imported>Ankermast: war korrekt (diffedit)

2026-04-12T14:13:18Z

war korrekt (diffedit)

Neue Seite

[[Datei:Umformer E2 KA Motor-Generator.jpg|miniatur|Frequenzumformer im Bahnstromumformerwerk Karlsruhe zur Erzeugung von Bahnstrom mit 16,7 Hz. Links befindet sich der Motor, rechts der Generator.]]
[[Datei:Asynchron umformer.svg|miniatur|Frequenzumformer mit Asynchronmotor (links) und Schleifringläufergenerator (rechts)]]

Ein '''Frequenzumformer''', auch '''Frequenzwandler''' genannt, ist eine rotierende [[elektrische Maschine]], die [[Wechselspannung]] einer bestimmten [[Netzfrequenz]] in eine [[Elektrische Spannung|Spannung]] mit einer anderen [[Frequenz]] umwandelt. Frequenzumformer wurden benötigt, um Verbraucher oder Netze mit der notwendigen Frequenz zu versorgen, wenn diese nicht vom vorhandenen Netz zur Verfügung gestellt wird.<ref name= "Quelle 1" /> Durch die Weiterentwicklung bei den [[Halbleiter]]bausteinen werden heutzutage statt mechanischer Frequenzumformer meistens elektronische [[Frequenzumrichter]] verwendet (auch als ''statische Frequenzumformer'' bezeichnet), außer in einigen [[Bahnstromumformerwerk]]en.

Ähnliche Anlagen, die [[Gleichstrom]] in [[Wechselstrom]] wandeln, sind [[Umformer]].

== Grundlagen ==
Durch Frequenzumformer wird aus der Netzfrequenz ein [[Dreiphasenwechselstrom|Drehstrom]] mit niedrigerer oder höherer Frequenz erzeugt, je nach Bauart zwischen 6 [[Hertz (Einheit)|Hz]] und 800 Hz. Als [[Antriebsmaschine]]n dienen meistens [[Drehstrom-Asynchronmaschine|Drehstromasynchronmotoren]] oder in bestimmten Anwendungsfällen auch [[Drehstrom-Synchronmaschine|Drehstromsynchronmotoren]]. Durch die starre [[Kupplung]] ist die mechanische [[Drehzahl]] des Frequenzwandlers ([[Generator]]s) genauso groß wie diejenige des [[Elektromotor]]s.<ref name= "Quelle 2" />

=== Vor- und Nachteile gegenüber Frequenzumrichtern ===
Werden Frequenzumformer zur Frequenzumwandlung eingesetzt, können [[Netzrückwirkung]]en ausgeschlossen werden. Zudem bestehen die spezifischen Eigenschaften rotierender Maschinen gegenüber statischen Umrichtern (hohe Kurzschlussströme, Trägheit der rotierenden Massen etc.). Auch wird dem Verbraucher eine Spannung mit geringem [[Oberschwingung]]santeil zur Verfügung gestellt. Der [[Gesamtwirkungsgrad]] <math>\eta</math> setzt sich aus dem Produkt der beiden Wirkungsgrade von Motor und Generator zusammen und liegt üblicherweise über 0,5.<ref name= "Quelle 3" />

== Bauformen ==
Frequenzumformer können sowohl Einzelmaschinen als auch Maschinensätze sein.<br />
* Kleinere Frequenzumformer werden als ''Einwellenumformer'' ausgeführt. Hierbei sitzen die [[Rotor]]en beider Maschinen auf einer gemeinsamen [[Welle (Mechanik)|Welle]] sowie die die [[Wicklung #Elektrotechnik|Wicklungen]] und Blechpakete beider [[Stator]]en in einem gemeinsamen [[Gehäuse]].
* Bei größeren Maschinen verwendet man ''Zweimaschinensatzumformer''. Hierbei sind zwei getrennte Maschinen miteinander gekuppelt.<ref name= "Quelle 1" />

== Bauarten ==
Es gibt folgende Bauarten von Frequenzumformern:

* Asynchrone Frequenzumformer (Drehstrom-Asynchronmotor als Antrieb)
* Synchrone Frequenzumformer (Drehstrom-Synchronmotor als Antrieb)
* Frequenzumformer mit [[Stromwender]].<ref name= "Quelle 5" />

== Asynchrone Frequenzumformer ==

Asynchrone Frequenzumformer erzeugen höhere Frequenzen, wodurch Drehstrommotoren mit höheren Drehzahlen betrieben werden können.<ref name= "Quelle 1" />

=== Aufbau ===
Asynchrone Frequenzumformer bestehen aus einem antreibenden Drehstrom-Asynchronmotor und einem mechanisch gekuppelten [[Schleifringläufermotor]]. Die Statorwicklungen beider Maschinen des asynchronen Frequenzumformers werden über einen [[Schütz (Schalter)|Schalter]] an das Netz angeschlossen. Das Ausgangsnetz für die Verbraucher wird an die [[Schleifring]]e des Schleifringläufers angeschlossen.<ref name= "Quelle 4" /> Je nach Läuferausführung beträgt die [[Läuferspannung]] zwischen 42 [[Volt]] und 500 Volt. Schleifringläufermaschinen, bei denen die Ausgangsspannung kleiner als 125 Volt ist, haben einen sehr hohen Ausgangsstrom. Bei diesen Maschinen wird eine andere Schaltungsvariante angewendet. Das Ausgangsnetz (Sekundärnetz) wird mit der Statorwicklung verbunden, und das Eingangsnetz (Primärnetz) wird an den Läufer des Schleifringsläufers angeschlossen. Die übliche Schaltungsvariante ist aber wie zuerst genannt.<ref name= "Quelle 5" />

=== Frequenzumformung ===
Wird an dem Stator eines Schleifringläufermotors eine [[Wechselspannung]] angelegt, so kann man an den drei Läuferklemmen eine Drehspannung abgreifen. Dies ist die auf dem Leistungsschild angegebene Läuferstillstandsspannung.<ref name= "Quelle 4" /> Es handelt sich hierbei um die so genannte Transformatorenwirkung mit [[Schlupf]] '''s=100%''' und der Frequenz <math>{f_\text{sek}} = {f_\text{Netz}}</math>. Wird der Schleifringläufermotor angetrieben, so ist die Frequenz dieser Drehspannung variabel. Bei einer Drehung in Richtung [[Drehfeld]] wird die Schnittgeschwindigkeit vermindert. Dadurch nehmen [[Läuferfrequenz]] und Läuferspannung proportional mit dem Schlupf ab.<ref name= "Quelle 5" />

Die [[Frequenz]] und auch die [[Elektrische Spannung|Spannung]] lassen sich folglich nur über eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit steigern. Die Schnittgeschwindigkeit wiederum lässt sich auf zwei Arten erhöhen:

#der Läufer wird erheblich schneller in Drehfeldrichtung angetrieben. Dieses bezeichnet man als negativen Schlupf
#Der Läufer wird entgegen dem Drehfeld angetrieben. Dieses bezeichnet man als inversen Schlupf. ('''s > 100%''') oder inverse Richtung. Diese Antriebsart ist in der Praxis vorherrschend.

Die [[Läuferfrequenz|Frequenz]] der [[Läuferspannung]] und des [[Läuferstrom]]es ist bei gegebener Drehzahl abhängig von der Schlupfdrehzahl <math>\Delta_n</math> und ändert sich proportional nach folgender Gleichung:

::<math>f_\text{2} = \frac{f_1 \, \mathrm \cdot\Delta n}{\mathrm n_1}=s\cdot f_1</math>

Quelle:<ref name= "Quelle 2" />

=== Funktion ===
Bei der üblichen Schaltungsvariante erzeugt der Drehstrom aus dem Primärnetz in der Statorwicklung ein magnetisches [[Drehfeld]]. Das Drehfeld induziert in den Läuferwicklungen eine Wechselspannung, welche an den [[Schleifring]]en abgegriffen werden kann. Die Frequenz der Läuferspannung ist bei stillstehendem Läufer genauso groß wie die Netzfrequenz <math>f_1</math> des Primärnetzes. Dies liegt daran, dass für beide Wicklungen die Umlaufdrehzahl des Drehfeldes gleich ist.<ref name= "Quelle 3" /> Treibt man den Läufer mit dem Antriebsmotor in Richtung des Drehfeldes an, wird die Ausgangsfrequenz <math>f_2</math> kleiner, was aus der Formel ersichtlich ist:

::<math>f_\text{2} = \frac{p \, \mathrm \cdot n}{\mathrm 60}-f_\text{1}</math>

Erst durch Antreiben des Frequenzumformers über die Nenndrehzahl lässt sich auch hier eine Frequenzerhöhung erreichen.

Wird der Läufer gegen das Ständerdrehfeld angetrieben, so schneidet die Läuferwicklung die Feldlinien öfter als im Stillstand. Die Folge davon ist, dass die Ausgangsfrequenz größer ist als die Eingangsfrequenz. Die Ermittlung der Frequenz erfolgt bei Antrieb gegen das Drehfeld gemäß folgender Formel:

::<math>f_\text{2} = \frac{p \, \mathrm \cdot n}{\mathrm 60}+f_\text{1}</math>

Einen weiteren Einfluss auf die Ausgangsfrequenz hat zum einen die Drehzahl der antreibenden Maschine, zum anderen die [[Polpaarzahl]] <math>p</math> der Schleifringläufermaschine. Ist die Polpaarzahl des Generators größer als die des Motors, ist die Ausgangsfrequenz höher als die Netzfrequenz. Umgekehrt wird die Ausgangsfrequenz niedriger, wenn die Polpaarzahl des Motors höher ist als die des Generators. Bei bekannten Polpaarzahlen sowohl des Frequenzwandlers <math>p_F</math> als auch des Motors <math>p_M</math> und der Frequenz <math>f_1</math> lässt sich unter Vernachlässigung des Schlupfes die Ausgangsfrequenz <math>f_2</math> anhand der folgenden Formeln überschlägig ermitteln:

;Leerlauffrequenz bei gleicher Drehfeldrichtung

::<math>f_\text{2} = f_\text{1} \mathrm \cdot\left(1- \tfrac{p_{F}}{p_{M}}\right)</math>

;Leerlauffrequenz bei ungleicher Drehfeldrichtung

::<math>f_\text{2} = f_\text{1} \mathrm \cdot\left(1+ \tfrac{p_{F}}{p_{M}}\right)</math>

Quelle:<ref name= "Quelle 1" />

Für einen Frequenzumformer mit einem 2-poligen Motor und einem 4-poligen Generator bedeutet dies beim Betrieb am 50 Hz Netz:

* bei gleicher Drehfeldrichtung beträgt die Ausgangsfrequenz 50 Hz.
* bei ungleicher Drehfeldrichtung beträgt die Ausgangsfrequenz 150 Hz.

Mit einer entsprechenden Drehzahl des Antriebsmotors und bei geeigneter Polzahl des Schleifringläufers kann man Frequenzen bis etwa 500 Hz erreichen.<ref name= "Quelle 3" /> Für Spezialbereiche werden moderne Frequenzumformer mit Ausgangsfrequenzen von bis zu 800 Hz gefertigt.<ref name="Quelle 8" /> Wird das Drehfeld durch einen Wendeschalter umschaltbar gemacht, kann man mit demselben Umformer wahlweise zwei Frequenzen liefern. Diese Frequenzumschaltmöglichkeit wird bei Frequenzen oberhalb von 200 Hz häufig genutzt. Allerdings ändert sich jedoch mit der Frequenz auch die Spannung, bei doppelter Frequenz ist auch die Spannung doppelt so hoch. Bei bekannter Ausgangsspannung <math>{U_\text{21}}</math> und bekannten Ausgangsfrequenzen <math>{f_\text{21}}</math> und <math>{f_\text{22}}</math> lässt sich die Ausgangsspannung <math>{U_\text{22}}</math> anhand der folgenden Formel ermitteln:

::<math>\frac{U_\text{21}}{U_{22}} = \frac{f_\text{21}}{f_{22}}</math>

Quelle:<ref name= "Quelle 2" />

=== Betriebsverhalten ===
Wird der Umformer belastet, wird auch der Antriebsmotor belastet. Dadurch dreht der Antriebsmotor um den [[Schlupf]] langsamer. Durch diese Drehzahländerung des Antriebsmotors ändert sich auch die Sekundärfrequenz des Frequenzumformers. Da der Schlupf bei Drehstrommotoren gering ist, ist auch die Änderung der Sekundärfrequenz gering. Da durch die Belastung des Frequenzumformers die Drehzahl etwas kleiner wird, bilden sich in ihm Streufeldlinien. Außerdem ruft der [[Innenwiderstand]] der Ausgangswicklung [[Spannungsabfall|Spannungsabfälle]] hervor. Die Spannung sinkt bei Belastung gegenüber der Leerlaufspannung um etwa 10 % ab. Bei Entlastung steigt die Spannung wieder an. Bei der Verwendung von polumschaltbaren Antriebsmotoren kann der Frequenzumformer mehrere Frequenzen liefern, allerdings ist die Spannung dann auch bei jeder Frequenz verschieden.<ref name= "Quelle 1" />

=== Einsatzbereiche ===
Eingesetzt werden asynchrone Frequenzumformer besonders als Schnellfrequenzumformer. Diese schnellfrequenten Wechselströme (100 Hz – 500 Hz) werden zum Antrieb schnelllaufender Induktionsmotoren benötigt.<ref name= "Quelle 3" /> Insbesondere dort, wo hohe Drehzahlen bis zu 18.000 <math>1/min</math> erforderlich sind, kommen Frequenzumformer zum Einsatz. Für den Laborbetrieb stattet man den Frequenzumformer mit einem Drehzahlvarianten-Antrieb aus. So lässt sich mit dieser Technik eine Drehspannung mit einstellbarer Frequenz erzeugen. Typische Einsatzbeispiele liegen im Bereich bei Holzbearbeitungsmaschinen, Bohrmaschinen mit Induktionsmotoren, Schleifmaschinen mit Induktionsmotoren,<ref name= "Quelle 1" /> Bodenstromversorgungen von Flughäfen, Versorgung von Schiffen, Prüffelder, Radar und im Laborbetrieb.<ref name= "Quelle 2" />

Da asynchrone Frequenzumformer sehr robust sind, konnten sie ihren Platz gegenüber Frequenzumrichtern behaupten.

== Synchrone Frequenzumformer ==
Synchrone Frequenzumformer sind aufgebaut wie asynchrone Frequenzumformer mit dem einzigen Unterschied, dass die antreibende Maschine ein Drehstrom-Synchronmotor ist, der bei kleineren Maschinensätzen überwiegend als [[Reluktanzmotor]] ausgeführt ist. Dadurch erreicht man eine belastungsunabhängige Drehzahl und eine bessere Spannungskonstanz.<ref name= "Quelle 2" />

== Frequenzumformer mit Stromwender ==
Frequenzumformer mit Stromwender werden überwiegend zur Erzeugung sehr niederfrequenter Wechselspannungen und damit zum Antrieb langsam laufender Maschinen verwendet.<br />
Hier haben zwei Maschinentypen bis heute einen Nischenplatz behauptet:

* Schlupffrequenzumformer
* Integrierter dynamischer Frequenzumformer.<ref name= "Quelle 6" />

=== Schlupffrequenzumformer ===
[[Datei:Schlupfumformer.svg|miniatur|Schlupffrequenzumformer]]

==== Aufbau ====
Der Schlupffrequenzumformer ist ähnlich dem [[Einankerumformer|Drehstrom-Gleichstrom-Einankerumformer]] aufgebaut, allerdings besitzt er keine Erregerwicklung. Die Anlaufwicklung wird an einen Stellwiderstand angeschlossen und nicht kurzgeschlossen. Durch diese Maßnahme kann der Umformer auch nach dem Hochlaufen nicht in den Synchronismus geraten. Durch mechanische Belastung mittels großer Lüftungsflügel wird ein großer Schlupf hervorgerufen, welcher sich durch den Stellwiderstand steuern lässt.

==== Funktion ====
Der Drehstrom erzeugt in der Ständerwicklung ein Drehfeld, welches sich mit einer Drehzahl dreht, die der Schlupffrequenz entspricht. Da jede Wicklung zwischen zwei Bürsten wie eine Spule wirkt, kann am Kollektor über die Bürsten ein Strom entnommen werden, der ebenfalls der Schlupffrequenz entspricht. Der Kommutator wirkt hier wie ein Frequenzumformer.

==== Betriebsverhalten ====
Schlupffrequenzumformer liefern somit Frequenzen, die wesentlich kleiner als die Netzfrequenz sind: je nach Schlupf 6 Hz – 16 Hz. Auf der Abgabeseite ist die Spannung ziemlich unabhängig von der Frequenz.

==== Einsatzbereiche ====
Zur Drehzahlsteuerung von Drehstromkurzschlussläufermotoren werden Schlupffrequenzumformer auch heute noch eingesetzt. Allerdings hat ihre Bedeutung durch den Einsatz moderner Leistungselektronik in Frequenzumrichtern stark abgenommen. Typische Einsatzbereiche sind Krananlagen.<ref name= "Quelle 1" />

=== Integrierter dynamischer Frequenzumformer ===
Der integrierte dynamische Frequenzumformer, nach seinem Entwickler auch [[Hidde Klaas Schrage|Schrage]]-Richter-Motor oder [[Arthur Scherbius|Scherbius]]-Maschine genannt, gehört ebenfalls zur Gruppe der Wechselstrom-Kommutatormaschinen. Anders als bei anderen Frequenzumformern speist diese Maschine aber keine Leistung nach außen, sondern verwendet die Frequenzumformung nur, um maschinenintern eine Drehzahländerung zu erwirken.<ref name= "Quelle 6" />

==== Aufbau ====
[[Datei:Schrage-umformer.svg|miniatur|Aufbau eines Schrage-Motors]]
Die Statorwicklungen sind über [[Kohlebürste]]n mit dem Kommutator und somit mit der Rotorwicklung verbunden. Die Bürsten lassen sich in beide Richtungen bewegen. Der Rotor besitzt zwei Wicklungen, eine Steuerwicklung und eine Erregerwicklung. Die Steuerwicklung ist an den Kommutator angeschlossen. Die Erregerwicklung wird mit dem Netz verbunden.

==== Funktion ====
Wird die Maschine mit der [[Erregerwicklung]] ans Netz geschaltet, fließt in der Erregerwicklung ein Strom. Dieser Stromfluss in der Erregerwicklung induziert nun wiederum Ströme in den Steuerwicklungen. Das durch den Läufer entstehende Drehfeld will den Ständer zum Rotieren bringen. Dieses ist aber nicht möglich. Deshalb beginnt er selbst zu rotieren. Je nach Stellung der Bürsten lässt sich eine Drehzahländerung in untersynchrone oder übersynchrone Bereiche ermöglichen.<ref name= "Quelle 7" />

==== Einsatzbereiche ====
Die Maschinen wurden als läufer- und ständergespeiste Ausführungen mit Leistungen von 150 kW – 1500 kW hergestellt; die läufergespeiste Ausführung konnte sich durchsetzen. Aufgrund ihres aufwändigen Aufbaus und ihrer aufwändigen Wartung wird diese Maschine heute jedoch nur noch bei wenigen Stell- und Regelantrieben eingesetzt. Typische Einsatzbereiche sind Schwer-, Textil- und Zuckerindustrie.<ref name= "Quelle 6" />

== Gesetzliche Bestimmungen und sonstige Regelwerke ==
* EN 60 034 Teil 1 Allgemeine Bestimmungen für umlaufende elektrische Maschinen
* EN 60 034 Teil 8 Anschlussbezeichnungen und Drehsinn für elektrische Maschinen
* DIN IEC 34 Teil 7 Bauformen umlaufender elektrischer Maschinen
* EN 60034-5 Schutzarten umlaufender elektrischer Maschinen
* EN 60034-6 Kühlarten drehender elektrischer Maschinen

== Einzelnachweise ==

<references>
<ref name="Quelle 1">A. Senner: ''Fachkunde Elektrotechnik.'' 4. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, 1965.</ref>
<ref name="Quelle 2">Rolf Fischer: ''Elektrische Maschinen.'' 12. Auflage, Carl Hanser Verlag, München und Wien 2004, ISBN 3-446-22693-1.</ref>
<ref name="Quelle 3">Ernst Hörnemann, Heinrich Hübscher: ''Elektrotechnik Fachbildung Industrieelektronik.'' 1 Auflage. Westermann Schulbuchverlag GmbH, Braunschweig, 1998, ISBN 3-14-221730-4.</ref>
<ref name="Quelle 4">Günter Springer: ''Fachkunde Elektrotechnik.'' 18. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal, 1989, ISBN 3-8085-3018-9.</ref>
<ref name="Quelle 5">Günter Boy, Horst Flachmann, Otto Mai: ''Die Meisterprüfung Elektrische Maschinen und Steuerungstechnik.'' 4. Auflage, Vogel Buchverlag, Würzburg, 1983, ISBN 3-8023-0725-9</ref>
<ref name="Quelle 6">Ali Farschtschi: ''Elektromaschinen in Theorie und Praxis.'' 1. Auflage, VDE-Verlag GmbH, Berlin und Offenbach 2001, ISBN 3-8007-2563-0</ref>
<ref name="Quelle 7">Paul Rauhut: ''Über das Kreisdiagramm des Schrage-Motors.'' Promotionsarbeit, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich [http://e-collection.library.ethz.ch/eserv/eth:21083/eth-21083-01.pdf Online] (abgerufen am 16. Juli 2012).</ref>
<ref name="Quelle 8">Kemmerich Elektromotoren Frequenzumformer {{Webarchiv|url=http://www.kemmerich-elektromotoren.de/fileadmin/images/pdfs_und_grafiken/frequenzumformer/Umformer_Uebersicht.pdf |wayback=20140114115207 |text=Online |archiv-bot=2025-02-15 01:30:13 InternetArchiveBot }} (abgerufen am 13. Juli 2012; PDF-Datei; 1,6 MB).</ref>
</references>

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}
* Max Leumann: ''Kaskadenschaltungen von Drehstromasynchronmaschinen mit Kommutatormaschinen zur Phasenkompensation.'' Buchdruckerei Karl Werner, Basel 1933 [http://e-collection.library.ethz.ch/eserv/eth:21319/eth-21319-01.pdf Online] (abgerufen am 16. Juli 2012)

[[Kategorie:Elektrische Maschine]]

Frequenzumformer - Versionsgeschichte

imported>Ankermast: war korrekt (diffedit)