Wie verändern Frequenzumrichter die Motorgeschwindigkeit?

Wie verändern Frequenzumrichter die Motordrehzahl?

Frequenzumrichter (VFDs) werden zur Drehzahlregelung von Induktions- und Synchronmotoren eingesetzt. Die Komplexität der Steuerung kann von einem einfachen, manuell bedienten Bedienfeld bis hin zu einer anspruchsvolleren speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) reichen, die die Steuerung auf der Grundlage von Eingaben von Systemvariablen wie Durchfluss, Füllstand oder Druck automatisieren kann.

Mit Netzspannung betriebene Drehstrom-Induktionsmotoren haben je nach Standort relativ glatte Sinuswellen mit einer Frequenz von 50 oder 60 Hertz (Hz). Bei zweipoligen Motoren entspricht dies einer Synchronpolgeschwindigkeit von 3.000 oder 3.600 Umdrehungen pro Minute (U/min). Ohne VFD ist die Drehzahl des Motors relativ konstant und ändert sich in Abhängigkeit von der Last aufgrund des Motorschlupfes nur minimal. Bei einem VFD werden Spannung und Strom, die dem Motor zugeführt werden, durch Ein- und Ausschalten von Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) gesteuert. Die Amplitude der Spannungs- und Stromwerte wird durch die Schaltfrequenz und die Ein- und Ausschaltzeit der IGBTs gesteuert. Das heißt, je länger die Schalter eingeschaltet sind im Vergleich zu der Zeit, in der sie ausgeschaltet sind, desto größer sind die Spannungs- und Stromwerte.

Pulsweitenmodulation (PWM) ist eine von den IGBTs erzeugte Hochfrequenzwellenform, um dem Motor eine Sinuswellenform zu simulieren. Die Frequenz der Sinuswelle kann durch den VFD variiert werden, was zu einer Änderung der Motorgeschwindigkeit führt. PWM ist von Vorteil, da die Verlustleistung in den Schaltgeräten gering ist, was zu relativ hohen Wirkungsgraden und Energievorteilen führt, wenn man die reduzierte hydraulische Leistung bei niedrigeren Geschwindigkeiten berücksichtigt. Da der Strom schnell ein- und ausgeschaltet wird, kommt die resultierende Stromwellenform weitgehend dem durchschnittlichen Strom und der durchschnittlichen Spannung nahe, die eine Netzstromquelle normalerweise einen Motor versorgen würde (Sinuswelle). Siehe Bild 3.

Weitere Informationen zu VFDs und deren Einsatz in Pumpanwendungen finden Sie unter „Antriebe mit variabler Frequenz: Richtlinien für Anwendung, Installation und Fehlerbehebung“ auf pumpen.org.

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