Lernfeld 11 · Prüfung Teil 2

Frequenzumrichter

Frequenzumrichter verstehen: Gleichrichter, Zwischenkreis und Wechselrichter, U/f-Kennlinie, Vektorregelung, Feldschwächung und Bremsbetrieb.

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Darum geht es

Ein Frequenzumrichter macht aus dem starren 50-Hz-Netz eine Drehspannung mit einstellbarer Frequenz und Höhe. Der Eingangsgleichrichter speist den Gleichspannungszwischenkreis, dessen Kondensatoren die Spannung glätten; am 400-V-Netz liegen dort etwa 540 bis 565 V. Der Wechselrichter mit IGBT schaltet diese Gleichspannung mit Pulsweitenmodulation so, dass im Motor ein nahezu sinusförmiger Strom fließt. Die Drehzahl des Motors folgt der Ausgangsfrequenz.

Damit der magnetische Fluss gleich bleibt, steigt die Spannung bei der U/f-Steuerung im gleichen Verhältnis wie die Frequenz. Bei kleinen Frequenzen hebt der Boost die Spannung etwas an, für Lüfter und Pumpen passt die quadratische Kennlinie. Vektorregelungen arbeiten mit einem Motormodell und regeln Fluss und Drehmoment getrennt, mit Geber sogar bis zum Stillstand. Oberhalb der Eckfrequenz kann die Spannung nicht weiter steigen: Im Feldschwächbereich sinkt das Moment, die Leistung bleibt etwa gleich. Die 87-Hz-Kennlinie nutzt einen Motor 230/400 V in Dreieck, um bis 87 Hz mit vollem Fluss zu fahren.

Beim Bremsen wird der Motor zum Generator und lädt den Zwischenkreis auf. Diese Energie setzt ein Bremschopper im Bremswiderstand in Wärme um, oder eine rückspeisefähige Einspeisung gibt sie ins Netz zurück. Für den Schutz gelten eigene Regeln: Dreiphasige Umrichter brauchen einen RCD Typ B, die Zwischenkreiskondensatoren bleiben nach dem Abschalten minutenlang geladen, und die Funktion STO schaltet nur das Drehmoment ab, nicht die Spannung.

Das solltest du dir merken

Ein Frequenzumrichter besteht aus Gleichrichter, Zwischenkreis und Wechselrichter.
Bis zur Eckfrequenz bleibt U/f konstant, darüber beginnt der Feldschwächbereich mit sinkendem Moment.
Bremsenergie fließt in den Zwischenkreis und braucht Bremswiderstand oder Rückspeisung.
Dreiphasige Umrichter nur mit RCD Typ B schützen.
STO ist keine Freischaltung; vor Arbeiten freischalten und Entladezeit abwarten.

Formeln

Zwischenkreisspannung im Leerlauf: $U_{ZK} \approx 2 \cdot U$; $U_{ZK}$ Zwischenkreisspannung in V, $U$ Außenleiterspannung des Netzes in V
U/f-Kennlinie: $\frac{U}{f} = \frac{U _{N}}{f _{N}} = konstant$; $U$ Ausgangsspannung in V, $f$ Ausgangsfrequenz in Hz, Index N für die Bemessungswerte des Motors
Drehfelddrehzahl: $n_{s} = \frac{60 \cdot f}{p}$; $n_{s}$ in min⁻¹, $f$ Ausgangsfrequenz in Hz, $p$ Polpaarzahl
Leistung am Bremswiderstand: $P = \frac{U _{ZK}^{2}}{R}$; $P$ Spitzenleistung in W, $U_{ZK}$ Schaltschwelle des Bremschoppers in V, $R$ Bremswiderstand in Ω

Typische Fehler in der Prüfung

Die Drehrichtung durch Tauschen zweier Außenleiter am Netzeingang des Umrichters ändern wollen.
Nach dem Abschalten sofort am Zwischenkreis arbeiten, ohne Entladezeit und Spannungsprüfung.
Im Feldschwächbereich mit vollem Bemessungsmoment rechnen.
STO mit dem Freischalten nach den fünf Sicherheitsregeln verwechseln.

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Zufallszahlen

Ein Antrieb mit dem auf die Motorwelle bezogenen Trägheitsmoment $J = 0, 8 kg \cdot m^{2}$ wird am Frequenzumrichter aus $n = 1450 min^{- 1}$ in $t = 1 s$ gleichmäßig bis zum Stillstand abgebremst. Berechnen Sie die mittlere Bremsleistung, die der Bremswiderstand aufnehmen muss, in Kilowatt. Verluste werden vernachlässigt. Runden Sie auf zwei Nachkommastellen.

Tipps aus der Werkstatt

Ausgeschaltet heißt beim Umrichter nicht spannungsfrei: Die Zwischenkreiskondensatoren halten über 500 V noch Minuten lang. Wartezeit vom Gerät ablesen, dann an den Zwischenkreisklemmen Spannungsfreiheit messen. STO schaltet nur das Moment ab, nie die Spannung.

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15 Aufgaben zu „Frequenzumrichter“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

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Grundlage: KMK-Rahmenlehrplan Elektroniker/-in für Maschinen und Antriebstechnik, Lernfeld 11 (Komplexe Antriebssysteme herstellen); DIN EN 61800-5-1, DIN VDE 0100-530. Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.