wechselspannung) in eine andere Spannung mit variabler Frequenz und Amplitude umzuwandeln. Moderne Frequenzumrichter basieren in der Regel auf der IGBT-Transistortechnologie (Insulated Gate Bipolar Transistor), die eine effiziente Regelung von Leistung, Drehzahl und Drehmoment elektrischer Motoren ermöglicht.

Frequenzumrichter werden häufig zur Drehzahlregelung von Motoren und zur Steuerung ihrer Geschwindigkeit in unterschiedlichen industriellen Anwendungen eingesetzt. Dank der präzisen Regelung von Frequenz und Spannungsamplitude ermöglichen moderne Umrichter eine stufenlose und exakte Anpassung der Motordrehzahl an die Prozessanforderungen. Dies ist besonders vorteilhaft bei Anwendungen wie Pumpen, Lüftungsanlagen, Förderbändern, in der Lebensmittelindustrie usw.

Sie ermöglichen zudem eine präzise Drehmomentregelung des Motors durch Anpassung von Spannung und Frequenz. Dadurch kann das Drehmoment exakt an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst werden. Typische Einsatzbereiche sind beispielsweise das Heben und Senken von Lasten, Hebezeuge oder der Transport schwerer Güter.

Moderne Frequenzumrichter können außerdem als Softstarter eingesetzt werden, also als Geräte für einen sanften Motoranlauf. Dadurch werden plötzliche mechanische Belastungen und Stromspitzen reduziert, was sich positiv auf die Lebensdauer des Motors und der angeschlossenen Komponenten auswirkt. In Anwendungen, bei denen ein sanftes Anfahren und Abbremsen erforderlich ist, wie etwa bei Förderbändern oder Kompressoren, werden Frequenzumrichter zur kontrollierten Drehzahlführung beim Start und Stopp eingesetzt.

In bestimmten Anwendungen, bei denen eine Maschine kinetische Energie in das Versorgungsnetz zurückspeist, können Frequenzumrichter als regenerative Geräte arbeiten. Dabei wird die zurückgewonnene Energie wieder in elektrische Energie umgewandelt und in das Netz eingespeist. Dies ist insbesondere bei Anwendungen mit dynamischem Bremsen, wie Aufzügen oder Hebeanlagen, von Vorteil.

Effektiver Einsatz von Umrichtern in automatisierten Prozessen

Frequenzumrichter werden in der industriellen Automatisierung hauptsächlich zur Steuerung verschiedener Antriebsarten eingesetzt, wie Drehstrommotoren, Synchronmotoren, Schrittmotoren usw. Dank ihrer Flexibilität und Programmierbarkeit ermöglichen sie die Integration mit PLC-Steuerungen und anderen Geräten zur Automatisierung von Produktionsprozessen.

In der industriellen Automatisierung gibt es zahlreiche hochwertige Frequenzumrichter, deren Angebote hinsichtlich Service und Einsatzmöglichkeiten in unterschiedlichen Anwendungen verglichen werden können. Die Auswahl des optimalen Umrichters hängt von den spezifischen Anforderungen und Bedürfnissen des jeweiligen Systems ab.

Beliebte und anerkannte Serien von Frequenzumrichter-Herstellern für Automatisierungsanwendungen werden in Form grundlegender Informationen zu den jeweiligen Produktreihen beschrieben.
Die Angebote globaler Hersteller, die ihre Lösungen bereits vor Jahrzehnten auf den Markt gebracht haben, bieten eine enorme Auswahl – nicht nur aufgrund der präzisen Segmentierung ihres Portfolios nach Branchen, sondern auch aufgrund modernster Technologien und umfassender Expertise in jedem dieser Segmente. Die Aufteilung großer Hersteller in Geschäftsbereiche gewährleistet eine gezielte Fokussierung auf ausgewählte Sektoren und wirkt sich direkt darauf aus, wie die industrielle Automatisierung in branchenspezifischen KMU-Sektoren weiterentwickelt werden kann.

Schneider Electric Altivar Process
Die Serie Altivar Process von Schneider Electric bietet erweiterte Funktionen wie präzise Drehzahlregelung, fortschrittliche Drehmomentsteuerung, Netzwerkanbindung und integrierten Motorschutz innerhalb einer Produktreihe. Sie wird in verschiedenen Industriezweigen eingesetzt, unter anderem aufgrund ihrer hohen Widerstandsfähigkeit in der Chemie-, Energie- und Lebensmittelindustrie.

ABB ACS800
Die Frequenzumrichter der Serie ACS800 von ABB sind für ihre hohe Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit bekannt. Sie verfügen über Funktionen zur Drehzahlregelung, bieten fortschrittliche Schutzfunktionen und adaptive Drehmomentregelung. Umfangreiche Kommunikationsmöglichkeiten gewährleisten eine flexible Einsetzbarkeit.

Siemens SINAMICS
Die Frequenzumrichter-Serie SINAMICS von Siemens umfasst verschiedene Modelle, die an unterschiedliche industrielle Anwendungen angepasst werden können. Sie bieten erweiterte Funktionen zur Drehzahlregelung sowie insbesondere zum Motorschutz und zur Kommunikation.

Rockwell Automation PowerFlex
Die Frequenzumrichter-Serie PowerFlex von Rockwell Automation ist in der industriellen Automatisierung weit verbreitet. Sie bietet verschiedene Modelle, die an spezifische Anwendungen angepasst werden können. Wie die zuvor genannten Serien verfügen sie über Drehzahlregelungsfunktionen sowie erweiterte Diagnose- und Kommunikationsfunktionen.

Mitsubishi Electric FR-A800
Die Frequenzumrichter Mitsubishi Electric FR-A800 bieten hohe Präzision und Zuverlässigkeit. Sie verfügen über fortschrittliche Funktionen zur Drehzahlregelung, zum Motorschutz und zur Kommunikation.

Es ist zu beachten, dass die Auswahl des geeigneten Frequenzumrichters von den spezifischen Anforderungen der Anwendung abhängt, wie Motorleistung, Versorgungsspannung oder Art der Last. Es ist stets ratsam, Fachleute im Bereich der Automatisierung zu konsultieren, um den passenden Umrichter für das jeweilige System auszuwählen.

Frequenzumrichter verfügen über verschiedene Betriebsarten, die an die spezifischen Anforderungen einer Anwendung angepasst werden können.
Nachfolgend finden Sie eine Einteilung der Umrichter nach angebotenen Betriebsmodi sowie kurze Hinweise, anhand derer grundlegende Informationen zu den jeweiligen Betriebsarten von Invertern bei Bedarf verfügbar sind.

Drehzahlregelung (V/f-Steuerung):

Dies ist die am häufigsten eingesetzte Betriebsart eines Frequenzumrichters. In diesem Modus hält der Umrichter ein konstantes Verhältnis zwischen Spannung (V) und Frequenz (f) aufrecht, wodurch eine präzise Regelung der Motordrehzahl ermöglicht wird. Diese Betriebsart eignet sich für ein breites Spektrum von Anwendungen, bei denen ein konstantes Verhältnis zwischen Drehzahl und Drehmoment erforderlich ist.

Vektorregelung (feldorientierte Regelung):

Im Vektormodus berücksichtigt der Frequenzumrichter nicht nur das Verhältnis von Spannung und Frequenz, sondern auch Informationen über Motorstrom und Rotorposition. Dadurch wird eine noch höhere Präzision bei der Steuerung von Drehmoment und Drehzahl erreicht.
Die Vektorregelung ist besonders geeignet für Anwendungen mit hohen dynamischen Anforderungen, beispielsweise bei anspruchsvollen Antriebssystemen in der Industrie.

Drehmomentregelung (Torque Control):

In dieser Betriebsart liegt der Fokus auf der Regelung des Motordrehmoments und nicht primär auf der Drehzahl. Sie ermöglicht eine präzise Steuerung des Drehmoments unabhängig von der Motordrehzahl.
Diese Betriebsart wird in Anwendungen eingesetzt, bei denen ein stabiles Drehmoment entscheidend ist, etwa beim Heben schwerer Lasten oder bei präzisen mechanischen Bearbeitungsprozessen.

Positionierbetrieb (Position Control):

In diesem Modus wird der Frequenzumrichter zur präzisen Positionierung eines Antriebs eingesetzt. Dies kann lineare oder rotatorische Bewegungen mit definierter Positionsgenauigkeit umfassen.
Anwendungen finden sich unter anderem in der Robotik, bei CNC-Werkzeugmaschinen oder in Transportsystemen, bei denen exakte Positionierung erforderlich ist.

Dynamisches bzw. regeneratives Bremsen:

Dieser Modus ermöglicht die Rückwandlung kinetischer Energie in elektrische Energie.
Beim dynamischen Bremsen nutzt der Umrichter eine kontrollierte Frequenzabsenkung und die damit verbundene Stromerzeugung, um die Maschine kontrolliert abzubremsen.
Im regenerativen Betrieb wird die kinetische Energie in elektrische Energie zurückgewandelt, die entweder in das Versorgungsnetz zurückgespeist oder gespeichert werden kann.

Schlaffunktion (Sleep Mode):

Der Sleep-Modus überprüft die vorgegebene Betriebsfrequenz des Systems. Liegt diese unterhalb der im Umrichter parametrierten Mindestfrequenz, wird die Motorversorgung abgeschaltet, sodass der Motor frei auslaufen kann.
Sobald die Sollfrequenz erneut erreicht und für eine definierte Zeit gehalten wird, kehrt der Umrichter automatisch in den Normalbetrieb zurück. Dies trägt zur Reduzierung des Energieverbrauchs sowie zur Verringerung des mechanischen Verschleißes des Antriebs bei.

In Systemen mit automatischer Regelung ist jedoch auf eine ausreichende Kühlung des Antriebssystems zu achten. Ist der Motor nicht für den Betrieb bei niedrigen Drehzahlen ausgelegt und verfügt er nicht über eine Fremdkühlung, sondern lediglich über einen direkt auf der Motorwelle montierten Lüfter, kann dies bei niedriger Drehzahl zu einer Überhitzung des Motors führen.

Richtiger Einsatz von Frequenzumrichtern in Anwendungen

Der Frequenzumrichter erkennt zunächst die Drehzahl und die Drehrichtung des Rotors und beginnt anschließend auf Basis dieser Informationen mit dem Antrieb des Motors mit einer Frequenz, die an die aktuelle Rotordrehzahl angepasst ist. Diese äußerst nützliche Funktion kommt insbesondere in Anwendungen zum Einsatz, bei denen das Antriebssystem lange Auslaufzeiten hat oder bei denen der Antrieb kontinuierlich durch ein anderes Medium bewegt wird, z. B. ein Ventilator, der durch Windkraft in Bewegung gesetzt wird.

Diese Funktion bewährt sich vor allem in Lüftungsanwendungen. Bei Pumpen ermöglicht sie die Vermeidung mechanischer und hydraulischer Stöße sowie von Stromüberlastungen durch ein sanftes Zuschalten des Motors auf die laufende Drehbewegung. Dadurch wird der mechanische Verschleiß des gesamten Antriebssystems reduziert.

Aus diesem Grund sind vollständige Informationen sowie die korrekte Auswahl des geeigneten Frequenzumrichters im automatischen Steuerungssystem entscheidend für das ordnungsgemäße Funktionieren der Anlage.

Im Folgenden einige Aspekte, die bei der Auswahl eines Frequenzumrichters berücksichtigt werden sollten:

Zunächst müssen die Anforderungen des Motors, der durch den Umrichter gesteuert werden soll, genau definiert werden. Dabei sind Parameter wie Motorleistung, Versorgungsspannung, Nennstrom, Drehmoment, Betriebsfrequenz sowie eventuelle besondere Anforderungen zu berücksichtigen.

Abhängig von der Anwendung und den Motoranforderungen ist der passende Umrichtertyp mit geeigneter Leistungsklasse auszuwählen. Es kann sich dabei um Allzweck-Frequenzumrichter, branchenspezifische Umrichter oder spezialisierte Geräte für Anwendungen mit hohen Präzisions- oder Leistungsanforderungen handeln.

Frequenzumrichter bieten eine Vielzahl von Funktionen und Möglichkeiten, wie Drehzahlregelung, Drehmomentregelung, erweiterte Regelalgorithmen, Kommunikationsschnittstellen oder Motorschutzfunktionen. Es ist sicherzustellen, dass der gewählte Umrichter alle für das jeweilige Automatisierungssystem erforderlichen Funktionen bereitstellt.

Vor der Auswahl sollten zudem die Umgebungsbedingungen sorgfältig analysiert werden, wie Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit, Staubbelastung oder chemische Einflüsse. Der Umrichter muss für diese Bedingungen geeignet sein und über die entsprechende Schutzart verfügen sowie die technischen Anforderungen erfüllen.

Im Zweifelsfall oder bei unvollständigen Informationen empfiehlt es sich, den Hersteller des Frequenzumrichters zu konsultieren. Fachspezialisten können auf Basis detaillierter Angaben zur Anwendung und zu den Anforderungen eine geeignete Lösung vorschlagen. Die Auswahl des richtigen Umrichters ist entscheidend für Effizienz, Zuverlässigkeit und die langfristige Funktionsfähigkeit des automatischen Steuerungssystems.

Ein ungeeigneter Frequenzumrichter kann die Funktion eines Motors in verschiedenen Bereichen negativ beeinflussen. Nachfolgend einige Beispiele:

Eine fehlerhafte Drehzahl- und Drehmomentregelung kann zu instabilem Betrieb, unerwünschten Drehzahlsprüngen, Vibrationen oder unkontrollierten Drehmomentänderungen führen. Dies wirkt sich negativ auf die Leistungsfähigkeit des Motors sowie auf Qualität, Konformität und Präzision des Prozesses aus.

Falsche Parametrierung des Umrichters oder eine unzureichende Abstimmung auf die Motordaten können zu einem erhöhten Energieverbrauch führen. Der Motor arbeitet dann mit geringerer Effizienz, was höhere Stromkosten und eine stärkere Belastung des Versorgungsnetzes zur Folge hat.

Ein ungeeigneter Umrichter kann außerdem zu einem unkontrollierten Temperaturanstieg des Motors führen. Überhitzung kann durch fehlerhafte Regelung, unzureichenden thermischen Schutz oder mangelhafte Wärmeabfuhr verursacht werden. Dies kann Schäden an der Isolierung oder anderen Motorkomponenten verursachen und die Lebensdauer des Motors erheblich verkürzen.

Eine unsachgemäße Funktion des Umrichters kann zur Erzeugung erhöhter Oberschwingungen in Spannung und Strom führen. Diese beeinträchtigen die Netzqualität und können gegen EMV-Richtlinien (elektromagnetische Verträglichkeit) verstoßen. Erhöhte Oberschwingungen können zudem Störungen in anderen elektrischen Geräten verursachen und Fehlfunktionen oder Ausfälle auslösen.

Der Betrieb mit einem falsch dimensionierten Frequenzumrichter kann zu Überlastung des Motors, fehlerhafter Strom- und Spannungsregelung, plötzlichen Lastwechseln sowie anderen ungünstigen Betriebsbedingungen führen. Diese Faktoren können die Lebensdauer des Motors verkürzen, Ausfälle verursachen und einen vorzeitigen Austausch erforderlich machen.

Daher ist es entscheidend, den passenden Frequenzumrichter mit geeigneter Leistungsklasse für die jeweilige Anwendung auszuwählen, die Motorspezifikationen strikt einzuhalten sowie regelmäßige Wartung und Überwachung von Umrichter und Motor durchzuführen, um einen optimalen und sicheren Betrieb des Antriebssystems zu gewährleisten.