Die Auswahl eines Frequenzumrichters für einen Motor beginnt mit dem Bemessungsstrom, der Spannung und der Charakteristik der angetriebenen Maschine. Die Übereinstimmung der Leistung in Kilowatt reicht nicht aus: Der Umrichter muss die erforderlichen Überlasten bewältigen, mit dem Motor über den gesamten Drehzahlbereich zusammenarbeiten und zur Elektroinstallation sowie Automatisierung passen. Erst auf dieser Grundlage lässt sich sicher beurteilen, ob eine Drehzahlregelung den Prozessbetrieb und dessen Energieeffizienz verbessert.
Wie wählt man einen Frequenzumrichter für einen Motor aus? Der wichtigste Grundsatz
Der unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen verfügbare Ausgangsstrom des Frequenzumrichters muss zum benötigten Motorstrom passen; seine Überlastfähigkeit muss Anlaufvorgänge und Lastwechsel abdecken. Zusätzlich sind Spannung, Motortyp, Drehzahlbereich, Kühlung, Kabellänge und Regelungsverfahren zu prüfen. Ein Umrichter, der nur anhand der Angabe „15 kW“ ausgewählt wurde, kann selbst für einen ebenfalls mit 15 kW gekennzeichneten Motor ungeeignet sein.
Wir empfehlen folgende Prüfreihenfolge:
- Prozessanforderungen ermitteln: Drehmoment, Drehzahlbereich, Betriebsdauer sowie Häufigkeit von Anlauf- und Bremsvorgängen.
- Motordaten ablesen und prüfen, ob die Bauart einen Betrieb am Frequenzumrichter zulässt.
- Spannungsklasse wählen und den Dauer-Ausgangsstrom des Umrichters unter Berücksichtigung der Einbaubedingungen prüfen.
- Benötigten kurzzeitigen Strom und Überlastdauer mit den Kenndaten des ausgewählten Geräts vergleichen.
- Kühlung, Isolierung, Kabel, Schutzmaßnahmen, elektromagnetische Verträglichkeit und Automatisierung prüfen.
- Inbetriebnahme mit Messung elektrischer Größen und Funktionsprüfung der Maschine planen.
Diese Abfolge – von Netz und Last über den Motor bis zum Umrichterstrom – beschreibt auch der ABB-Leitfaden zur Dimensionierung von Antriebssystemen.
Welche Angaben sind auf dem Motortypenschild wichtig?
Das Typenschild ist der Ausgangspunkt. Für die endgültige Auswahl werden jedoch auch Daten zur angetriebenen Maschine und die Motordokumentation benötigt. Bei der Modernisierung älterer Antriebe ist besondere Vorsicht geboten, wenn Angaben zur Wicklungsisolierung, Kühlung oder zum zulässigen Drehzahlbereich fehlen.
| Parameter | Was ist zu prüfen? | Bedeutung für die Auswahl |
|---|---|---|
| Spannung und Wicklungsschaltung | Z. B. 230/400 V Δ/Y oder 400/690 V Δ/Y | Sie müssen zur Ausgangsspannung des Umrichters und zur Motorschaltung passen. |
| Bemessungsstrom Iₙ | Stromwert in Ampere bei der entsprechenden Spannung und Schaltung | Grundlage für die Prüfung der Dauerstrombelastbarkeit des Umrichterausgangs. |
| Bemessungsleistung Pₙ und -drehzahl nₙ | Mechanische Wellenleistung und Bemessungsdrehzahl | Sie helfen bei der Beurteilung des Drehmoments und der erforderlichen Antriebskennlinie. |
| Frequenz und Motortyp | 50/60 Hz, Asynchronmotor, Synchronmotor oder anderer Typ | Sie bestimmen die Eignung des Regelalgorithmus und die Parametrierung. |
| Betriebsart und Kühlung | Dauer-/Aussetzbetrieb, Eigen- oder Fremdlüfter | Sie bestimmen die zulässige thermische Belastung bei niedrigen Drehzahlen. |
| Sensoren und technischer Zustand | PTC/PT100, Geber, Zustand von Isolierung und Lagern | Sie beeinflussen Schutzfunktionen und Modernisierungsrisiken. |
Die in kW angegebene mechanische Bemessungsleistung an der Motorwelle darf nicht mit der aus dem Netz aufgenommenen elektrischen Leistung verwechselt werden. Für eine umfassendere Wirkungsgradbetrachtung hilft die Unterscheidung in unserem Beitrag zum Wirkungsgrad von Elektromotoren.
Ausgangsstrom, Überlastfähigkeit und Betriebsbedingungen des Frequenzumrichters
Warum reicht die Leistungsangabe in kW allein nicht aus?
In Katalogen werden Frequenzumrichter häufig typischen Motorleistungen zugeordnet. Für die genaue Auswahl muss jedoch der Bemessungsstrom des Motors mit dem zulässigen Dauer-Ausgangsstrom des Umrichters verglichen werden. Dabei sind Spannungsklasse, Betriebsart und eine mögliche Leistungsreduzierung (Derating) zu berücksichtigen. Der Hersteller kann abhängig von Schaltfrequenz, Umgebungstemperatur oder Montagebedingungen unterschiedliche Stromwerte angeben. Das erläutert auch die technische Information von Schneider Electric zur strombezogenen Auswahl.
Wichtig ist außerdem die Unterscheidung zwischen Normal Duty und Heavy Duty, sofern das Modell diese Betriebsarten bietet. Eine höhere zulässige kurzzeitige Überlast kann mit einer geringeren dauerhaft verfügbaren Leistung oder Stromstärke verbunden sein. Bei Altivar Process hängen diese Werte beispielsweise vom Modell und der Einstellung Dual Rating ab; es sind keine allgemeingültigen Werte für alle Frequenzumrichter. Einzelheiten nennt Schneider Electric in der Beschreibung von Normal Duty und Heavy Duty.
Was bedeutet die Lastcharakteristik?
| Lastart | Typische Anwendung | Folge für die Umrichterauswahl |
|---|---|---|
| Annähernd konstantes Drehmoment | Förderband, Rührwerk, ausgewählte Prozessmaschinen | Drehmoment bei niedriger Drehzahl, Anlauf und Überlastfähigkeit prüfen. |
| Drehmoment steigt näherungsweise mit dem Quadrat der Drehzahl | Bestimmte Kreiselpumpen und Ventilatoren | Andere Lastcharakteristik; Betriebspunkt und Prozessgrenzen müssen dennoch geprüft werden. |
| In einem Teil des Bereichs annähernd konstante Leistung | Wickelmaschine, bestimmte Bearbeitungssysteme | Das Drehmoment ändert sich mit der Drehzahl; der gesamte Betriebsbereich ist zu prüfen. |
Die Beziehung „Leistung proportional zur dritten Potenz der Drehzahl“ darf nicht pauschal auf ein Förderband, eine Verdrängerpumpe oder beliebige Prozessmaschinen übertragen werden. Selbst bei Kreiselpumpen hängt das Ergebnis von der Anlagenkennlinie, dem Anteil der statischen Förderhöhe und der Aufrechterhaltung der erforderlichen Prozessfunktion ab. Dieser Beitrag behandelt die elektrische Auslegung des Antriebs; für die detaillierte Bewertung von Einsparungen bei Pumpen und Ventilatoren ist eine eigene verfahrenstechnische Analyse erforderlich.
Anlauf, Bremsen und Betrieb bei niedriger Drehzahl
Für die Bewertung der Überlastfähigkeit reichen maximaler Drehmoment- und Stromwert nicht aus; entscheidend sind auch Dauer und Wiederholhäufigkeit der Belastung. Ein mit Material anlaufendes Förderband und ein System mit hohem Trägheitsmoment können andere Reserven benötigen als ein nur gelegentlich gestarteter Ventilator. Schnelles Bremsen kann Energie in den Zwischenkreis des Umrichters zurückspeisen. Je nach Anwendung sind Widerstands- oder rückspeisefähiges Bremsen sowie der zulässige Bremszyklus zu prüfen.
Ein Standardmotor mit eigenem Wellenlüfter wird bei niedriger Drehzahl in der Regel schlechter gekühlt. Längerer Betrieb mit hohem Drehmoment bei niedriger Drehzahl erfordert die Prüfung der thermischen Belastbarkeitskurve, der Temperatursensoren und gegebenenfalls einer Fremdbelüftung. Oberhalb der Grunddrehzahl sind Feldschwächung, sinkendes verfügbares Drehmoment und mechanische Grenzen von Motor und Maschine zu berücksichtigen. Diese Zusammenhänge beschreibt ABB in den Abschnitten zur Motorbelastbarkeit und Antriebsdimensionierung.
Versorgung mit 230/400 V, Wicklungsschaltung und Motorverträglichkeit
Die Bezeichnung „dreiphasiger Frequenzumrichter“ kann sich auf den Ausgang beziehen, nicht unbedingt auf den Eingang. Deshalb sind die Anforderungen an die Umrichterversorgung und die dreiphasige Ausgangsspannung zum Motor getrennt zu prüfen.
Ein typischer Motor mit der Typenschildangabe 230/400 V Δ/Y kann beispielsweise – sofern der Hersteller dies zulässt – bei einer Außenleiterspannung von 230 V in Dreieckschaltung oder bei 400 V in Sternschaltung betrieben werden. Ein Umrichter mit Eingang 1 × 230 V und Ausgang 3 × 230 V kann daher bei korrekter Wicklungsschaltung zu diesem Motor passen, ersetzt jedoch keinen Antrieb mit 3 × 400 V für einen Motor, der in der gewählten Schaltung 400 V benötigt. Nicht jeder Motor und nicht jeder Umrichter lässt diese Variante zu. Maßgeblich sind das Typenschild und die Anleitungen beider Geräte, nicht allein die Phasenzahl in der Produktbezeichnung.
Zu prüfen ist außerdem, ob der ausgewählte Umrichter den konkreten Motortyp und sein Regelungsverfahren unterstützt. Ein klassischer Asynchronmotor, ein permanenterregter Synchronmotor und ein Antrieb mit Drehgeber können unterschiedliche Anforderungen stellen.
Motorkabel, EMV und Schutzmaßnahmen – oft übersehene Auswahlkriterien
Der Frequenzumrichter ist Teil der gesamten Anlage. Eingangsseitig sind Netzparameter, Schutzgeräte, Versorgungsströme, gegebenenfalls Netzdrosseln und die Koordination mit den Schaltgeräten zu prüfen. Ausgangsseitig zählen unter anderem Art und Länge des Motorkabels, Leitungskapazität, Schirmung, Schutzerdung und die Empfehlungen des Geräteherstellers.
Lange Leitungen und steile Spannungsimpulse am Ausgang können die Wicklungsisolierung stärker beanspruchen und das Risiko von Lagerströmen erhöhen. Je nach konkreter Umrichter-Motor-Kombination und Kabellänge kann der Hersteller einen du/dt-Filter, Sinusfilter oder andere Maßnahmen empfehlen. Es gibt weder einen einheitlichen sicheren Grenzwert für die Kabellänge noch einen für alle Modelle vorgeschriebenen Filter. Vergleichen Sie den ABB-Leitfaden zu Erdung und Verkabelung mit dem Danfoss-Leitfaden zu Ausgangsfiltern.
Bei der Auswahl sind zudem zu berücksichtigen:
- Störfestigkeit und elektromagnetische Störaussendung (EMV), einschließlich der Verlegung von Leistungs- und Signalkabeln;
- Schutz gegen elektrischen Schlag und Art der Schutzgeräte gemäß Umrichteranleitung;
- Temperatur, Staubbelastung, Schaltschrankbelüftung, Schutzart des Gehäuses und erforderliche Montageabstände;
- Kompatibilität mit Motortemperaturfühlern und erforderlichen Schutzfunktionen;
- besondere Umgebungsbedingungen, etwa explosionsgefährdete Bereiche, falls vorhanden.
Ökodesign-Anforderungen an bestimmte Motoren und Frequenzumrichter, die in der EU in Verkehr gebracht werden, ergeben sich unter anderem aus der Verordnung (EU) 2019/1781 der Kommission in der geänderten Fassung. Diese regelt die Effizienz der in ihren Anwendungsbereich fallenden Geräte, ist aber keine Auslegungstabelle zur Auswahl eines Frequenzumrichters für eine bestimmte Last. Die Anlage muss unter Berücksichtigung der Herstellerunterlagen auch den einschlägigen Sicherheits- und EMV-Anforderungen entsprechen.
Regelung: U/f, Vektorregelung und Automatisierungsschnittstellen
Bei einer einfachen Anlage mit mäßigen dynamischen Anforderungen kann eine skalare U/f-Steuerung ausreichen. Wenn ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl, eine schnelle Reaktion auf Lastwechsel oder eine präzisere Antriebsregelung erforderlich ist, kommt eine Vektorregelung, gegebenenfalls mit Geber, in Betracht. Das Verfahren muss zur benötigten Maschinenfunktion und zu den Fähigkeiten des Motors passen.
Vor der Bestellung des Umrichters sollte eine Liste der Signale und Schnittstellen erstellt werden:
- Befehle für Start, Stopp und Drehrichtung sowie Rückmeldung der Betriebsbereitschaft;
- Drehzahl- oder Drehmomentsollwert – über Bedienfeld, Analogeingang oder SPS;
- Rückmeldungen zu Betrieb, Störung, Frequenz, Strom und Temperatur;
- passendes Kommunikationsprotokoll, etwa Modbus oder PROFINET, falls von der vorhandenen Automatisierung benötigt;
- Prozessregelung (z. B. PID), prozesstechnische Verriegelungen, Verhalten bei Netzausfall und Anforderungen an die Maschinensicherheit.
Die Funktion „Sicher abgeschaltetes Moment“ (STO) ersetzt, soweit vorhanden, nicht automatisch alle Not-Halt-Funktionen und auch nicht die elektrische Freischaltung für Arbeiten. Die Sicherheitslösung ist auf Grundlage einer Risikobeurteilung der konkreten Maschine auszuwählen.
Beispiel: ein 15-kW-Motor und zwei scheinbar gleich starke Frequenzumrichter
Angenommen, ein Asynchronmotor hat folgende Daten: 15 kW, 400 V, 50 Hz, 28,5 A und 1470 U/min. Eine Anlaufanalyse für die Maschine ergab einen Bedarf von etwa 42 A für 5 Sekunden; der Anlauf wiederholt sich alle paar Minuten. Dies sind angenommene Werte zur Veranschaulichung der Methode, keine Messungen aus einem bestimmten Betrieb.
- Frequenzumrichter A wird mit „15 kW“ angeboten, sein Dauer-Ausgangsstrom beträgt in der benötigten Betriebsart und unter den Einbaubedingungen jedoch 27 A. Damit erfüllt er die Grundanforderung von 28,5 A trotz übereinstimmender Leistungsangabe nicht.
- Frequenzumrichter B liefert unter denselben Bedingungen 32 A Dauerstrom. Seine beispielhafte Kennlinie erlaubt für einen festgelegten Zeitraum 150% dieses Stroms. Das entspricht 48 A und liegt über den angenommenen 42 A. Er kommt für die weitere Prüfung infrage; zulässige Dauer, Pausen zwischen Überlastungen, tatsächliche Drehmomentkennlinie und Motorkühlung müssen dennoch kontrolliert werden.
Aus Bemessungsleistung und -drehzahl lässt sich auch das Motordrehmoment abschätzen: Tₙ ≈ 9550 × 15 / 1470 ≈ 97,4 Nm. Benötigt die Maschine 80 Nm bei 1200 U/min, ergibt sich eine mechanische Wellenleistung von etwa P ≈ 80 × 1200 / 9550 ≈ 10,1 kW. Das ist nicht die aus dem Netz aufgenommene Leistung: Dafür müssen die Wirkungsgrade von Motor und Umrichter an diesem Betriebspunkt sowie weitere Verbraucher des Prozesses berücksichtigt werden. Die Rechnung ermittelt weder die Energieeinsparung noch entscheidet sie allein über die Umrichterauswahl.
Inbetriebnahme: Was ist nach der Montage zu prüfen?
Auch ein korrekt ausgewähltes Modell erfordert die richtige Parametrierung und Tests. Bei der Inbetriebnahme:
- Anschlüsse, Erdung, Schutzgeräte, Schirmung, zulässiges Motorkabel und Kühlung prüfen.
- Motornennwerte eingeben und Regelungsverfahren, Stromgrenzen sowie thermischen Schutz konfigurieren.
- Die vom Hersteller zugelassene Motoridentifikation durchführen und die Drehrichtung bestätigen.
- Beschleunigungs- und Bremszeiten einstellen sowie Reaktionen auf Lastsprünge, Signalausfall und Störungen prüfen.
- SPS-Kommunikation, Prozesssensoren, Verriegelungen und Sicherheitsfunktionen prüfen.
- Strom, Frequenz, Temperaturen, Alarme und den maßgeblichen Prozessparameter unter repräsentativen Betriebsbedingungen erfassen.
Messungen müssen mit Verfahren erfolgen, die für verzerrte Signalformen und die jeweilige Signalart geeignet sind. Eine Stromanzeige eines beliebigen Messgeräts ersetzt keine Leistungsprüfung und Energiebilanz des gesamten Systems.
Senkt ein richtig ausgewählter Frequenzumrichter automatisch den Energieverbrauch?
Nein. Ein Frequenzumrichter ermöglicht die Änderung von Drehzahl und Regelungsverfahren, verursacht aber selbst Verluste. Ob Energie eingespart wird, hängt davon ab, ob die Regelung den Energiebedarf für dieselbe nutzbare Prozessarbeit reduziert. Verglichen werden muss die Wirkleistungsaufnahme des gesamten Systems vor und nach der Modernisierung unter vergleichbaren Bedingungen; bei schwankender Produktion zusätzlich eine spezifische Kennzahl wie kWh je Tonne oder Produktcharge.
Aus Sicht eines Energieauditors würde ich mit dem Lastprofil und den Prozessanforderungen beginnen. Läuft eine Maschine die meiste Zeit mit einer unveränderlichen erforderlichen Drehzahl, kann die Anschaffung eines Frequenzumrichters allein „zum Energiesparen“ unbegründet sein. Anders kann es bei einem System aussehen, das tatsächlich eine Durchfluss- oder Leistungsregelung benötigt. Dies ist jedoch eine andere Frage als die elektrische Auslegung des Umrichters.
Was sollte vor der Kaufentscheidung vorbereitet werden?
Für eine erste Bewertung genügen eine Beschreibung der Anwendung und die bereits vorhandenen Daten; umfassende Messungen müssen nicht sofort beauftragt werden. Besonders hilfreich sind ein Foto des Motortypenschilds, die Maschinendokumentation, Angaben zur Versorgung, ein ungefährer Betriebszyklus, der benötigte Drehzahl- und Drehmomentbereich, die Länge des Motorkabels sowie Informationen über Regelung und Automatisierung.
Wenn Sie eine Antriebsmodernisierung planen, senden Sie die verfügbaren Informationen über das Kontaktformular von Energy Trend. Damit lässt sich feststellen, welche Daten zur Variantenbewertung fehlen und welche nächsten Schritte technisch und energetisch sinnvoll sind.
Technische und rechtliche Quellen
- ABB – Technical Guide No. 7: Dimensioning of a Drive System – Lastkennlinien, Strom, Drehmoment, Drehzahlbereich und Kühlung.
- Schneider Electric – Auswahl nach Spannung und Strom sowie Normal Duty und Heavy Duty – Dauerstrom und Überlastfähigkeit.
- ABB – Grounding and Cabling of Drive Systems – Verkabelung, Erdung und EMV.
- Danfoss – Output Filters Design Guide – Begrenzungen durch gepulste Ausgangsspannung und Filter.
- Verordnung (EU) 2019/1781 der Kommission – konsolidierter Text – Ökodesign-Anforderungen an erfasste Geräte.
