Vier Modi der Frequenzumwandlungssteuerung

1. Frequenzumrichter V/F-Steuerungsmodus

Bei der Spannungs-Frequenz-Regelung (V/F) wird ein konstantes Verhältnis zwischen Spannung (V) und Frequenz (F) aufrechterhalten. Mit anderen Worten: Die Amplitude der Ausgangsspannung ist direkt proportional zur Ausgangsfrequenz.

The term “V” represents the amplitude of voltage produced by the frequency inverter, while “F” signifies the frequency of the frequency inverter’s output voltage. Consequently, an increase in the output frequency prompts a corresponding rise in the output voltage’s amplitude, maintaining a proportional relationship. The key principle is to sustain a constant magnetic flux by preserving the V/F ratio.

Die U/f-Steuerung wird häufig in Motorsteuerungsszenarien eingesetzt, um einen konstanten Motorfluss zu gewährleisten. Dieser Modus bietet Attribute wie günstige Kosteneffizienz und gleichmäßiges Ausgangsdrehmoment, wobei die Regelung des konstanten magnetischen Flusses im Vordergrund steht. Die Präzision der Drehzahlregelung ist jedoch weniger ausgeprägt. Sie eignet sich für Anwendungen, bei denen die Ziele der Energieeinsparung moderat sind und keine strengen Anforderungen an die Drehzahlgenauigkeit bestehen. Vor allem bei niedrigen Drehzahlen kann es zu einem unzureichenden Drehmoment kommen, so dass eine Drehmomentkompensation erforderlich ist.

Der V/F-Regelungsmodus eignet sich für Lasten mit variablen und konstanten Drehmomentanforderungen, wie z. B. Lüfter, Wasserpumpen und Förderbänder.

2. Frequenzumrichter-Schlupffrequenzregelung (U/F-Regelung)

Due to inherent speed differences (∆n) in motors, corresponding to proportional torque (T) variations, adjusting the frequency inverter’s output frequency alters the slip (∆n) and, consequently, the frequency inverter’s output torque (T) and speed. This principle, known as slip frequency control, manipulates the motor’s torque by regulating the slip, effectively controlling motor speed.

To achieve these control objectives, a closed-loop control strategy is imperative, necessitating an frequency inverter equipped with a closed-loop feedback input terminal. A slip frequency control frequency inverter integrates a comparison circuit and a Proportional-Integral-Derivative (PID) control circuit to process reference and feedback signals. This enables fine-tuned control speed and rapid response. Two methodologies exist: one employing a speed sensor to use motor speed as feedback for enhanced precision, and the other converting indirect parameters (e.g., pressure, flow, temperature) into feedback signals for heightened accuracy.

In this closed-loop system, the inverter establishes a target value and contrasts it against the feedback value. If the feedback is less than the target, the frequency inverter issues a frequency increment, elevating both slip (∆n) and torque proportionately, thus increasing the motor speed. Conversely, a frequency decrement signal reduces slip (∆n) and consequently torque, leading to a decrease in motor speed, aligning with the designated target.

Distinguishing it from V/F control, slip frequency control entails PID function setup within the frequency inverter and requires a feedback terminal. External PID control boards are necessary for closed-loop control using U/F (Voltage-to-Frequency) techniques.

3. Frequenzumrichter-Vektorsteuerung

Vector control employs a control methodology simulating DC motors through the frequency inverter’s internal electronic circuitry to govern AC motors.

1. Das Steuersignal teilt sich in eine Erreger- und eine Ankerkomponente auf und spiegelt damit die Steuerungsverfahren für Gleichstrommotoren wider.

2. The control signal transforms into a three-phase AC control signal, tailored to three-phase AC motor control demands, energizing the frequency inverter’s output inverter circuitry.

Bei der Vektorregelung gibt es zwei Ansätze: sensorlos (mit interner Umrichterrückführung) und sensorgestützt (mit externer Rückführung). Beide Methoden regeln direkt die Motordrehzahl (oder das Drehmoment), können aber keine anderen Variablen wie Druck, Durchfluss oder Temperatur steuern.

This technique ensures precise speed and torque control while manipulating current amplitude and phase. Furthermore, vector control boasts software-configurable attributes, including self-scanning for motor parameter incorporation into the frequency inverter, one-to-one motor-frequency inverter pairing, and comprehensive current manipulation.

4. Frequenzumrichter Direkte Drehmomentsteuerung

Direct Torque Control (DTC) stands as another advanced AC speed regulation technology following vector control. This methodology employs space vector and stator field orientation analysis to mathematically model asynchronous motors within the stator coordinate system. It computes and governs motor flux linkage and torque, limiting torque fluctuations within a specific slip range through a discrete two-point regulator (Band-Band control). This is achieved by comparing torque detection with predefined values. The slip is regulated via frequency adjustment and pulse width modulation (PWM), influencing frequency inverter switching states and yielding high-performance torque output.

DTC ist außerdem auf ein Eins-zu-Eins-Verhältnis zwischen Motor und Frequenzumrichter beschränkt, was es für Prozesssteuerungsanwendungen ungeeignet macht.

Zu den bemerkenswerten Eigenschaften gehören die Möglichkeit der Steuerung ab Drehzahl Null, ein breiter Drehzahlbereich, eine präzise Drehmomentsteuerung, eine schnelle Systemreaktion und eine hohe Regelgenauigkeit.

Die Vektorregelung eignet sich gut für drehmomentintensive Aufgaben mit konstantem Drehmoment auch bei 0 Hz, wie z. B. Papierherstellung, Stahlwalzen, Werkzeugmaschinen und Hebevorgänge. In der Zwischenzeit erweist sich die Drehmomentsteuerung als effektiv für Anwendungen wie Papierherstellungs- und Färbemaschinen, die eine konstante Spannung beim Auf- und Abwickeln von Folien oder Drähten durch präzise Steuerung von Drehmoment und Geschwindigkeit aufrechterhalten.