Umformer
Ein Umformer ist in der elektrischen Energietechnik eine mechanische Kombination von rotierenden elektrischen Maschinen die eine Stromart in eine andere, beispielsweise Gleichstrom in Wechselstrom, überführt. Auch eine Umformung zwischen Wechselstrom mit verschiedener Frequenz ist möglich, dazu werden Frequenzumformer eingesetzt.
Einen ähnlichen Anwendungsbereich haben Umrichter und im Speziellen Frequenzumrichter, die aber im Gegensatz zu Umformern ein leistungselektronisches Gerät ohne mechanisch bewegte Komponenten darstellen.
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Grundlagen
Umformer waren vor der Einführung des Wechselstromnetzes, der dann verwendbaren Transformatoren sowie Halbleiter-Gleichrichtern und Umrichtern auch für kleine Leistungen gebräuchlich. Heute werden nur noch Einheiten für große Leistungen betrieben. Eine großtechnische Anwendung erfolgt noch in Bahnstromumformerwerken. Auch die Bundeswehr benutzt noch Umformer, um Flugzeuge bei Wartungsarbeiten mit Strom zu versorgen.
Aufbau
Ein rotierender Umformer besteht aus einem Elektromotor, der einen Generator für die gewünschte Stromart antreibt. Beide können als Umformer-Satz, d. h. als einzelne, mit ihren Wellen gekoppelte Maschinen realisiert sein oder sie bestehen aus nur einer Maschine (so genannte Einankerumformer), in der sich beides befindet. Solche Einankerumformer haben überhaupt keine nach außen ragende Welle.
Anwendungen
Mit einem an einen netzbetriebenen Asynchronmotor gekoppelten, fremderregten Gleichstromgenerator kann zum Beispiel über die Steuerung dessen Erregung eine variable Gleichspannung erzeugt werden.
Soll bei konstanter Antriebsdrehzahl auch die abgegebene Frequenz variabel sein, bestehen folgende Möglichkeiten:
- ein Synchrongenerator wird mit einer Wechselspannung variabler Frequenz erregt
- an eine variable Gleichspannung (siehe oben) wird ein weiterer Umformersatz, bestehend aus Gleichstrommotor und Synchrongenerator angeschlossen.
Weitere Anwendungen von Umformern bzw. Maschinensätzen liegen im Abfangen von Laststößen, wie sie zum Beispiel bei Walzantrieben in Stahlwerken oder auch bei der Versorgung von Hochspannungslabors vorkommen. Durch die Schwungmasse und die mechanische Entkopplung können so abrupte Lastschwankungen in das elektrische Versorgungsnetz vermieden werden.
Der Leonardsatz, ein Maschinensatz zum drehzahlvariablen Antrieb großer Maschinen, gehört eigentlich nicht zu den Umformern, aufgrund der ähnlichen verwendeten Komponenten und Prinzipien ist er hier jedoch ebenfalls beschrieben.
Einankerumformer
Einankerumformer wurden für kleine Leistungen zum Beispiel zur Erzeugung von Kleinspannungen aus dem ursprünglichen Gleichstromnetz verwendet. Eine weitere Anwendung kleiner Einankerumformer war zum Beispiel die Erzeugung des 400-Hz-Drehstromes (36 V) zum Betrieb von Kreiselmotoren in Kreiselkompassen oder des Künstlichen Horizonts aus dem 28-V-Gleichstrom-Bordnetz von Flugzeugen.
Solche kleinen Umformer besaßen eine Permanentmagnet-Erregung, ihre abgegebene Spannung konnte daher nur über die Eingangsspannung beeinflusst werden.
Bahnstrom
Die Frequenz des Fern-Bahnstromes in Deutschland und einigen anderen europäischen Ländern beträgt 16,7 Hz oder 25 Hz. Diese niedrigen Frequenzen wurden gewählt, um die lange Zeit in elektrischen Bahnantrieben vorherrschenden Gleichstrom-Reihenschluss-Motoren mit (im Gegensatz zu Gleichstrom leicht transformierbarem) Wechselstrom betreiben zu können. Dadurch war es möglich die Fahrleitungsspannung relativ hoch anzusetzen, was zur Leistungsübertragung von Vorteil ist. Die Ströme, und damit die Leitungsverluste bzw. die benötigten Leiterquerschnitte, sind deswegen deutlich geringer. Für Vollbahnen mit üblicherweise recht großen Abständen zwischen Einspeisepunkten ist das wichtig.
In den Triebfahrzeugen wird die Spannung durch einen Stelltransformator auf für die Maschine zulässige Pegel herabgesetzt. Da die Kommutatoren der Motoren für einen Betrieb bei 50 Hz Speisefrequenz nicht geeignet waren, wurde eine entsprechend geringere Frequenz gewählt. Die benutzten Frequenzen ergeben sich konkret aus dem Teilerverhältnis 1:2 bzw. 1:3 der Netzfrequenz 50 Hz, so dass sie mit Umformern unterschiedlicher Polpaarzahl in Motor und Generator auf einer gemeinsamen Welle aus dieser erzeugt werden konnten. Bahnstrom-Umformer-Sätze besitzen eine Fremderregung, so dass sich die abgegebene Spannung steuern lässt. Sie sind rückspeisefähig.
Leonardsatz
Der Leonardsatz heißt nach seinem Erfinder, dem amerikanischen Elektroingenieur Harry Ward Leonard, auch Ward-Leonard-Umformer. Er besteht aus einem Umformer (dieser formt Drehstrom in eine variable Gleichspannung um) und einem daran angeschlossenen Gleichstrommotor. Bis zur Entwicklung von Leistungshalbleitern wie Thyristoren war der Leonardsatz die einzige Möglichkeit zur Realisierung großer drehzahlvariabler Antriebe, die mit Drehstrom gespeist wurden.
Der abgebildete Umformer-Teil eines Leonardsatzes dient der Versorgung und Steuerung einer Pendelmaschine eines Motorenprüfstandes und besteht aus:
- dem Antrieb (1), einem Asynchronmotor
- dem Generator (2), einer fremderregten Gleichstrommaschine
- dem Erregergenerator (3), einem kleinen Hilfs-Gleichstromgenerator zur Erzeugung der Erregerspannung für (2)
Ein Leonardsatz besteht aus einem Umformer, der zunächst mithilfe eines Asynchronmotors und einem mit diesem mechanisch gekoppelten Gleichstromgenerator eine über dessen Erregung steuerbare Gleichspannung erzeugt (Spannungswandlung). Der Primärantrieb ist normalerweise ein direkt ans Wechselstromnetz angeschlossener Asynchronmotor, könnte aber auch ein Gleichstrommotor oder ein Verbrennungsmotor sein. Die von diesem Umformer gelieferte variable Gleichspannung speist einen Gleichstrommotor, dessen Erregung teilweise ebenfalls variiert wird. Der Motor kann auch räumlich getrennt vom Umformersatz untergebracht sein, nämlich bei der anzutreibenden Maschine (Walzwerk, Aufzug, Spinnmaschine usw.). Belastungseinrichtungen von Motorprüfständen nutzen die Tatsache, dass ein Leonardsatz rückspeisefähig ist, d. h. er kann Energie zurück ins Netz speisen, wenn der Abtrieb des Gleichstrommotors angetrieben wird – dieser arbeitet dann als Generator, die Gleichstrommaschine des Umformersatzes als Motor und die Asynchronmaschine als Asynchrongenerator. Siehe auch Pendelmaschine.
Normalerweise beinhaltet ein Leonardsatz zusätzlich einen Erregergenerator (Nebenschlussmaschine), um den Gleichstrommaschinen eine Erregerspannung zur Verfügung zu stellen. Dieser Erregergenerator wird durch den Primärantrieb mitangetrieben. Dessen kleine Erregerleistung kann mit einem Stellwiderstand gesteuert werden.
Der Anker des Gleichstromgenerators ist direkt an den Anker des Gleichstrommotors angeschlossen; dieser Gleichspannungs-Zwischenkreis überträgt die Leistung, der darin fließende große Strom muss nicht geschaltet werden – einer der Vorteile des Leonardsatzes. Der Erregerstrom des Motors wird normalerweise nicht geändert, um bei allen Drehzahlen das maximale Drehmoment zur Verfügung zu haben. Mittels Feldschwächung kann jedoch dessen Drehzahl auf Kosten des Drehmomentes über die Nenndrehzahl hinaus erhöht werden.
Der Ward-Leonard-Satz ermöglicht verlustarme drehzahlvariable Antriebe und auch die Energierückgewinnung beim Bremsen. Außerdem kann der Gleichstrommotor auch stoßweise belastet werden, ohne dass sich die Laststöße auf das Netz übertragen (Massenträgheit des Maschinensatzes). Das Anfahren des Gleichstrommotors bzw. der angetriebenen Maschine erfolgt durch Hochfahren der Generatorspannung von Null, indem der Erregerstrom des Gleichstromgenerators allmählich erhöht wird. Ein hoher Einschaltstrom tritt folglich nur beim Start des Asynchronmotors auf.
Ilgner-Umformer
Der Ilgner-Umformer beruht auf dem gleichen Prinzip wie der Leonardumformer. Seine Besonderheit ist lediglich ein großes Schwungrad, das mit dem Drehstrommotor gekoppelt ist. Diese Schwungmasse speichert kinetische Energie, die verschieden genutzt werden kann:
- es können damit Antriebsausfälle überbrückt werden
- es können Laststöße abgefangen werden, wie sie zum Beispiel bei Walzantrieben in Stahlwerken vorkommen.
Leonardsätze fanden ihre Anwendung ab Anfang der 1920er Jahre und laufen zum Teil bis heute. Gute Alternativen ergaben sich erst durch Thyristorsteller und Frequenzumrichter. Hierbei sind allerdings elektrische Speicher erforderlich, um den mechanischen Energiespeicher des Ilgner-Umformers zu ersetzen.
Die stoßweise Netzbelastung von Walzwerken, Elektrostahlöfen oder anderen Lichtbogen-Öfen führt auch heute zu problematischen Netzspannungsschwankungen, daher baut man sie häufig nahe von Kraftwerken, deren Generatoren und Turbinen Lastschwankungen aufgrund ihrer Massenträgheit ausgleichen können.
Literatur
- Hans-Günter Boy, Horst Flachmann, Otto Mai, Jürgen Rabens: Elektrische Maschinen und Steuerungstechnik - Die Meisterprüfung. 8. Auflage. Vogel-Verlag, Würzburg 1990, ISBN 3-8023-0725-9.
- Peter Bastian, Horst Bumiller, Monika Burgmaier u. a.: Fachkunde Elektrotechnik. 27. Auflage. Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 2009, ISBN 978-3-8085-3188-4.