| Funktionsweise von Frequenzumrichtern |
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Frequenzumrichter für Drehstrommotoren wandeln die meist sinusförmige Wechselspannung des speisenden elektrischen Netzes in eine Wechselspannung mit veränderlicher Frequenz und Amplitude um. Frequenz und Amplitude der bereitgestellten Wechselspannung dienen als Stellgrößen für die angeschlossenen Drehstrommotoren. Dabei ist es unerheblich, ob es sich um Synchron- oder Asynchronmotoren handelt. Frequenzumrichter werden derzeit fast ausschließlich als Spannungszwischenkreisumrichter realisiert. Das Bild zeigt ein Antriebssystem. |
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Das Grundprinzip mit den wichtigsten Funktionsblöcken zur Erzeugung eines Spannungssystems zeigt das nächste Bild . Der Motor ist im Stern geschaltet. |
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Eine Brückenschaltung (B6U im Abschnitt SR1) richtet die Eingangswechselspannung zunächst in eine Gleichspannung um. Danach wird die Spannung im so genannten Zwischenkreis (Speicher) durch den Zwischenkreiskondensator geglättet. Die Zwischenkreisspannung von ca. 540V muss anschließend mit der Wechselrichterschaltung (SR2) in ein Drehspannungssystem umgewandelt werden. Dafür stehen für kleine bis mittlere Leistungen IGBTs - Insula-ted Gate Bipolar Transistoren - und für große Leistungen GTOs - Gate Turn Off Thyristoren - zur Verfügung. Für die Funktion des Wechselrichters ist die Art des verwendeten Schalters unerheblich. Eine elektronische Schaltung erzeugt die notwendigen Signale (Impulse) zum Ansteuern der Halbleiterschalter im Wechselrichter. Ein einzelnes Ventil ist immer für 180 Grad eingeschaltet und anschließend für die gleiche Zeit ausgeschaltet. Alle 60° werden unterschiedliche Ventile angesteuert. Durch geeignete Wahl eines hochfrequenten Ansteuermusters für die Halbleiterschalter (V1 bis V6 im Abschnitt SR2) lassen sich Taktmuster der Ausgangsspannung wie im Bild erzeugen. Es ist deutlich zu erkennen, dass die dabei erzeugten Ausgangsspannungen an der Last nichts mehr mit einem sinusförmigen Verlauf zu tun haben. |
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Die Ausgangsströme des Frequenzumrichters fließen durch die Wicklungen des angeschlossenen Motors. Sie sind innerhalb eines Schaltzustandes der Transistoren näherungsweise linear, steigen oder fallen jedoch in Abhängigkeit davon, ob an den entsprechenden Motorklemmen im Augenblick die positive oder negative Zwischenkreisspannung wirksam ist. |
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Die Stromverläufe sind nicht "glatt" sondern weisen einen "gezackten" Verlauf auf. Die Stromspitzen sind umso kleiner, je größer die Pulsfrequenz bzw. je kürzer die Zykluszeit des Pulsstellers ist. Es besteht deshalb das Bestreben, Pulssteller mit einer möglichst hohen Pulsfrequenz zu betreiben. In Anwendungen sind Pulsfrequenzen größer als 2 kHz üblich. An den Umschaltzeitpunkten treten in den Stromverläufen aufgrund der vorhandenen Motorinduktivität keine Sprünge auf. Das heißt, obwohl sich die Polarität der Klemmenspannungen umkehrt, ändern die Motorströme ihre Polarität nicht, sondern fließen in ihren bisherigen Richtungen weiter. Die treibenden Spannungen entstehen durch Selbstinduktion in den Wicklungsinduktivitäten. Sie erzwingen, dass die Ströme ihre bisherigen Richtungen beibehalten. Als Strompfade stehen den Motorströmen in diesem Fall nur die Freilaufdioden antiparallel zu den Schaltern zur Verfügung, da die bis dahin stromführenden Transistoren jetzt gesperrt sind und die neu eingeschalteten Transistoren die Ströme in ihren aktuellen Fließrichtungen nicht führen können. Freilaufdioden sind damit für die Funktion des Pulsstellers unbedingt erforderlich. Ohne Freilaufdioden würden die in den Wicklungsinduktivitäten induzierten Spannungen extrem stark ansteigen und zur Zerstörung der Transistoren führen. |
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Bezogen auf die Bilder soll folgendes Beispiel erklärt werden: Die Transistoren V1, V2 und V6 sind durchgesteuert. In einer Wicklung fließt ein positiver Motorstrom, in den beiden anderen Wicklungen fließen negative Motorströme, die gleich groß sind. Die Transistoren V1, V2 und V6 werden gesperrt und der Motorstrom fließt jetzt durch die direkt parallel geschalteten Freilaufdioden von V3, V4 und V5. Durch Wahl eines geeigneten Ansteuermusters kann der Stromverlauf in den Motorwicklungen, bis auf kleine "Zacken", in z.B. eine Sinusform gezwungen werden. | |
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