Alles im Griff

Effizienz steigern, Kosten sparen und Verschleiß vermeiden - Frequenzumrichter optimieren den Betrieb von Elektromotoren in industriellen Anwendungen, in der Gebäudetechnik oder auch in Elektrofahrzeugen. Doch wie genau funktioniert ein Umrichter, wie kann man Verschmutzungen im Stromnetz durch Oberschwingungen vermeiden, und lohnt sich die Anschaffung überhaupt?

Frequenzumrichter zählen zu den Stromrichtern und sind in der Lage, eine elektrische Kenngrößen in eine andere umzuwandeln. In Deutschland fließt Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hertz und einer Spannung von 230 Volt je Phase durch die Leitungen in die Haushalte. Im industriellen Umfeld sind Spannungen von 400, 500 und 690 Volt für die dreiphasigen Verbraucher im Einsatz. Ein Frequenzumrichter in der weit verbreiteten Form setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen:

• einem Gleichrichter, der die Wechselspannung vom Netzanschluss in Gleichspannung umwandelt,
• einem Zwischenkreis, der die Gleichspannung glättet und puffert,
• einem Wechselrichter, der die Gleichspannung wieder in Wechselspannung mit den gewünschten Eigenschaften umwandelt.

Ein Frequenzumrichter wird also verwendet, um eine elektrische Wechselspannung über einen Gleichspannungszwischenkreis in eine andere Form von Wechselspannung mit einer variablen Frequenz oder Spannung umzuwandeln.

Nur so schnell, wie nötig

Ein Elektromotor läuft bei direktem Anschluss an das Stromnetz mit einer festen Drehzahl. Möchte man also den Durchfluss von beispielsweise Wasser in einem Rohrsystem regulieren, das von einer Festdrehzahlpumpe gefördert wird, kann man auf eine mechanische Drosselung über Ventile zurückgegriffen. Solche Systeme mit Elektromotoren ohne Frequenzumrichter sind deshalb vergleichbar mit einem Auto, das ungeachtet der Verkehrslage immer Vollgas fährt und die Geschwindigkeit nur mit der Bremse reguliert. Diese Art von Betrieb verschwendet Energie und trägt zum Verschleiß des Motors und anderer Komponenten bei. Durch den Einsatz von Frequenzumrichtern lässt sich die Leistung an die tatsächlichen Anforderungen einer Anwendung anpassen und viel Energie sparen. Der Motor läuft nur so schnell wie nötig.

Damit sind Betreiber in der Lage, die Drehzahl, mit der ein Motor betrieben wird, zu erhöhen, zu verringern oder konstant zu halten. Frequenzumrichter sind so in der Lage, Motoren sanft zu starten und ruckartige Stopps zu vermeiden. In Aufzügen trägt diese Funktion zum Komfort bei, während sie im industriellen Umfeld, bei Förderbändern beispielsweise, notwendig ist, um einen reibungslosen Prozessablauf zu gewährleisten. 

Ein Frequenzumrichter muss dabei nicht wissen, welche Leistung der Motor erbringen soll, denn er regelt primär Drehmoment und Drehzahl des Motors. Maschinenbediener oder die Prozessregelung geben dabei vor, welche Drehzahl oder Drehmoment eine spezifische Anwendung benötigt. In einer Pumpe ist dies unter anderem abhängig von der Menge an Flüssigkeit, die gefördert werden soll, dem Druck, der Viskosität oder der Temperatur.

Langlebig, sparsam, effizient

Frequenzumrichter senken den Energieverbrauch der gesamten Anwendung signifikant, in manchen Fällen sogar um bis zu 70 Prozent, was nicht nur sehr klimaschonend ist, sondern sich auch positiv auf die Betriebskosten auswirkt. Frequenzumrichter von ABB sind sogar in der Lage, Bremsenergie von Motoren ins Stromnetz zurückzuspeisen. Beim Elektroauto spricht man von Rekuperation. Seit kurzem sind diese Geräte auch zertifiziert, sodass sie als Teil einer Stromerzeugungsanlage wie zum Beispiel einer Kleinwasserkraftanlage mit Anschluss an das öffentliche Netz verwendet werden können. Damit tragen sie zur regenerativen Stromerzeugung bei.

Zusätzlich schont das sanfte Anlaufen des Motors die Komponenten, beugt Verschleiß und unnötigen mechanischen Stress vor und sorgt so für eine längere Lebensdauer. Ein Motor, der immer am Limit läuft, verschleißt schneller als einer, dass sich den jeweiligen Anforderungen anpasst.

Frequenzumrichter verbessern zudem die Regelung industrieller Anwendungen. Sie fungieren wie ein Tempomat für Industrieanlagen und automatisieren die Regelung. Moderne Frequenzumrichter verfügen nicht nur über die Standard-Einstellmöglichkeiten, sondern auch über interne Programmiermöglichkeiten, die intelligent für eine flexible Anpassung auf variable Anforderungen genutzt werden können.

Das Problem mit den Oberschwingungen

Der Einsatz von Frequenzumrichtern ermöglicht zwar große Energie- und Kostenersparnis, kann jedoch auch zu Oberschwingungen im Stromnetz führen. Oberschwingungen  führen zur Verzerrung der reinen Sinuskurve des Stroms und damit auch der Netzspannung. Diese Verzerrung birgt die Gefahr mehrerer negativer Auswirkungen: Sie kann Messseinrichtungen stören, Interferenzen bei den Kommunikationseinrichtungen verursachen, oder empfindliche elektronische Geräte sogar schädigen. Zudem können Oberschwingungen in manchen Fällen auch eine Überhitzung von Kabeln und Transformatoren verursachen.

Anlagenkomponenten so überdimensioniert zu konzipieren, dass Oberschwingungen verlässlich toleriert werden können, ist teuer. Stattdessen sollte das Ziel ein geringer Oberschwingungsgehalt sein, um so das Stromnetz sauber und stabil zu halten. Die Lösung ist der Einsatz von Ultra-Low Harmonic Drives (ULHD). Diese Art der Frequenzumrichter nutzt anstatt eines einfachen Diodengleichrichters eine spezielle moderne Technologie zur Gleichrichtung der Spannung. Damit erreichen ULHD einen außergewöhnlich geringen Oberschwingungsgehalt, der bis zu 97 Prozent unter dem Niveau konventioneller Frequenzumrichter liegt. So erreichen ULHD eine Gesamtstromverzerrung von typisch drei Prozent, das ist fast schon ein idealer sinusförmiger Strom der das Stromnetz schont.

Breite Anwendungsmöglichkeiten

Mit der Oberschwingung im Griff ist dem Einsatz von Frequenzumrichtern kaum ein Limit gesetzt. Deshalb sind sie überall dort installiert, wo Elektromotoren zum Einsatz kommen. Und das ist öfter als man denkt. Die industrielle Fertigung nutzt Frequenzumrichter, um die Motoren besser an die Anforderungen anzupassen und damit die Effizienz der Anlage zu steigern. Hier findet man Elektromotoren für die Regelung von Förderbändern, Kranen, in Pumpen oder Lüftern aber auch in den meisten Produktionsmaschinen wie Extruder, Metallwalzwerke oder Papiermaschinen.

In der Gebäudetechnik werden Heizung, Lüftung und Klimatisierung sowie Ventilatoren, Pumpen und Kompressoren mit Elektromotoren betrieben. Zudem laufen Aufzüge elektrisch. Der Energiesektor setzt auf Frequenzumrichter, um die Stromerzeugung zu optimieren. In der Wasserwirtschaft kommen sie in Kläranlagen, Bewässerungssystemen und Wasseraufbereitungsanlagen zum Einsatz.

Auch das Transportwesen setzt zunehmend auf Elektromotoren. Sie sind in Fahrzeugen verbaut, treiben Züge an oder auch Schiffe. Mit der Elektromobilität auf dem Vormarsch nimmt auch die Menge an Elektromotoren und damit an Frequenzumrichtern auf den Straßen zu.

Fazit: Lohnt sich ein Frequenzumrichter?

Frequenzumrichter sind zwar mit einer Anfangsinvestition verbunden, zahlen sich aber schnell aus. Besonders bei hohen Strompreisen amortisieren sich die Anschaffungskosten in kurzer Zeit. Auch in Anwendungen, in denen die Motoren länger bei einer Drehzahl laufen, spielen Frequenzumrichter ihre Vorteile aus. Sie sorgen für ein sanftes Anlaufen, schonen damit die Anlage und verlängern die Lebensdauer der Komponenten. Frequenzumrichter helfen damit, das Meiste aus jedem Motor herauszuholen – so lange und so effizient wie möglich.