Frequenzumrichter: Funktion, Vorteile und Auswahl für Elektromotoren

Frequenzumrichter sind elektronische Geräte, die die Drehzahl eines Elektromotors regeln, indem sie die Frequenz und Spannung der Stromversorgung anpassen. Statt ständig mit maximaler Drehzahl zu laufen, kann der Motor genau so schnell drehen, wie es die jeweilige Aufgabe erfordert. Dadurch wird die Steuerung von Anlagen präziser, der mechanische Verschleiß verringert und der Stromverbrauch spürbar gesenkt.

Frequenzumrichter sind in der Industrie, in Lüftungsanlagen, bei Pumpensystemen und weiteren elektrischen Antrieben weit verbreitet. Im Folgenden wird erläutert, wie ein Frequenzumrichter aufgebaut ist, wie er die Motordrehzahl steuert und unter welchen Bedingungen er tatsächlich Energie spart.

Was ist ein Frequenzumrichter und wofür wird er benötigt?

Ein Frequenzumrichter, oft kurz "FU" genannt, ist eine Steuereinheit für Elektromotoren, die eine stufenlose Anpassung der Drehzahl ohne mechanische Getriebe oder Schaltvorgänge ermöglicht. Besonders häufig kommt er mit drehstrombetriebenen Asynchronmotoren zum Einsatz, die in der Industrie Standard sind.

Ein gewöhnlicher Asynchronmotor läuft bei Netzanschluss mit einer Drehzahl, die von der Netzfrequenz und der Polzahl abhängt. In Deutschland beträgt die Standard-Netzfrequenz 50 Hz. Benötigt eine Anlage eine niedrigere Geschwindigkeit, senkt der Frequenzumrichter die Motordrehzahl, indem er die Frequenz und Spannung reduziert.

Typische Einsatzbereiche, in denen eine flexible Leistungsregelung oder sanfte Bewegungsabläufe erforderlich sind:

• Pumpen - Regelung des Wasserdurchflusses ohne permanente Drosselung.
• Lüfter - Anpassung der Luftmenge je nach Bedarf.
• Förderbänder - Einstellung der Fördergeschwindigkeit.
• Werkzeugmaschinen - Steuerung der Drehzahl von Antrieben.
• Hebevorrichtungen - Sanftes Beschleunigen und Abbremsen unter Last.

Die reine Spannungsabsenkung reicht zur Drehzahlregelung von Asynchronmotoren nicht aus, da sonst das Drehmoment deutlich sinkt und der Motor überhitzen oder unter Last stehenbleiben kann. Der Frequenzumrichter passt Spannung und Frequenz gemeinsam an - das erhält das nötige Drehmoment im Arbeitsbereich.

Die Steuerungsart hängt auch vom Motortyp ab. So reagieren Synchron- und Asynchronmotoren unterschiedlich auf das rotierende Magnetfeld.

Mehr zu diesen Unterschieden erfahren Sie im Artikel "Synchron- und Asynchronmotoren: Unterschiede und Anwendungsvorteile".

Aufbau und Funktionsweise eines Frequenzumrichters

Ein Frequenzumrichter steuert den Elektromotor, indem er den Netzstrom in Wechselstrom mit variabler Frequenz und Spannung umwandelt. So kann der Motor sanft beschleunigen und verzögern - ganz ohne mechanische Umschaltung.

Wie ist ein Frequenzumrichter aufgebaut?

In modernen Geräten kommen meist dreistufige Schaltungen zum Einsatz:

• Gleichrichter - wandelt Wechselstrom aus dem Netz mithilfe von Dioden oder steuerbaren Halbleitern in Gleichstrom um.
• Zwischenkreis - glättet Spannungsschwankungen mittels Kondensatoren (und bei Bedarf Drosseln).
• Wechselrichter (Inverter) - erzeugt eine dreiphasige Wechselspannung mit der gewünschten Frequenz für den Motor.

Die eigentliche Steuerarbeit übernehmen Leistungstransistoren - meist IGBT. Sie schalten mit hoher Frequenz und erzeugen so eine Abfolge von elektrischen Impulsen.

Zur Formung der Ausgangsspannung wird Pulsweitenmodulation (PWM) verwendet. Die Elektronik steuert die Impulslänge so, dass im Motor eine nahezu sinusförmige Stromkurve entsteht.

Details zu den verwendeten Leistungstransistoren finden Sie im Beitrag "IGBT-Transistor: Funktionsweise und Bedeutung in Umrichtern und Antrieben".

Wie regelt der Frequenzumrichter die Motordrehzahl?

Die Drehzahl des Magnetfelds bei Asynchronmotoren hängt von der Frequenz und der Polzahl ab. Die Formel lautet:

n_s = 120 × f / P
wobei:
n_s - synchrone Drehzahl (U/min),
f - Frequenz (Hz),
P - Polzahl.

Beispiel: Bei einem Vierpolmotor beträgt die synchrone Drehzahl bei 50 Hz 1500 U/min. Reduziert der Frequenzumrichter die Frequenz auf 25 Hz, liegt sie bei 750 U/min. Die tatsächliche Motordrehzahl ist wegen des Schlupfs noch etwas niedriger.

Wird die Frequenz gesenkt, reduziert der Umrichter meist auch die Spannung, um das optimale Verhältnis und somit das Drehmoment zu erhalten.

Moderne Frequenzumrichter nutzen Vektorregelung, die elektrische Parameter des Motors berücksichtigt und so Geschwindigkeit und Drehmoment auch bei wechselnder Last besonders präzise steuert.

Wie spart ein Frequenzumrichter Strom?

Ein Frequenzumrichter senkt den Energieverbrauch, indem er die Motordrehzahl an die tatsächliche Last anpasst. Statt dauerhaft mit Vollgas zu laufen, arbeitet der Motor nur so schnell, wie es die jeweilige Aufgabe verlangt.

Die größte Stromeinsparung zeigt sich bei Pumpen und Lüftern. Hier gilt das "Kubikgesetz": Die aufgenommene Leistung ist etwa proportional zur dritten Potenz der Drehzahl.

P₂/P₁ = (n₂/n₁)³

Senkt man z. B. die Lüfterdrehzahl auf 80 % des Nennwerts, ergibt sich rechnerisch:

0,8³ = 0,512

Es werden also nur rund 51 % der ursprünglichen Leistung benötigt - eine Einsparung von 49 %. Die tatsächliche Stromersparnis kann je nach Anlagenkonfiguration, Motorwirkungsgrad und Umrichterverlusten etwas abweichen.

Effizient ist die Frequenzregelung vor allem dort, wo bislang Drosselklappen oder Ventile den Durchfluss begrenzen - dann reduziert die Anlage die Motordrehzahl direkt und spart so Energie.

Allerdings spart der Umrichter nicht immer Strom. Bei Förderbändern, Hebezeugen und anderen Maschinen mit konstantem Lastmoment bringt eine Drehzahlreduzierung keine vergleichbare Einsparung. In manchen Fällen können die Verluste des Umrichters sogar den Energiebedarf leicht erhöhen.

Frequenzumrichter 230 V und 400 V: Wo liegt der Unterschied?

Frequenzumrichter unterscheiden sich nach Eingangs- und Ausgangsspannung, Phasenzahl und Kompatibilität mit Motoren. Am verbreitetsten sind Modelle für das 230-Volt- und 400-Volt-Netz, die im Haushalt oder in der Industrie genutzt werden.

Frequenzumrichter 230 V kommen oft dort zum Einsatz, wo nur einphasiger Hausstrom verfügbar ist. Einige Modelle wandeln 230 V Einphasenstrom in dreiphasige 230 V am Ausgang - damit lassen sich kompatible Dreiphasenmotoren auch ohne echtes Drehstromnetz betreiben.

Frequenzumrichter 400 V werden typischerweise an das Dreiphasennetz angeschlossen und versorgen entsprechende Motoren. Sie sind Standard in Industrie, Pumpstationen, Belüftungssystemen und Maschinenparks.

Wie wählt man den passenden Frequenzumrichter aus?

Bei der Auswahl sind verschiedene Faktoren zu berücksichtigen:

• Nennstrom des Motors: Der Ausgangsstrom des Umrichters muss zum Motor und zur Last passen.
• Versorgungsspannung: Abhängig vom verfügbaren Netz und den Motordaten.
• Leistung: Muss auf die angeschlossene Anlage abgestimmt sein.
• Lasttyp: Pumpen, Lüfter und Hebezeuge haben unterschiedliche Anforderungen an Überlastfähigkeit.
• Steuerungsverfahren: Für einfache Aufgaben genügt Scalarregelung, für präzise Drehzahl- und Momentregelung empfiehlt sich Vektorregelung.

Die Angaben auf dem Motor-Typenschild sind entscheidend. Ein Drehstrommotor mit der Kennzeichnung 230/400 V wird bei 230 V im Dreieck und bei 400 V im Stern geschaltet.

Ein Motor, der ausschließlich für 400 V ausgelegt ist, darf nicht ohne Weiteres mit einem Umrichter betrieben werden, der nur 230 V Dreiphasenausgang liefert - andernfalls drohen Leistungseinbußen oder Schäden.

Vor- und Nachteile von Frequenzumrichtern

Der Frequenzumrichter regelt nicht nur die Motordrehzahl, sondern verbessert auch die Steuerung von Anlagen. Dennoch ist sein Einsatz nicht in allen Fällen sinnvoll.

Die wichtigsten Vorteile:

• Sanfter Start und Stopp: Der Motor beschleunigt und bremst ohne heftige Stöße, Anlaufströme werden reduziert.
• Präzise Drehzahlregelung: Die Leistung lässt sich ohne zusätzliche Mechanik anpassen.
• Stromeinsparung: Besonders bei Pumpen und Lüftern mit variabler Last spürbar.
• Weniger Verschleiß: Schonendes Anfahren verlängert die Lebensdauer von Riemen, Kupplungen, Lagern und weiteren Antriebsteilen.
• Automatisierung: Der Umrichter kann mit Sensoren (Druck, Temperatur) und Steuerungen vernetzt werden.

Nachteile und Einschränkungen:

• Zusätzliche Kosten für Anschaffung, Einbau und Inbetriebnahme.
• Elektromagnetische Störungen durch das Schalten der Leistungstransistoren.
• Erhöhte Motortemperatur bei niedrigen Drehzahlen wegen schlechterer Kühlung.
• Höhere Belastung von Wicklungsisolation und Lagern, insbesondere bei langen Motorleitungen.

Frequenzumrichter werden oft mit Sanftanlaufgeräten verglichen. Beide ermöglichen einen schonenden Motorstart, erfüllen jedoch unterschiedliche Aufgaben:

• Sanftanlasser: Steigert beim Anfahren langsam die Spannung, nach dem Hochlaufen läuft der Motor mit konstanter Netzfrequenz.
• Frequenzumrichter: Ermöglicht nicht nur den sanften Start, sondern auch die ständige Anpassung der Drehzahl während des Betriebs.

Braucht eine Anlage lediglich einen sanften Anlauf, genügt oft ein Sanftanlasser. Ist eine variable Drehzahl, konstante Förderleistung oder Energieeinsparung durch Drehzahlregelung gewünscht, ist ein Frequenzumrichter die bessere Wahl.

Fazit

Ein Frequenzumrichter passt die Drehzahl von Elektromotoren durch Veränderung von Frequenz und Spannung flexibel an. So kann die Anlage exakt mit der benötigten Leistung arbeiten, startet sanft und erfährt geringere mechanische Belastungen.

Die größten Energieeinsparungen bieten Frequenzumrichter bei Pumpen und Lüftern mit variabler Last. Für Maschinen, die immer mit Nennleistung laufen, lohnt sich der Einbau aber nicht immer.

Bei der Auswahl sollten Netzspannung, Motorstrom, Lasttyp und das gewünschte Regelintervall beachtet werden. Für reine Sanftanläufe reicht ein Sanftanlasser, für eine kontinuierliche Drehzahlregelung ist ein Frequenzumrichter die bessere Lösung.