Frequenzumrichter – Mechatronik Lernportal

Frequenzumrichter

Der Frequenzumrichter (FU) ist das zentrale Gerät zur stufenlosen Drehzahlregelung von Asynchronmotoren. Dieses Modul erklärt den physikalischen Hintergrund, den inneren Aufbau, die Schutz- und Steuerfunktionen, die richtige Installation sowie typische Anwendungsgebiete – vom Pumpenantrieb bis zur Werkzeugmaschine.

Kapitel 01

Warum braucht man einen Frequenzumrichter?

Ein dreiphasiger Asynchronmotor, der direkt ans Netz (400 V / 50 Hz) angeschlossen wird, läuft nahezu immer mit der gleichen Drehzahl – nämlich der Synchrondrehzahl, die durch die Netzfrequenz und die Polpaarzahl des Motors festgelegt ist. Das ist in vielen Anwendungen unpraktisch: Eine Pumpe, die immer mit Vollgas läuft, verschwendet Energie; ein Förderband, das nicht feinfühlig beschleunigt werden kann, reißt empfindliche Güter. Hier kommt der Frequenzumrichter ins Spiel.

Was ist ein Frequenzumrichter?
Ein Frequenzumrichter (FU, auch: Frequenzkonverter, Umrichter, englisch: Variable Frequency Drive / VFD) ist ein Leistungselektronikgerät, das die feste Netzfrequenz (50 Hz) in eine beliebig einstellbare Ausgangsfrequenz (typisch 0–400 Hz) und gleichzeitig die zugehörige Spannung umwandelt. Damit lässt sich die Drehzahl eines Asynchronmotors stufenlos und verlustarm regeln.

Das Problem mit der festen Netzfrequenz

Ohne FU gibt es nur wenige Möglichkeiten, die Drehzahl eines Asynchronmotors zu verändern:

Methode	Drehzahlbereich	Energieeffizienz	Anlaufstrom	Nachteile
Direktanlauf (DOL)	Nur Nenndrehzahl	Schlecht (bei Teillast)	5–8 × I_N	Stromstoß, Drehmomentstoß, keine Regelung
Stern-Dreieck	Nur Nenndrehzahl	Schlecht	2–3 × I_N	Drehmomenteinbruch beim Umschalten, nur 2-stufig
Sanftanlauf	Nur Nenndrehzahl	Mittel	1,5–3 × I_N	Nur Anlauf/Auslauf regelbar, keine Dauerdrehzahlregelung
Polumschalter	2–3 Stufen	Mittel	Wie DOL	Nur grobe Stufen, teurer Spezialmotor nötig
Frequenzumrichter	Stufenlos 0–400 Hz	Sehr gut	≤ 1,5 × I_N	Höhere Anschaffungskosten, EMV-Anforderungen

Merksatz: Der Frequenzumrichter ist die einzige Methode, die sowohl einen sanften, stromarmen Anlauf als auch eine stufenlose Dauerdrehzahlregelung bei hoher Energieeffizienz ermöglicht.

? Verständnisfrage: Welchen wesentlichen Nachteil hat der Stern-Dreieck-Anlauf gegenüber einem Frequenzumrichter? ›

Er ist teurer als ein Frequenzumrichter.

Er erhöht den Anlaufstrom auf das 8-fache.

Er ermöglicht keine stufenlose Drehzahlregelung im Dauerbetrieb.

Er ist technisch sehr unzuverlässig.

Kapitel 02

Wie hängen Frequenz, Spannung und Drehzahl zusammen?

Um zu verstehen, warum ein FU Frequenz und Spannung gleichzeitig verändern muss, braucht man ein Grundverständnis des Asynchronmotors. Das Magnetfeld im Stator des Motors dreht sich mit der Synchrondrehzahl – und die hängt ausschließlich von der Frequenz und der Polpaarzahl ab.

n_s = (f × 60) / p

n_s: Synchrondrehzahl in min⁻¹
f: Frequenz in Hz
p: Polpaarzahl (dimensionslos)

Beispiel: Ein 4-poliger Motor (p = 2) am 50-Hz-Netz dreht mit n_s = (50 × 60) / 2 = 1.500 min⁻¹. Senkt man die Frequenz auf 25 Hz, dreht das Feld nur noch mit 750 min⁻¹ – der Motor folgt entsprechend.

Warum muss die Spannung mitvariiert werden?

Im Stator des Asynchronmotors wirkt das gleiche Prinzip wie in einem Transformator: Die Spannung erzeugt einen magnetischen Fluss. Senkt man die Frequenz, aber behält die volle Spannung, steigt der Fluss stark an – der Kern übersättigt, der Magnetisierungsstrom explodiert und der Motor überhitzt. Daher gilt:

U / f = const. (U/f-Kennlinie)

U: Statorspannung in V
f: Ausgangsfrequenz in Hz

Diese U/f-Kennlinie (auch: Spannungs-Frequenz-Kennlinie) ist das einfachste Steuerverfahren eines FU. Wird die Frequenz halbiert, halbiert der FU auch die Spannung – der magnetische Fluss bleibt konstant, das Drehmoment bleibt erhalten.

Synchrondrehzahl vs. Läuferdrehzahl – der Schlupf: Der FU regelt die Statorfrequenz und damit die Synchrondrehzahl des rotierenden Magnetfeldes. Der Rotor des Asynchronmotors läuft dabei immer etwas langsamer als das Feld – diese Differenz heißt Schlupf s (typisch 2–8 % bei Nennbetrieb). Der Schlupf ist notwendig, damit im Rotor überhaupt eine Spannung induziert wird und Strom fließt – erst dadurch entsteht das Drehmoment. Bei Leerlauf ist der Schlupf nahezu null, bei Vollast am größten.

U/f-Kennlinie – Spannung folgt der Frequenz linear

Feldschwächbereich: Oberhalb der Nennfrequenz (z. B. 60–100 Hz) kann die Spannung nicht weiter erhöht werden, da sie bereits am Nennwert (400 V) liegt. Die Frequenz steigt, aber die Spannung bleibt konstant → der magnetische Fluss sinkt → der Motor verliert Drehmoment. Dieser Bereich heißt Feldschwächbereich.

Interaktiver Drehzahlrechner

Synchrondrehzahl berechnen

Frequenz f 50 Hz

Polpaarzahl p 2 (= 4-polig)

n_s = 1500 min⁻¹

U/f-Spannung: 400 V (bei linearer Kennlinie)

? Verständnisfrage: Was passiert, wenn ein FU die Frequenz halbiert, aber die Spannung gleich lässt? ›

Der Motor dreht einfach nur langsamer, sonst nichts.

Der magnetische Fluss steigt stark an – der Motor überhitzt und kann beschädigt werden.

Das Drehmoment verdoppelt sich, was nützlich ist.

Die Drehzahl bleibt gleich, weil die Spannung unverändert ist.

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Beispiele & Rechenaufgaben 2 Beispiele · 5 Aufgaben ›

Beispiel 1

Ein 2-poliger Motor (p = 1) wird von einem FU mit 35 Hz betrieben. Wie groß ist die Synchrondrehzahl? Welche Spannung gibt der FU aus (lineare U/f-Kennlinie, Nennwerte: 50 Hz / 400 V)?

Lösung

Schritt 1: Synchrondrehzahl berechnen → n_s = (f × 60) / p = (35 × 60) / 1 = 2.100 min⁻¹

Schritt 2: U/f-Verhältnis bestimmen → U/f = 400 V / 50 Hz = 8 V/Hz

Schritt 3: Ausgangsspannung → U = 8 V/Hz × 35 Hz = 280 V

Ergebnis: n_s = 2.100 min⁻¹ · Ausgangsspannung = 280 V

Beispiel 2

Ein 6-poliger Motor (p = 3) soll mit 900 min⁻¹ betrieben werden. Mit welcher Frequenz muss der FU arbeiten? Wie hoch ist die Ausgangsspannung (Nenn: 50 Hz / 400 V)?

Lösung

Schritt 1: Formel umstellen → f = (n_s × p) / 60 = (900 × 3) / 60 = 45 Hz

Schritt 2: Ausgangsspannung → U = (45 / 50) × 400 V = 360 V

Ergebnis: f = 45 Hz · U = 360 V

Aufgabe 1

Ein 4-poliger Motor (p = 2) wird mit 20 Hz betrieben. Berechne die Synchrondrehzahl und die Ausgangsspannung des FU (Nenn: 50 Hz / 400 V).

Hinweis: Formel n_s = (f × 60) / p und U = (f/f_N) × U_N verwenden.

Lösung

n_s = (20 × 60) / 2 = 600 min⁻¹

U = (20 / 50) × 400 V = 160 V

Ergebnis: n_s = 600 min⁻¹ · U = 160 V

Aufgabe 2

Ein Motor soll mit 600 min⁻¹ laufen. Er hat p = 1 (2-polig). Welche Frequenz muss der FU liefern?

Hinweis: Formel nach f umstellen.

Lösung

f = (n_s × p) / 60 = (600 × 1) / 60 = 10 Hz

Ergebnis: f = 10 Hz

Aufgabe 3

Ein FU gibt 30 Hz aus. Der Nennpunkt des Motors liegt bei 50 Hz / 400 V. Welche Spannung gibt der FU aus, und wie hoch ist das U/f-Verhältnis?

Hinweis: U/f = U_N / f_N, dann U = U/f × f.

Lösung

U/f-Verhältnis = 400 V / 50 Hz = 8 V/Hz

U = 8 V/Hz × 30 Hz = 240 V

Ergebnis: U/f = 8 V/Hz · U = 240 V

Aufgabe 4

Welche Synchrondrehzahl hat ein 8-poliger Motor (p = 4) bei Netzfrequenz (50 Hz)? Wie ändert sich die Drehzahl, wenn der FU auf 75 Hz erhöht wird (Feldschwächbereich)?

Hinweis: Im Feldschwächbereich gilt die gleiche Drehzahlformel – nur das Drehmoment sinkt.

Lösung

Bei 50 Hz: n_s = (50 × 60) / 4 = 750 min⁻¹

Bei 75 Hz: n_s = (75 × 60) / 4 = 1.125 min⁻¹

Spannung bleibt 400 V (Feldschwächbereich) → Drehmoment sinkt.

Ergebnis: 750 min⁻¹ → 1.125 min⁻¹ (Feldschwächbetrieb)

Aufgabe 5

Ein FU betreibt einen 4-poligen Motor (p = 2) mit 45 Hz. Berechne Synchrondrehzahl und Ausgangsspannung. Um wie viel Prozent liegt die Drehzahl unter der Nenndrehzahl bei 50 Hz?

Hinweis: Prozentuale Abweichung = ((n_Nenn – n_ist) / n_Nenn) × 100 %

Lösung

n_Nenn = (50 × 60) / 2 = 1.500 min⁻¹

n_ist = (45 × 60) / 2 = 1.350 min⁻¹

U = (45 / 50) × 400 V = 360 V

Abweichung = ((1.500 – 1.350) / 1.500) × 100 % = 10 %

Ergebnis: n_ist = 1.350 min⁻¹ · U = 360 V · 10 % unter Nenndrehzahl

Kapitel 03

Wie funktioniert ein Frequenzumrichter intern?

Ein Frequenzumrichter verwandelt Netzwechselspannung in eine vollständig neue Wechselspannung mit frei wählbarer Frequenz und Amplitude. Das geschieht in drei Stufen: Gleichrichtung → Zwischenkreis → Wechselrichtung.

Prinzipieller Aufbau eines Frequenzumrichters (Blockschaltbild)

Stufe 1: Gleichrichter

Der Gleichrichter wandelt die dreiphasige Netzwechselspannung (400 V / 50 Hz) in eine pulsierende Gleichspannung um. Einfache FU nutzen passive Diodenbrücken. Rückspeisefähige FU verwenden aktive IGBT-Brücken (Active Front End / AFE), die auch Energie zurück ins Netz einspeisen können.

Stufe 2: Zwischenkreis

Der Zwischenkreis glättet und puffert die gleichgerichtete Spannung. Er besteht typisch aus:

Kondensatoren: glätten auf ca. 560 V DC (Spitzenwert von 400 V AC × √2 ≈ 565 V)
Drossel: begrenzt Stromspitzen, verbessert den Leistungsfaktor (cos φ)
Bremswiderstand (extern, optional): verheizt überschüssige Bremsenergie

Warum ca. 560–565 V DC? Die Netzspannung von 400 V ist der Effektivwert der verketteten Spannung. Ihr Scheitelwert beträgt 400 V × √2 ≈ 565 V. Der Zwischenkreiskondensator in einem Spannungszwischenkreis-FU lädt sich auf diesen Scheitelwert auf → U_ZK ≈ 560–600 V DC (je nach Netzqualität und Schaltungsvariante).

Stufe 3: Wechselrichter und PWM

Der Wechselrichter erzeugt aus der DC-Zwischenkreisspannung eine Dreiphasen-Wechselspannung mit beliebiger Frequenz. Er besteht aus sechs IGBT-Transistoren, die mit 4–16 kHz schalten. Das Verfahren heißt Pulsweitenmodulation (PWM): Das Verhältnis von Ein- zu Auszeit (Tastverhältnis) bestimmt den Mittelwert der Spannung. Der Motor sieht durch seine Induktivität eine nahezu sinusförmige Spannung.

Merksatz IGBT: Der IGBT vereint einfache Spannungsansteuerung (wie MOSFET) mit hoher Stromtragfähigkeit (wie Bipolartransistor). Er ist das Herzstück moderner Frequenzumrichter.

Oberwellen und EMV: Das schnelle IGBT-Schalten erzeugt hochfrequente Störungen. Die ÖVE/ÖNORM EN 61800-3 schreibt Grenzwerte für leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen vor. Ausgangsdrosseln und EMV-Filter sind häufig erforderlich.

? Verständnisfrage: Was ist die Aufgabe des Zwischenkreiskondensators im Frequenzumrichter? ›

Er erzeugt die neue Ausgangsfrequenz.

Er glättet die gleichgerichtete Spannung und puffert Energie für den Wechselrichter.

Er steuert den Ausgangsstrom des FU.

Er wandelt AC in DC um.

Kapitel 04

Welche Vorteile bietet der FU beim Anlauf?

Beim direkten Einschalten eines Asynchronmotors ans Netz (Direktanlauf / DOL) fließt ein enormer Anlaufstrom – das 5- bis 8-fache des Nennstroms. Dieser Stromstoß belastet Netz, Sicherungen, Schütze und die mechanische Last. Der FU löst dieses Problem grundlegend.

Problem Direktanlauf: Bei DOL entsteht auch ein extremes Anlaufdrehmoment (Drehmomentstoß), das Kupplungen, Getriebe und empfindliches Fördergut mechanisch schädigen kann. Zerbrechliche Güter auf Förderbändern, Flüssigkeiten in Rohren (Druckstoß) oder Werkzeuge in Bearbeitungsmaschinen reagieren empfindlich darauf.

Wie startet der FU sanft?

Der FU beginnt den Hochlauf bei 0 Hz und erhöht Frequenz und Spannung entlang einer programmierten Hochlaufkurve (Rampe). Die Hochlaufzeit ist frei einstellbar (typisch 1–60 Sekunden). Der Motor beschleunigt gleichmäßig – ohne Stromstoß, ohne Drehmomentstoß.

I_Anlauf,FU ≤ 1,5 × I_N

I_Anlauf,DOL = 5 … 8 × I_N

Anlaufstromvergleich: DOL vs. Stern-Dreieck vs. FU

ÖVE/ÖNORM EN 60034-17: Beschreibt den Betrieb von Käfigläufer-Asynchronmotoren an Frequenzumrichtern und gibt Grenzwerte für Spannungsanstiegszeiten (du/dt) vor, um die Wicklungsisolation zu schützen.

Anlaufstrom-Vergleich (vereinfacht)

Nennstrom I_N 20 A

DOL: 140 A (7 × I_N)

Stern-Dreieck: 46 A (≈ 2,3 × I_N)

FU: 30 A (≤ 1,5 × I_N)

? Verständnisfrage: Warum ist ein Drehmomentstoß beim Direktanlauf mechanisch problematisch? ›

Er erhöht die Temperatur des Frequenzumrichters.

Er überlastet das Stromnetz durch zu hohe Spannung.

Er belastet Kupplungen, Getriebe und mechanische Komponenten durch einen plötzlichen Impuls.

Er verschlechtert den Leistungsfaktor (cos φ) dauerhaft.

Kapitel 05

Wie steuert und schützt ein FU den Motor?

Steuerverfahren im Überblick

Verfahren	Prinzip	Dynamik	Typische Anwendung
U/f-Steuerung	Spannung folgt Frequenz linear	Niedrig	Pumpen, Lüfter, einfache Förderbänder
Sensorlose Vektorregelung	Motormodell berechnet Fluss und Drehmoment rechnerisch	Mittel	Kompressoren, Werkzeugmaschinen
Feldorientierte Regelung (FOR)	Fluss- und Drehmomentkomponente separat geregelt, Drehgeber nötig	Hoch	Servoantriebe, CNC-Maschinen, Aufzüge
Direkte Drehmomentregelung (DTC)	Drehmoment direkt geregelt, kein Geber nötig	Sehr hoch	Krane, Walzwerke, Prüfstände

Schutzfunktionen des FU

Überstromschutz: Abschalten bei Überschreitung eines einstellbaren Stromgrenzwerts – schützt Motor und FU bei Blockierung oder Überlast.
Thermischer Motorschutz (I²t): Errechnet die thermische Belastung des Motors aus Strom und Zeit – auch ohne Temperaturfühler am Motor.
Übertemperaturschutz: Temperatursensoren am Kühlkörper und IGBT-Modul. Bei Überschreitung: Warnung oder Abschaltung.
Unterspannungsschutz: Bei zu niedriger Zwischenkreisspannung schaltet der FU ab oder wechselt in den Ride-Through-Modus (Überbrückung kurzer Netzstörungen).
Erdschlussüberwachung: Erkennt Ableitströme gegen Erde.
Phasenfehler: Erkennt fehlende Netz- oder Motorphasen.

ÖVE/ÖNORM EN 61800-5-1: Sicherheitsanforderungen für drehzahlveränderbare elektrische Antriebssysteme – definiert Schutzklassen, Isolationskoordination und Sicherheitsfunktionen wie STO (Safe Torque Off).

Steuereingänge und Feldbusschnittstellen

Analogeingang 0–10 V Analogeingang 4–20 mA Digitaleingänge 24 V DC Digitalausgänge (Relais) Modbus RTU/TCP PROFIBUS DP CANopen EtherCAT

STO – Safe Torque Off: Bei aktiviertem STO werden die IGBT-Ansteuersignale sicher gesperrt – der Motor kann kein Drehmoment mehr erzeugen und trudelt aus. STO ermöglicht gefahrloses Eingreifen in die Maschine ohne vollständige Netztrennung (gemäß Maschinen-Sicherheitsverordnung / MSV und ÖNORM EN ISO 13849).

Kühlungsarten

FU erzeugen Verlustleistung (typisch 1–3 % der Nennleistung), die abgeführt werden muss:

Eigenlüftung (Konvektion): Kleine FU bis ca. 2,2 kW – passiv, kein Lüfter
Zwangslüftung (Lüfter intern): Standard-FU – ein integrierter Lüfter bläst Luft durch den Kühlkörper; Kühlluft muss frei zirkulieren können
Flüssigkeitskühlung: Hochleistungs-FU ab ca. 75 kW oder für hohe Schutzgrade (IP54+) – Wärme wird über ein Kühlwasserkreislauf abgeführt, ideal für dichte Schaltschränke

Integrierter PID-Prozessregler

Viele moderne FU enthalten einen eingebauten PID-Regler, der direkt einen Prozesswert regeln kann (z. B. Druck, Durchfluss, Temperatur) ohne externe SPS. Ein Drucksensor liefert den Istwert (4–20 mA), der FU vergleicht ihn mit dem Sollwert und passt die Drehzahl der Pumpe automatisch an – die einfachste Form einer druckgeregelten Pumpenanlage.

? Verständnisfrage: Was versteht man unter dem thermischen Motorschutz I²t im FU? ›

Er schützt den FU vor Spannungsspitzen aus dem Netz.

Er ist ein Kurzschlussschutz für die Netzzuleitung.

Er errechnet aus Strom und Zeit die thermische Motorbelastung und verhindert Wicklungsüberhitzung.

Er verbessert den Leistungsfaktor (cos φ) des Motors.

Kapitel 06

Wie wird ein Frequenzumrichter richtig installiert?

Eine fehlerhafte Installation ist die häufigste Ursache für Störungen, Ausfälle und EMV-Probleme. Die Montage, Verdrahtung und Parametrierung des FU folgen klaren Regeln – die Einhaltung der österreichischen Normen ist dabei Pflicht.

Mechanische Montage

Montage senkrecht im Schaltschrank (Kühlluft strömt von unten nach oben)
Mindestabstände zu benachbarten Geräten einhalten (Wärmeabfuhr, Herstellerangabe beachten)
Umgebungstemperatur beachten: typisch 0–40 °C (Derating ab 40 °C)
Staub, Feuchtigkeit und aggressive Gase vermeiden – ggf. klimatisierter Schaltschrank

Netzseitige Verdrahtung

Absicherung mit Leitungsschutzschalter oder NH-Sicherung (Herstellerempfehlung)
Netzschütz (optional, aber empfohlen für Notabschaltung)
Netzfilter (EMV-Filter) direkt vor dem FU → kurze, geschirmte Verbindung
Netzdrossel reduziert Oberstromrückwirkungen ins Netz und schützt Gleichrichter

Motorseitige Verdrahtung und EMV

Die Motorleitung ist die größte EMV-Quelle im FU-Antrieb. Falsche Verlegung führt zu Störungen an benachbarten Geräten und Sensoren.

Geschirmtes Motorkabel verwenden – Schirm beidseitig niederohmig (360°) auflegen
Motorleitung getrennt von Steuerleitungen verlegen (Mindestabstand 20 cm, besser 30 cm)
Leitungslänge beachten: lange Kabel erhöhen kapazitive Ableitströme und Spannungsreflexionen (du/dt-Problem)
Ausgangsdrossel oder du/dt-Filter bei Kabellängen über 50 m empfohlen

ÖVE/ÖNORM EN 61800-3: EMV-Anforderungen für drehzahlveränderbare elektrische Antriebssysteme. Definiert Umgebungskategorien (C1–C4) und Grenzwerte für leitungsgebundene Störemissionen und Störfestigkeit.

Häufiger Fehler – Schirmverlegung: Wird der Kabelschirm nur einseitig aufgelegt, wirkt er nicht als EMV-Schirm, sondern als Antenne. Immer beidseitig und flächig (nicht als Zopf!) erden.

Erdung und Schutzleiter

FU und Motor müssen niederohmig geerdet sein (PE-Anschluss mit ausreichendem Querschnitt)
Bei langen Motorleitungen: zusätzlicher PE-Leiter parallel zum Motorkabel empfohlen
Ableitstrom beachten: FU erzeugen durch PWM erhöhte Ableitströme → RCD (FI-Schalter) müssen für FU-Betrieb geeignet sein (Typ B oder Typ F)

ESV 2012 (Elektroschutzverordnung 2012): Regelt den Schutz von Personen und Sachen vor den Gefahren des elektrischen Stroms in Österreich. Gilt auch für FU-Anlagen – korrekte Schutzleiterführung und Abschaltbedingungen sind einzuhalten.

Grundparametrierung

Nach der Verdrahtung muss der FU auf den angeschlossenen Motor eingestellt werden. Typische Grundparameter:

Parameter	Beschreibung	Quelle
Motornennspannung U_N	z. B. 400 V	Motorleistungsschild
Motornennfrequenz f_N	z. B. 50 Hz	Motorleistungsschild
Motornennstrom I_N	z. B. 4,8 A	Motorleistungsschild
Motornennleistung P_N	z. B. 2,2 kW	Motorleistungsschild
Motornenngeschwindigkeit n_N	z. B. 1.430 min⁻¹	Motorleistungsschild (wichtig für FOR / Motoridentifikation)
Hochlaufzeit t_H	z. B. 5 s	Anwendungsanforderung
Auslaufzeit t_A	z. B. 5 s	Anwendungsanforderung
Maximaldrehzahl n_max	z. B. 50 Hz = 1.500 min⁻¹	Anwendungsanforderung

? Verständnisfrage: Warum muss ein Motorschutzschalter (RCD) für den Betrieb mit FU vom Typ B oder F sein? ›

Weil FU die Netzspannung erhöhen und Typ-A-RCDs dafür nicht ausgelegt sind.

Weil FU erhöhte hochfrequente und gleichstrombehaftete Ableitströme erzeugen, auf die Typ-A-RCDs nicht zuverlässig ansprechen.

Weil FU den Auslösestrom von Typ-A-RCDs verdoppeln.

Weil Typ-A-RCDs nur für 230 V ausgelegt sind.

Kapitel 07

Wie spart ein FU Energie – und was ist Energierückspeisung?

Der Frequenzumrichter ist nicht nur ein Komfortgerät – er ist ein massives Energiesparsystem. Besonders bei Pumpen, Lüftern und Kompressoren sind die Einsparungen beeindruckend, weil diese Maschinen den sogenannten Affinitätsgesetzen folgen.

Die Affinitätsgesetze (Ähnlichkeitsgesetze)

Für Pumpen und Lüfter gilt: Die aufgenommene Leistung wächst mit der dritten Potenz der Drehzahl. Das bedeutet: Eine kleine Drehzahlreduktion hat eine überproportional große Auswirkung auf den Energieverbrauch.

Q ∝ n (Fördermenge proportional zur Drehzahl)

Δp ∝ n² (Druckdifferenz proportional zu n²)

P ∝ n³ (Leistung proportional zu n³)

Q: Fördermenge in m³/s
Δp: Druckdifferenz in Pa
P: Antriebsleistung in W
n: Drehzahl in min⁻¹

Praxisbeispiel: Eine Pumpe läuft mit 80 % der Nenndrehzahl → Leistungsaufnahme nur (0,8)³ = 0,512 → ca. 49 % weniger Energieverbrauch! Gegenüber Drosselung (Ventil schließen bei voller Motordrehzahl) spart der FU enorm.

Energieeinsparung durch Drehzahlreduktion (Affinitätsgesetz)

Nenndrehzahl-Anteil 80 %

Nennleistung P_N 22 kW

Leistungsaufnahme: 11,3 kW (51,2 % von P_N)

Einsparung: 10,7 kW (48,8 %)

Energierückspeisung – Bremsen ohne Energieverlust

Wenn ein FU einen Motor abbremst, arbeitet der Motor als Generator: Er wandelt kinetische Energie (Schwungmasse) in elektrische Energie um und speist diese in den Zwischenkreis des FU zurück. Diese Energie muss irgendwohin – es gibt zwei Möglichkeiten:

Methode	Prinzip	Energienutzung	Einsatz
Bremswiderstand	Überschussenergie wird in Wärme umgewandelt	Verloren (Wärme)	Gelegentliches Bremsen, kleine Leistungen
Energierückspeisung (AFE)	Energie wird über IGBT-Brücke (Active Front End) ins Netz zurückgespeist	Zurück ins Netz / andere Verbraucher	Aufzüge, Krane, häufiges Bremsen, große Leistungen

Praxisbeispiel Aufzug: Ein Aufzug, der abwärts fährt (volle Kabine), muss gebremst werden. Mit Energierückspeisung wird diese Bremsenergie ins Gebäudenetz zurückgespeist und steht anderen Verbrauchern (Beleuchtung, Klimaanlage) zur Verfügung. In großen Gebäuden mit vielen Aufzügen sind die Einsparungen erheblich.

ÖVE/ÖNORM EN 61800-9-2: Energieeffizienz von drehzahlveränderbaren elektrischen Antriebssystemen – definiert Effizienzklassen (IES0–IES2) und Prüfmethoden für FU und Motoren.

? Verständnisfrage: Eine Pumpe soll statt mit 100 % nur mit 70 % der Nenndrehzahl betrieben werden. Wie viel Prozent der Nennleistung werden noch benötigt? ›

70 % der Nennleistung.

49 % der Nennleistung.

Ca. 34 % der Nennleistung (0,7³ = 0,343).

90 % der Nennleistung (nur 10 % Einsparung).

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Beispiele & Rechenaufgaben 2 Beispiele · 5 Aufgaben ›

Beispiel 1

Ein Lüftermotor hat eine Nennleistung von 15 kW bei 1.500 min⁻¹. Der FU reduziert die Drehzahl auf 1.200 min⁻¹. Wie groß ist die aufgenommene Leistung? Wie viel kW werden eingespart?

Lösung

Drehzahlverhältnis: n/n_N = 1.200 / 1.500 = 0,8

Leistungsverhältnis: (0,8)³ = 0,512

Aktuelle Leistung: P = 0,512 × 15 kW = 7,68 kW

Einsparung: 15 kW − 7,68 kW = 7,32 kW (= 48,8 %)

Ergebnis: P = 7,68 kW · Einsparung: 7,32 kW (≈ 49 %)

Beispiel 2

Eine Kreiselpumpe mit P_N = 30 kW soll auf 60 % der Nenndrehzahl gedrosselt werden. Welche Leistung nimmt sie dann auf? Wie hoch ist die prozentuelle Einsparung?

Lösung

Leistungsverhältnis: (0,6)³ = 0,216

Aktuelle Leistung: P = 0,216 × 30 kW = 6,48 kW

Einsparung: (1 − 0,216) × 100 % = 78,4 %

Ergebnis: P = 6,48 kW · Einsparung: 78,4 %

Aufgabe 1

Ein Pumpenmotor (P_N = 11 kW) wird mit 90 % der Nenndrehzahl betrieben. Wie groß ist die aufgenommene Leistung?

Hinweis: P ∝ n³ → P = P_N × (n/n_N)³

Lösung

P = 11 kW × (0,9)³ = 11 × 0,729 = 8,02 kW

Ergebnis: P = 8,02 kW (Einsparung: 2,98 kW = 27,1 %)

Aufgabe 2

Ein Lüfter (P_N = 5,5 kW) soll auf 75 % der Nenndrehzahl gedrosselt werden. Wie viel kW werden eingespart?

Hinweis: Einsparung = P_N − P_akt

Lösung

P_akt = 5,5 × (0,75)³ = 5,5 × 0,4219 = 2,32 kW

Einsparung = 5,5 − 2,32 = 3,18 kW (57,8 %)

Ergebnis: Einsparung = 3,18 kW

Aufgabe 3

Bei welchem Drehzahlanteil (in %) wird nur noch 50 % der Nennleistung benötigt?

Hinweis: 0,5 = (n/n_N)³ → Kubikwurzel ziehen

Lösung

n/n_N = ³√0,5 = 0,794

Drehzahlanteil = 79,4 % der Nenndrehzahl

Ergebnis: ca. 79,4 % Drehzahl → 50 % Leistung

Aufgabe 4

Ein Pumpenantrieb (P_N = 22 kW, 3.000 h/Jahr Betrieb, Strompreis 0,18 €/kWh) wird von 100 % auf 85 % Drehzahl reduziert. Wie groß ist die jährliche Kostenersparnis?

Hinweis: Erst Leistungseinsparung berechnen, dann mit Betriebsstunden und Preis multiplizieren.

Lösung

P_akt = 22 × (0,85)³ = 22 × 0,6141 = 13,51 kW

Einsparleistung = 22 − 13,51 = 8,49 kW

Jahreseinsparung = 8,49 kW × 3.000 h × 0,18 €/kWh = 4.584,60 €

Ergebnis: ca. 4.585 € Kostenersparnis pro Jahr

Aufgabe 5

Eine Pumpe mit P_N = 7,5 kW wird auf 50 % der Nenndrehzahl reduziert. Wie groß ist die Fördermengenänderung (in %) und wie groß ist die Leistungsaufnahme?

Hinweis: Q ∝ n (linear), P ∝ n³.

Lösung

Fördermenge: Q = 50 % der Nennfördermenge

Leistung: P = 7,5 × (0,5)³ = 7,5 × 0,125 = 0,9375 kW

Ergebnis: Q = 50 % · P = 0,94 kW (nur 12,5 % der Nennleistung!)

Kapitel 08

Wo wird der Frequenzumrichter in der Praxis eingesetzt?

Der FU ist heute in nahezu allen Bereichen der industriellen und gebäudetechnischen Automation zu finden. Die Anwendungen unterscheiden sich stark in den Anforderungen an Dynamik, Präzision und Energieeffizienz.

Anwendungsbereich	Typische Leistung	Hauptvorteil des FU	Steuerverfahren
Pumpen (Wasser, Öl, Chemie)	0,37–500 kW	Energieeinsparung (n³), druckgeregelt	U/f
Lüfter / Ventilatoren	0,55–200 kW	Energieeinsparung, leise	U/f
Kompressoren	2,2–250 kW	Bedarfsgerechte Liefermenge	Vektorregelung
Förderbänder / Förderanlagen	0,75–75 kW	Sanfter Anlauf, Geschwindigkeitsregelung	U/f / Vektorregelung
Aufzüge / Lifte	2,2–30 kW	Komfort, Energierückspeisung	FOR / DTC
Werkzeugmaschinen (CNC)	0,75–45 kW	Drehzahlpräzision, Drehmoment bei niedriger Drehzahl	FOR
Krane / Hebezeuge	3–200 kW	Sanftes Heben/Senken, Bremsenergie rückspeisen	DTC / FOR
Windkraftanlagen	100 kW–10 MW	variable Rotordrehzahl → max. Energieausbeute	FOR / DTC
Mischer / Zentrifugen	0,75–110 kW	Anlaufkontrolle, stufenloser Betrieb	U/f / Vektorregelung

Typische Frequenz: 0–400 Hz Leistungsbereich: 0,12 kW – 10 MW Einsparung Pumpen: bis 70 % Effizienz FU: 97–99 %

Windkraft – die größte FU-Anwendung: Moderne Windkraftanlagen nutzen FU mit mehreren Megawatt Leistung, um die variable Rotordrehzahl (wind- und lastabhängig) in netzfrequente 50-Hz-Energie umzuwandeln. Ohne FU müssten Windräder immer mit konstanter Drehzahl laufen – was aerodynamisch ineffizient ist.

? Verständnisfrage: Warum wird bei Aufzügen eine feldorientierte Regelung (FOR) statt einfacher U/f-Steuerung verwendet? ›

Weil FOR wesentlich energieeffizienter ist als U/f.

Weil FOR-geregelte FU günstiger in der Anschaffung sind.

Weil Aufzüge präzises Drehmoment bei niedriger Drehzahl und hohe Dynamik für ruckfreies Fahren erfordern.

Weil U/f nur bei niedrigen Frequenzen funktioniert.

Kapitel 09

Wie diagnostiziert man Störungen am Frequenzumrichter?

Frequenzumrichter zeigen Störungen üblicherweise als Fehlercode im Display an und speichern sie im Fehlerprotokoll (Eventlog). Die systematische Diagnose folgt einem klaren Ablauf: Fehlermeldung lesen → Ursachen prüfen → beheben → quittieren.

Grundregel: Niemals einen FU-Fehler einfach quittieren und weiterlaufen lassen, ohne die Ursache gefunden zu haben. Wiederkehrende Fehler deuten auf ein strukturelles Problem hin, das den FU oder den Motor dauerhaft schädigen kann.

Typische Fehlermeldungen und ihre Ursachen

Überstrom (OC – Overcurrent)

Ursachen: Motor blockiert oder überlastet, Hochlaufzeit zu kurz eingestellt, Kurzschluss in Motorleitung, falscher Motortyp parametriert.

Maßnahmen: Mechanische Last prüfen, Hochlaufzeit verlängern, Motorkabel auf Kurzschluss prüfen, Motorparameter überprüfen.

Übertemperatur FU (OH – Overheat)

Ursachen: Kühlluft blockiert, Umgebungstemperatur zu hoch, Lüfter des FU defekt, Schaltschrankbelüftung unzureichend.

Maßnahmen: Kühlluftweg freiräumen, Schaltschranktemperatur messen, Lüfter tauschen, Schaltschrankkühlung verbessern.

Überspannung Zwischenkreis (OV – Overvoltage)

Ursachen: Auslaufzeit zu kurz (Bremsung zu hart), Bremswiderstand fehlt oder zu klein, Netzspannung zu hoch.

Maßnahmen: Auslaufzeit verlängern, Bremswiderstand dimensionieren, Netzspannung messen.

Unterspannung Zwischenkreis (UV – Undervoltage)

Ursachen: Netzausfall oder Netzstörung, Netzsicherung ausgelöst, Zwischenkreiskondensator defekt.

Maßnahmen: Netzspannung messen, Sicherungen prüfen, Kondensatoren auf Kapazität testen.

Thermische Motorüberlast (OL – Overload / I²t)

Ursachen: Motor zu lange überlastet, Motorparameter falsch eingestellt, Motor zu klein für Last.

Maßnahmen: Last reduzieren, Motorparameter (I_N, P_N) korrekt eingeben, Motorauslegung prüfen.

Erdschluss (GF – Ground Fault)

Ursachen: Beschädigte Motorleitung, Feuchtigkeit in Klemmenkasten, defekte Motorwicklung.

Maßnahmen: Isolationswiderstand messen (Megohmmeter), Kabel auf Beschädigung prüfen, Motor öffnen und Wicklung testen.

Kommunikationsfehler (CommErr)

Ursachen: Feldbus-Kabel unterbrochen, Baudrate falsch eingestellt, SPS-Programm sendet keine Anfragen mehr.

Maßnahmen: Buskabel prüfen, Busparameter vergleichen, SPS-Programm debuggen.

Häufiger Fehler bei der Diagnose: Isolationsmessungen mit dem Megohmmeter niemals bei angeschlossenem FU durchführen! Die hohe Prüfspannung (500–1.000 V DC) zerstört die Zwischenkreiskondensatoren und IGBTs. Immer zuerst FU netzseitig und motorseitig abklemmen (Klemmen L1/L2/L3 und U/V/W trennen).

? Verständnisfrage: Ein FU meldet „OV“ (Überspannung im Zwischenkreis) beim Abbremsen. Was ist die wahrscheinlichste Ursache? ›

Die Netzspannung ist zu hoch.

Die Auslaufzeit ist zu kurz oder der Bremswiderstand fehlt bzw. ist zu klein.

Der Motor ist defekt.

Die Hochlaufzeit ist zu lang eingestellt.

Fragen bei mündlicher Prüfung

Typische Prüfungsfragen mit vollständigen Musterantworten – klappe die Antwort erst auf, nachdem du selbst nachgedacht hast.

01Erklären Sie das Prinzip der U/f-Steuerung bei einem Frequenzumrichter.›

Bei einem Asynchronmotor ist der magnetische Fluss im Stator proportional zum Verhältnis aus Spannung und Frequenz. Um den Fluss konstant zu halten (und damit konstantes Drehmoment zu erzielen), muss bei Frequenzänderung die Spannung proportional mitvariiert werden:

U / f = const.

Wird f halbiert, halbiert der FU auch U
Oberhalb der Nennfrequenz: Spannung bleibt konstant → Feldschwächbereich (Drehmoment sinkt)
Bei sehr niedrigen Frequenzen: Spannungsboost nötig, da ohmscher Widerstand dominant wird

Vorteil: einfach, robust. Nachteil: schlechtes Drehmomentverhalten bei niedrigen Drehzahlen.

02Welche drei Stufen hat ein Frequenzumrichter und welche Aufgabe hat jede?›

Gleichrichter (AC → DC): Wandelt Netzwechselspannung (400 V / 50 Hz) in eine pulsierende Gleichspannung. Ausführung: Diodenbrücke (Standard) oder IGBT-Brücke (AFE, rückspeisefähig).
Zwischenkreis: Glättet und puffert die Gleichspannung (~560 V DC). Enthält Kondensatoren, Drossel und ggf. Bremswiderstand.
Wechselrichter (DC → AC variabel): Erzeugt per PWM aus dem DC eine Dreiphasen-Wechselspannung beliebiger Frequenz und Amplitude. Kern: 6 IGBTs.

U_ZK ≈ U_N,verkettet × √2 ≈ 400 V × 1,414 ≈ 565 V DC

03Was sind die Affinitätsgesetze, und welche Bedeutung haben sie für den Einsatz von Frequenzumrichtern?›

Die Affinitätsgesetze (Ähnlichkeitsgesetze) beschreiben das Verhalten von Kreiselpumpen und Lüftern bei Drehzahländerung:

Q ∝ n (Fördermenge linear)

Δp ∝ n² (Druck quadratisch)

P ∝ n³ (Leistung kubisch)

Reduktion auf 80 % Drehzahl → 51 % der Leistung (0,8³ = 0,512)
Reduktion auf 70 % Drehzahl → 34 % der Leistung (0,7³ = 0,343)

Bedeutung: FU ermöglichen bedarfsgerechte Drehzahlregelung → drastische Energieeinsparung bei Pumpen und Lüftern. Klassische Drosselung (Ventil schließen bei voller Drehzahl) verschwendet diese Einsparung.

04Was ist PWM und wie erzeugt der FU damit eine Sinusspannung?›

PWM (Pulsweitenmodulation) ist ein Verfahren, bei dem durch schnelles Ein- und Ausschalten der IGBTs (typisch 4–16 kHz) eine Folge von Spannungsimpulsen erzeugt wird. Das Tastverhältnis (Verhältnis Ein/Aus-Zeit) bestimmt den Mittelwert der Spannung.

Hohes Tastverhältnis → hohe mittlere Spannung
Niedriges Tastverhältnis → niedrige mittlere Spannung
Sinusförmige Variation des Tastverhältnisses → Motor sieht durch seine Induktivität eine nahezu sinusförmige Spannung

Nachteil: Schnelles Schalten erzeugt Oberwellen und EMV-Störungen. Die ÖVE/ÖNORM EN 61800-3 begrenzt diese Emissionen.

05Welche EMV-Maßnahmen sind bei der Installation eines Frequenzumrichters zu beachten?›

Geschirmtes Motorkabel verwenden, Schirm beidseitig und großflächig (360°) auflegen
Motorleitung getrennt von Steuerleitungen verlegen (Mindestabstand 20–30 cm)
EMV-Filter auf der Netzseite, direkt am FU-Eingang
Netzdrossel zur Reduzierung von Netzrückwirkungen
Ausgangsdrossel / du/dt-Filter bei langen Motorleitungen (> 50 m)
Alle Schirmauflagen niederohmig auf Montageplatte verbinden (gemeinsame HF-Erdung)

Norm: ÖVE/ÖNORM EN 61800-3 definiert Kategorien C1–C4 und Grenzwerte für FU-Emissionen.

06Was ist der Unterschied zwischen feldorientierter Regelung (FOR) und U/f-Steuerung?›

	U/f-Steuerung	Feldorientierte Regelung (FOR)
Prinzip	Spannung folgt Frequenz	Fluss- und Drehmomentstrom separat geregelt
Drehgeber	Nicht nötig	Empfohlen / meist nötig
Dynamik	Niedrig	Hoch
Drehmoment bei n = 0	Schlecht	Volles Nennmoment
Einsatz	Pumpen, Lüfter	Aufzüge, CNC, Servoantriebe

FOR ermöglicht die getrennte Regelung von magnetisierendem Strom (Fluss) und drehmomentbildendem Strom – analog zur Gleichstrommaschine. Das ergibt hervorragende Dynamik und Drehmomentgenauigkeit auch bei Stillstand.

07Was ist der Feldschwächbereich, und wann tritt er auf?›

Der Feldschwächbereich tritt auf, wenn die Ausgangsfrequenz des FU die Nennfrequenz des Motors übersteigt (z. B. über 50 Hz).

Die Ausgangsspannung hat bereits den Maximalwert (400 V) erreicht
Eine weitere Frequenzerhöhung ist möglich, aber die Spannung kann nicht weiter steigen
Folge: U/f sinkt → magnetischer Fluss nimmt ab → Drehmoment sinkt

M ∝ Φ ∝ U/f → bei f > f_N: Φ↓ → M↓

Einsatz: Werkzeugmaschinen, die höhere Spindeldrehzahlen benötigen als bei Nennfrequenz erreichbar. Das reduzierte Drehmoment wird dabei toleriert.

08Welche Schritte sind bei der Inbetriebnahme eines Frequenzumrichters typischerweise durchzuführen?›

1. Verdrahtungsprüfung: Netz- und Motoranschlüsse kontrollieren, PE-Leiter prüfen, Kabelschirme korrekt auflegen
2. Motorparameter eingeben: Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung, Nennfrequenz vom Motorleistungsschild ablesen und eingeben
3. Applikationsparameter einstellen: Hochlauf-/Auslaufzeit, Maximal-/Minimalfrequenz, Steuerquelle (Klemme, Feldbus, Bedienfeld)
4. Motoridentifikation: Viele FU bieten einen automatischen Motoridentifikationslauf – FU misst Wicklungswiderstand, Induktivitäten und optimiert die Regelung
5. Probelauf: Mit reduzierter Drehzahl starten, Drehrichtung prüfen, Anlaufverhalten beobachten
6. Dokumentation: Parameterausdruck oder -export, Normdokumentation gemäß ESV 2012

09Warum sind bei FU-Antrieben spezielle RCD-Typen (FI-Schalter) erforderlich?›

FU erzeugen durch das schnelle PWM-Schalten erhöhte hochfrequente Ableitströme. Zusätzlich können durch die Gleichrichterbrücke gleichstrombehaftete Fehlerströme auftreten.

Typ A (Standard): Erkennt nur sinusförmige und pulsierende Wechselfehlerströme → kann durch DC-Anteile in Sperrzustand gebracht werden → nicht geeignet!
Typ F: Speziell für FU-Antriebe, erkennt alle relevanten Fehlerstromanteile
Typ B: Universell für alle Fehlerströme einschließlich DC → immer geeignet, aber teurer

Norm: ESV 2012 und Herstellerempfehlungen beachten.

Formelsammlung

Synchrondrehzahl

n_s = (f × 60) / p

f = Frequenz [Hz], p = Polpaarzahl, n_s [min⁻¹]

U/f-Kennlinie

U / f = U_N / f_N = const.

U_N = Nennspannung [V], f_N = Nennfrequenz [Hz]

Ausgangsspannung FU

U_aus = (f_aus / f_N) × U_N

Gilt im linearen Bereich (unterhalb Nennfrequenz)

Zwischenkreisspannung

U_ZK ≈ U_N,verkettet × √2

bei 400 V AC: U_ZK ≈ 565 V DC

Affinitätsgesetze – Fördermenge

Q₂ / Q₁ = n₂ / n₁

Fördermenge proportional zur Drehzahl

Affinitätsgesetze – Druck

Δp₂ / Δp₁ = (n₂ / n₁)²

Druck proportional zum Quadrat der Drehzahl

Affinitätsgesetze – Leistung

P₂ / P₁ = (n₂ / n₁)³

Leistung proportional zur 3. Potenz der Drehzahl

Anlaufstrom FU

I_Anlauf,FU ≤ 1,5 × I_N

Vergleich DOL: 5–8 × I_N

Thermischer Motorschutz

W_th ∝ I² × t

I²t-Integral bestimmt thermische Belastung der Wicklung

Schlupf

s = (n_s – n) / n_s

n_s = Synchrondrehzahl, n = Läuferdrehzahl; Nennbetrieb: s ≈ 2–8 %

Läuferdrehzahl

n = n_s × (1 – s)

Tatsächliche Motordrehzahl (der Rotor läuft immer langsamer als das Drehfeld)

Glossar

AFE (Active Front End): Aktive Netzeinspeisung mit IGBT-Brücke; ermöglicht Energierückspeisung ins Netz beim Bremsen.
Affinitätsgesetze: Ähnlichkeitsgesetze für Kreiselpumpen und Lüfter; beschreiben den Zusammenhang von Drehzahl, Fördermenge, Druck und Leistung.
Asynchronmotor: Dreiphasen-Elektromotor, dessen Rotor gegenüber dem rotierenden Statorfeld nachläuft (Schlupf). Verbreitetster Motortyp in der Industrie.
Bremswiderstand: Externer Widerstand, der beim Abbremsen die generatorisch erzeugte Energie in Wärme umwandelt.
DTC (Direct Torque Control): Direkte Drehmomentregelung; sehr schnelle, geberlose Regelstrategie für hohe Dynamikanforderungen.
EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit): Fähigkeit eines Gerätes, in seiner elektromagnetischen Umgebung störungsfrei zu funktionieren und andere Geräte nicht zu stören.
Feldschwächbereich: Betriebsbereich oberhalb der Nennfrequenz; Spannung bleibt konstant, Fluss und Drehmoment sinken.
FOR (Feldorientierte Regelung): Hochdynamische Regelstrategie für Asynchronmotoren; regelt Fluss- und Drehmomentstrom separat.
FU (Frequenzumrichter): Leistungselektronikgerät zur stufenlosen Drehzahlregelung von Asynchronmotoren durch Variation von Frequenz und Spannung.
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor): Leistungshalbleiter mit spannungsgesteuertem Gate; Kern des Wechselrichters im FU.
I²t-Schutz: Thermischer Motorschutz, der die Wärmebelastung der Wicklung durch Integration von Strom² × Zeit berechnet.
Polpaarzahl (p): Anzahl der Polpaare im Stator des Motors; bestimmt zusammen mit der Frequenz die Synchrondrehzahl.
PWM (Pulsweitenmodulation): Verfahren zur Spannungssteuerung durch schnelles Ein-/Ausschalten der IGBTs; erzeugt eine dem Sinus ähnliche Ausgangsspannung.
Schlupf (s): Relative Differenz zwischen Synchrondrehzahl (Statorfeld) und tatsächlicher Läuferdrehzahl: s = (n_s – n) / n_s. Im Nennbetrieb 2–8 %. Wichtig: Der FU regelt die Statorfrequenz, nicht direkt die Läuferdrehzahl – der Schlupf bleibt auch bei FU-Betrieb erhalten.
STO (Safe Torque Off): Sicherheitsfunktion; sperrt IGBT-Ansteuerung sicher → Motor kann kein Drehmoment aufbauen.
Synchrondrehzahl (n_s): Drehzahl des Stator-Drehfelds; abhängig von Frequenz und Polpaarzahl: n_s = (f × 60) / p.
U/f-Kennlinie: Steuerstrategie, bei der die Ausgangsspannung proportional zur Ausgangsfrequenz variiert wird, um den Motorfluss konstant zu halten.
Zwischenkreis: Gleichspannungsstufe zwischen Gleichrichter und Wechselrichter im FU; enthält Kondensatoren und Drossel.

Stand & Quellen

ÖVE/ÖNORM EN 61800-3:2018 – Drehzahlveränderbare elektrische Antriebssysteme, Teil 3: EMV-Anforderungen
ÖVE/ÖNORM EN 61800-5-1:2023 – Drehzahlveränderbare elektrische Antriebssysteme, Teil 5-1: Sicherheitsanforderungen
ÖVE/ÖNORM EN 61800-9-2:2017 – Drehzahlveränderbare elektrische Antriebssysteme, Teil 9-2: Energieeffizienz
ÖVE/ÖNORM EN 60034-17:2006 – Drehende elektrische Maschinen, Teil 17: Käfigläufer-Motoren an Frequenzumrichtern
ÖVE/ÖNORM EN ISO 13849-1:2023 – Sicherheit von Maschinen, Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen
ESV 2012 – Elektroschutzverordnung 2012 (BGBl. II Nr. 33/2012)
ASchG – ArbeitnehmerInnenschutzgesetz (BGBl. Nr. 450/1994 idgF)
MSV – Maschinen-Sicherheitsverordnung 2010 (BGBl. II Nr. 282/2008 idgF)
Stand: April 2025 · Mechatronik Lernportal Österreich

Warum braucht man einen Frequenzumrichter?

Das Problem mit der festen Netzfrequenz

Wie hängen Frequenz, Spannung und Drehzahl zusammen?

Warum muss die Spannung mitvariiert werden?

Interaktiver Drehzahlrechner

Wie funktioniert ein Frequenzumrichter intern?

Stufe 1: Gleichrichter

Stufe 2: Zwischenkreis

Stufe 3: Wechselrichter und PWM

Welche Vorteile bietet der FU beim Anlauf?

Wie startet der FU sanft?

Wie steuert und schützt ein FU den Motor?

Steuerverfahren im Überblick

Schutzfunktionen des FU

Steuereingänge und Feldbusschnittstellen

Kühlungsarten

Integrierter PID-Prozessregler

Wie wird ein Frequenzumrichter richtig installiert?

Mechanische Montage

Netzseitige Verdrahtung

Motorseitige Verdrahtung und EMV

Erdung und Schutzleiter

Grundparametrierung

Wie spart ein FU Energie – und was ist Energierückspeisung?

Die Affinitätsgesetze (Ähnlichkeitsgesetze)

Energierückspeisung – Bremsen ohne Energieverlust

Wo wird der Frequenzumrichter in der Praxis eingesetzt?

Wie diagnostiziert man Störungen am Frequenzumrichter?

Typische Fehlermeldungen und ihre Ursachen

Abschlusstest

Fragen bei mündlicher Prüfung

Formelsammlung

Glossar

Stand & Quellen