Dadurch werden unter anderem eine verbesserte Energieeffizienz, eine Verringerung des mechanischen Verschleißes und eine bessere Anpassung des Produktionsprozesses an variable Lastanforderungen erreicht.
Frequenzumrichter optimieren nicht nur den Energieverbrauch, sondern verfügen typischerweise auch über zahlreiche integrierte Schutzfunktionen (wie Überstrom-, Überspannungs-, Überlast- und Kurzschlussschutz) sowie Diagnosefunktionen, die die Zuverlässigkeit der Anlagen erhöhen. Aus diesen Gründen sind sie in der modernen Industrie allgegenwärtig: von Pumpen und Ventilatoren bis hin zu Prozessmaschinen und automatisierten Produktionslinien. Ihre fachgerechte Konstruktion und sichere Integration in Steuerungssysteme sind entscheidend für die Gewährleistung von Leistung und Betriebssicherheit.
Was ist ein Frequenzumrichter (FU) und wie funktioniert er?
FUs basieren auf dem Prinzip, dass die Synchrondrehzahl eines Wechselstrommotors von der Netzfrequenz und der Polzahl des Stators abhängt. Ein FU (Abbildung 1) besteht aus mehreren Stufen: Gleichrichtung, Filterung und einem Wechselrichter, der Wechselstrom mit variabler Frequenz erzeugt. Vereinfacht gesagt: Der Netzwechselstrom wird durch einen Gleichrichter in Gleichstrom umgewandelt. Dieser Gleichstrom wird anschließend durch Filterung und Kondensatoren aufbereitet. Schließlich erzeugt ein Wechselrichter ein Wechselstromsignal mit geregelter Frequenz und Amplitude. Durch Anpassen von Frequenz und Ausgangsspannung lassen sich Drehzahl und Drehmoment des Wechselstrommotors regeln. FUs beinhalten außerdem digitale Steuerungssysteme (Mikrocontroller, FPGAs usw.), Sensoren und Kommunikationsschnittstellen (CAN, SPI, I²C usw.), die die Ansteuerlogik der Leistungsschalter, Schutzeinrichtungen und die externe Kommunikation des Wechselrichters steuern.
Abbildung 1: Allgemeines Schaltbild des Leistungskreises eines Frequenzumrichters.
Es ist wichtig zu beachten, dass im Kontext eines Frequenzumrichters die Wechselrichterstufe zwar als der Teil bezeichnet wird, der Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, es aber auch als eigenständige Einheiten konzipierte Wechselrichter gibt, die außerhalb der Motorsteuerung weit verbreitet sind. Gängige Beispiele hierfür sind netzgekoppelte Wechselrichter in Photovoltaikanlagen, Wechselrichter in Batteriespeichersystemen und USV-Anlagen, Umrichter für Mikronetze und dezentrale Energieerzeugung sowie Leistungswechselrichter in der elektrischen Traktion. Diese Wechselrichter weisen ähnliche Schaltprinzipien und Isolationsanforderungen wie die Wechselrichterstufe des Frequenzumrichters auf.
Warum ist die elektrische Trennung in einem Frequenzumrichter oder Wechselrichter notwendig?
Im Betrieb des Wechselrichters schalten die Leistungsschalter (IGBTs) mit sehr hoher Geschwindigkeit, wodurch hochfrequente Oberschwingungen, Gleichtaktkopplung und andere unerwünschte Störphänomene entstehen. Diese Phänomene führen zu einer Reihe von Problemen, darunter Fehlfunktionen in der Steuerelektronik, Signalverzerrungen, Kommunikationsunterbrechungen und Ungenauigkeiten von Messgeräten. Darüber hinaus arbeiten die Leistungsstufen mit Spannungen von Hunderten oder Tausenden von Volt. Daher ist es unerlässlich, zu verhindern, dass diese Hochspannung die Niederspannungs-Steuerschaltung erreicht und Bauteile sowie Personal gefährdet.
Die galvanische Trennung zwischen Leistungs- und Steuerbereich ist unerlässlich: Sie schützt Personal und Elektronik vor gefährlichen Spannungen, unterbricht Erdschleifen, die durch Potenzialdifferenzen zwischen Erdungen Störungen verursachen, und verbessert die Störfestigkeit gegenüber Transienten (CMTI). Dadurch wird die Genauigkeit der Steuer- und Abtastsignale sichergestellt.
Die korrekte Implementierung einer galvanischen Trennung ist heutzutage nicht mehr nur eine Frage der Ästhetik, sondern eine grundlegende Konstruktionspraxis für robuste, zuverlässige und sichere Systeme. Als Schlüsselkomponente, die eine stabile Signalübertragung unter galvanischer Trennung gewährleistet, hat sich der digitale Isolator zu einem zentralen Bestandteil auf dem Markt entwickelt.
Digitaler Trennschalter: Wie lässt sich der sichere Betrieb des Wechselrichters gewährleisten?
Angesichts der kontinuierlichen Entwicklung der modernen Industrie hin zu höherer Präzision und Energieeffizienz hat sich der digitale Trennschalter zu einer Schlüsselkomponente entwickelt, die die schwache Steuerung mit der starken Leistung im Wechselrichter verbindet.
Abbildung 2: Schematische Darstellung eines typischen elektrischen Trennschaltkreises eines Wechselrichters.
Wie in Abbildung 2 dargestellt, können in HOPERFs vorgeschlagenem elektrischen Isolationskonzept für Wechselrichter die isolierten Gate-Treiber der CMT860xx-Serie sowie weitere isolierte Treiber von HOPERF zwischen dem Master-Mikrocontroller des Systems und den IGBT-Leistungsschaltern eingesetzt werden. Diese Treiber verhindern effektiv, dass hohe Spannungen die Steuerseite erreichen und empfindliche Bauteile beschädigen. Sie verstärken zudem die PWM-Signale (Pulsweitenmodulation), um den erforderlichen Leitungsstrom bereitzustellen und die Anforderungen an die Hochfrequenzschaltung der Breitband-Halbleiter zu erfüllen. Darüber hinaus verfügen sie über Fehlerschutzmechanismen, die einen effizienten und zuverlässigen Betrieb des Wechselrichters gewährleisten.
Isolierte Abtastschaltungen, wie beispielsweise die ADCs der CMT130x-Serie, können zwischen Mikrocontroller und Hochspannungsbus eingesetzt werden. Dadurch wird verhindert, dass die hohe Busspannung die Steuerschaltung erreicht, und Rauschen effektiv unterdrückt. Gleichzeitig werden analoge Signale (z. B. Busspannung und -strom) abgetastet, wodurch dem Mikrocontroller hochpräzise digitale Abtastwerte bereitgestellt und die Systemzuverlässigkeit deutlich verbessert wird.
Standardmäßige digitale Isolatoren der Serien CMT812x und CMT804x können zwischen dem Master-Mikrocontroller und den seriellen Bussen (RS-485, SPI, I²C usw.) geschaltet werden. Dadurch werden Masseschleifen vermieden und verhindert, dass Störungen über Masse- oder Signalleitungen in die Kommunikationsverbindung gelangen. Dies gewährleistet eine stabile Datenkommunikation. Alternativ können auch die isolierten Transceiver von HOPERF (CMT810x, CMT8308x, CMT10xx usw.) verwendet werden.
Mit der industriellen Automatisierung und dem Übergang zu einer effizienteren und nachhaltigeren Fertigung etabliert sich der digitale Isolator als unverzichtbare Komponente für den sicheren, stabilen und energieeffizienten Betrieb von Leistungselektronik. Die Entwicklungstrends deuten auf zunehmend integrierte, energiesparende und leistungsstärkere Lösungen hin.
