Frequenzumrichter für perfekte Motorsteuerung

04.06.2025 Kathrin Schneider

Frequenzumrichter für eine energieeffiziente Frischluftzufuhr
Ein „Frequenzumrichter“, auch bekannt als „Variable Frequency Drive“ (VFD), ist ein elektronisches Gerät, das die Drehzahl und das Drehmoment eines elektrischen Wechselstrommotors steuert, indem es die Spannung und Frequenz der Stromversorgung verändert. Dadurch lässt sich die Motordrehzahl präzise anpassen, was ihn ideal für Anwendungen wie die Lüfterdrehzahlregelung macht, bei denen der Luftstrom effizient geregelt werden muss. Der Einsatz eines Frequenzumrichters verbessert nicht nur die Leistung, sondern reduziert auch den Energieverbrauch und den Verschleiß mechanischer Komponenten. Besonders in Kombination mit Sensoren aus der Gebäude- und Klimatechnik (HVAC) ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten, die Energieeffizienz eines Lüftungssystems durch bedarfsgesteuerte Belüftung zu steigern. Bei einer bedarfsgesteuerten Belüftung wird die Lüfterdrehzahl kontinuierlich optimiert, sodass stets genau die benötigte Menge Frischluft bereitgestellt wird. Sobald die HVAC-Sensoren eine Verschlechterung der Luftqualität feststellen, wird die Lüftergeschwindigkeit erhöht, um mehr Frischluft zuzuführen. Ist die Luftqualität ausreichend, wird die Drehzahl wieder gesenkt. Auf diese Weise kann das Lüftungssystem Energie sparen und gleichzeitig kontinuierlich eine ausreichende Frischluftversorgung gewährleisten.

Elektromotoren wandeln elektrische Energie in Bewegung um
Bevor ein Frequenzumrichter im Detail besprochen wird, ist zunächst etwas Information über einen Elektromotor notwendig. Ein Elektromotor ist eine Maschine, die elektrische Energie in Bewegung (auch kinetische Energie genannt) umwandelt. Der Motor wandelt elektrische Energie hauptsächlich in eine Drehbewegung der Motorwelle um. Eine Motorwelle ist der Teil eines Elektromotors, der sich dreht, wenn der Motor läuft. Man kann sie sich wie die Achse eines Rades vorstellen – sie ist der Teil, der die Drehkraft des Motors auf das angetriebene Objekt überträgt, wie zum Beispiel ein Lüfterrad oder eine Pumpe.

Die Motordrehzahl kann mit einem Drehzahlregler gesteuert werden. Die Anzahl der verschiedenen Motortypen ist nahezu unbegrenzt, aber grob kann man zwischen AC-Motoren und EC-Motoren unterscheiden. EC-Motoren haben immer einen integrierten Drehzahlregler, aber für AC-Motoren kann ein externer Drehzahlregler bereitgestellt werden. Es gibt verschiedene Typen von Drehzahlreglern: Transformatorregler, TRIAC-Regler und Frequenzumrichter. Jeder Typ nutzt eine unterschiedliche Technologie zur Steuerung der Motordrehzahl. Jeder Typ hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Da ein Frequenzumrichter zur Steuerung eines AC-Motors verwendet wird, folgt nun zunächst etwas zusätzliche Information dazu.

AC-Motor: elektrische Ströme und Magnetismus

Elektromotoren funktionieren auf Basis der Wechselwirkung zwischen Magnetismus und elektrischen Strömen. Neben elektrischer Energie wird also auch Magnetismus benötigt. Synchrone AC-Motoren verwenden Permanentmagnete, während asynchrone AC-Motoren mithilfe von Induktion ihre eigenen Magnetfelder erzeugen (ebenfalls ein Zusammenspiel von Magnetismus und Elektrizität).

Im Stator – dem Teil des Motors, der sich nicht bewegt – ist eine Spule eingebaut. Wenn Wechselstrom durch diese Spule fließt, entsteht ein Magnetfeld. Da es sich um Wechselstrom handelt, ändert sich die Polarität dieses Magnetfelds ständig. Es wirkt, als würde sich das Magnetfeld kontinuierlich im Kreis drehen. Dies geschieht mit der gleichen Frequenz wie die der anliegenden Wechselspannung. Der Rotor – der drehende Teil des Motors – folgt diesem sich verändernden Magnetfeld. Der Rotor von Synchronmotoren besteht aus Permanentmagneten. Der Rotor von Asynchronmotoren hat eine sogenannte Käfigbauweise – er sieht ein wenig aus wie ein Metallrad mit dicken Längsstäben, die an beiden Enden durch Ringe verbunden sind – also ähnlich wie ein Hamsterrad aus Metall. Wenn ein solcher Käfigläufer in ein bewegtes Magnetfeld gebracht wird, wird darin ein elektrischer Strom induziert, der wiederum ein eigenes Magnetfeld erzeugt.

All diese Magnetfelder und elektrischen Ströme erzeugen Wärme (also Energie, die als Wärme verloren geht). Wärme ist daher der größte Feind des robusten AC-Motors. Bei Überhitzung besteht die Gefahr von Schäden durch interne Kurzschlüsse. Eine rechtzeitige Erkennung von Überhitzung ist deshalb für einen AC-Motor sehr wichtig. Einige Varianten sind mit Temperatursensoren im Inneren des Motors ausgestattet (TK oder PTC). Diese können von bestimmten Drehzahlreglern ausgelesen werden, um den Motor bei Überhitzung rechtzeitig abzuschalten und so Schäden zu verhindern.

Technische Daten des AC-Motors

Um den passenden Typ eines Frequenzumrichters für einen bestimmten Motor auszuwählen, müssen folgende Daten bekannt sein:

Versorgungsspannung – Die elektrische Energie, die ein AC-Motor zum Betrieb benötigt, wird als Versorgungsspannung bezeichnet. Sie wird in [VAC] angegeben. Die Versorgung kann einphasig oder dreiphasig erfolgen. Über das öffentliche Stromnetz stehen folgende Optionen zur Verfügung: 1-Phase 230 VAC / 3-Phase 230 VAC / 3-Phase 400 VAC.
Stromaufnahme – Die Menge an Energie, die vom Motor verbraucht wird. Der vom Motor aufgenommene elektrische Strom wird in Ampere oder [A] angegeben. Die Stromaufnahme steigt mit zunehmender Drehzahl oder höherer Belastung (z. B. bei größeren Lüfterflügeln). Der maximale Stromverbrauch ist in der Regel auf dem Typenschild des Motors angegeben.
Motorleistung – Die Kombination aus der Versorgungsspannung, dem (maximalen) aufgenommenen Strom und dem Wirkungsgrad des Motors wird als Motorleistung bezeichnet. Sie wird in Watt oder Kilowatt angegeben. Auch dieser Wert ist üblicherweise auf dem Typenschild des Motors vermerkt.

Neben diesen wichtigen Angaben finden sich auf dem Typenschild des Motors meist noch weitere Informationen. Die Drehzahl der Motorwelle wird in Umdrehungen pro Minute [U/min oder rpm] angegeben. Das Drehmoment, also die Kraft, die die Motorwelle abgeben kann, wird in Newtonmeter [Nm] angegeben. Ein praktisches Beispiel: Ein Traktor hat einen Motor mit niedriger Drehzahl, aber hohem Drehmoment. Deshalb fährt ein Traktor langsam, kann jedoch enorme Lasten über ein Feld ziehen.

Ein Formel-1-Auto besitzt einen Motor mit sehr hoher Drehzahl (viele Umdrehungen pro Minute), aber einem geringeren Drehmoment als ein Traktor. Das ist ideal, weil das Rennfahrzeug sehr leicht ist und daher relativ wenig Kraft benötigt.

Verschiedene Arten von Drehzahlreglern
Wie bereits erwähnt, gibt es mehrere Arten von Drehzahlreglern. Jeder Typ verwendet eine unterschiedliche Technologie mit entsprechenden Vor- und Nachteilen. Hervorzuheben ist jedoch der Frequenzumrichter, da er deutlich fortschrittlicher ist. Einfache Drehzahlregler reduzieren lediglich die Motorspannung. Ein Frequenzumrichter hingegen kann deutlich mehr…

Transformatorregler und TRIAC-Regler verringern die Motordrehzahl, indem sie die an den Motor angelegte Spannung senken. Eine niedrigere Motorspannung führt zu einer geringeren Drehzahl. Transformatorregler reduzieren die Spannung stufenweise (typischerweise in 5 Stufen). Elektronische Drehzahlregler bieten eine variable Geschwindigkeitsregelung. Der große Vorteil beider Reglerarten liegt in ihrer einfachen Verkabelung und Inbetriebnahme. Sobald der Motor angeschlossen ist, kann der Regler sofort verwendet werden. Eine Konfiguration ist nicht erforderlich.

Ein Frequenzumrichter regelt die Motordrehzahl ebenfalls kontinuierlich (ähnlich wie ein TRIAC-Regler). Seine Regelung ist jedoch komplexer als die eines TRIAC-Reglers (dazu gleich mehr). Diese fortschrittlichere Regelung erfordert eine zusätzliche Konfiguration. Nach dem Anschluss müssen meist einige Einstellungen am Frequenzumrichter vorgenommen werden, bevor er verwendet werden kann. Dank zusätzlicher Ein- und Ausgänge am Gerät können viele weitere logische Funktionen und Features ergänzt werden.

Frequenzumrichter vs. TRIAC-Regler

Worin unterscheidet sich ein Frequenzumrichter von einem TRIAC-Regler? Ein Frequenzumrichter verändert nicht nur die Motorspannung, sondern auch die Frequenz! Ein TRIAC-Regler „zerhackt“ Segmente aus der zugeführten Spannung, ändert jedoch nicht die Frequenz – diese bleibt bei 50 Hz. Das führt zu einem geringeren Drehmoment (weniger Kraft). Der Motor versucht weiterhin, mit maximaler Drehzahl zu laufen, weil die Frequenz noch auf ihrem Maximum ist. Die Frequenz erzeugt das rotierende Magnetfeld, das für die Motordrehzahl verantwortlich ist. Die Senkung der Motorspannung ohne Änderung der Frequenz birgt das Risiko, dass der Motor stehen bleibt (stallt). Wenn du die Spannung an einem Motor senkst, ohne die Frequenz zu ändern, wird der Motor schwächer, weil er weniger Drehmoment erzeugt – also die Kraft, die ihn in Bewegung hält. Sinkt das Drehmoment zu stark, kann der Motor den Widerstand der Last, wie etwa die Lüfterflügel, nicht mehr überwinden und bleibt stehen oder hört auf sich zu drehen. Deshalb ist das reine Spannungsreduzieren (wie bei TRIAC-Reglern) besonders bei niedrigen Drehzahlen riskant im Vergleich zu Frequenzumrichtern, die Spannung und Frequenz gleichzeitig anpassen, damit der Motor gleichmäßig läuft.

Ein Frequenzumrichter hält das Verhältnis zwischen Spannung und Frequenz konstant (U/f = konstant). Dadurch erhält der Motor stets eine optimierte Spannung (geringerer Energieverbrauch!). Dank dieses perfekten Verhältnisses wird der Motor immer optimal gesteuert. Das macht einen Frequenzumrichter deutlich energieeffizienter als einen TRIAC-Regler oder einen Transformator-Drehzahlregler, besonders bei niedrigen Drehzahlen.

Wenn die Motorspannung reduziert wird, wird auch die Frequenz verringert. Dadurch dreht sich der Motor langsamer, behält jedoch nahezu sein volles Drehmoment bei. Wird die Motordrehzahl mit einem Frequenzumrichter geregelt, bleibt der Motor auch bei niedrigen Drehzahlen leistungsstark. Das Risiko eines Stillstands bei niedrigen Drehzahlen ist hier deutlich geringer.

Aufgrund der nicht ganz sinusförmigen Motorspannung, die von TRIAC-Reglern erzeugt wird, kann der Motor besonders bei niedrigen Drehzahlen laut sein. Der Frequenzumrichter erzeugt dank PWM-Technologie eine nahezu perfekte sinusförmige Spannung, wodurch sowohl der Umrichter als auch der Motor völlig geräuschlos arbeiten können. Sollten die Geräuschpegel trotz der Standard-Einstellungen noch zu hoch sein, können sie durch Erhöhung der maximalen Schaltfrequenz in den Frequenzumrichter-Parameter-Einstellungen (Parameter 17) weiter reduziert werden. Allerdings kann eine erhöhte Schaltfrequenz einen schnelleren Verschleiß der Motorlager sowie zusätzliche EMV verursachen.

Wie funktioniert ein Frequenzumrichter?

Aus technischer Sicht lässt sich ein Frequenzumrichter in drei Funktionsblöcke unterteilen:

Der Gleichrichter – Hier wird die zugeführte Wechselspannung (einphasig oder dreiphasig) in Gleichspannung (DC) umgewandelt.
Die DC-Zwischenkreisschaltung – Dieses Modul fungiert als Energiespeicher. Der DC-Bus kann als große interne Batterie innerhalb des Frequenzumrichters betrachtet werden.
Die Wechselrichterstufe – Hier wird die Gleichspannung wieder in Wechselspannung (einphasig oder dreiphasig) umgewandelt. Die für diese Umwandlung verwendete Technologie heißt PWM (Pulsweitenmodulation). IGBTs (isolierte Gate-Bipolartransistoren) ermöglichen es, dass Strom in schneller Abfolge kurzzeitig fließt (man kann sie sich wie Lichtschalter vorstellen, die extrem schnell ein- und ausgeschaltet werden). Die Kombination all dieser kurzen Impulse erzeugt eine nahezu perfekte sinusförmige Spannung. IGBTs sind viel schneller als TRIACs und können deutlich höhere Ströme schalten. Allerdings sind sie auch teurer als TRIACs.

Der große Unterschied zwischen einem Frequenzumrichter und einem Transformator- oder TRIAC-Regler besteht darin, dass der Frequenzumrichter die zugeführte Energie zunächst in Gleichspannung umwandelt und diese dann wieder in Wechselspannung zurückverwandelt. TRIAC- und Transformatorregler reduzieren hingegen nur die zugeführte Wechselspannung.

Elektromagnetische Verträglichkeit oder EMC

EMC steht für Elektromagnetische Verträglichkeit. Jeder Frequenzumrichter verwendet IGBTs (die schnellen elektronischen Schalter), um die Motordrehzahl zu regeln. Obwohl diese Schalter sehr effizient sind, erzeugen sie auch elektrische Störungen – auch als elektromagnetische Interferenzen (EMI) bekannt –, die zurück in das Stromnetz des Gebäudes gelangen können. TRIAC-Regler und Transformatorregler erzeugen deutlich weniger EMI als ein Frequenzumrichter, da sie mit einer viel geringeren Schaltfrequenz arbeiten. Deshalb spielt der EMC-Filter eine entscheidende Rolle, um die elektrische Umgebung Ihres Gebäudes stabil zu halten, wenn Frequenzumrichter installiert sind.

EMI-Störungen verursachen keine hörbaren Geräusche, können jedoch den Betrieb anderer empfindlicher elektronischer Geräte im Gebäude stören. Systeme wie Brandmeldeanlagen, Lichtsteuerungen, Kommunikationsnetzwerke und Bürogeräte können alle von dieser unsichtbaren Störung betroffen sein. Hier kommt der EMC-Filter ins Spiel. Der EMC-Filter wirkt wie eine Schutzbarriere, filtert die vom Umrichter erzeugten elektrischen Störungen heraus und verhindert deren Ausbreitung über die Stromversorgung. Im Wesentlichen sorgt der EMC-Filter dafür, dass der Umrichter betrieben werden kann, ohne andere Geräte im Gebäude zu beeinträchtigen. Die Installation eines EMC-Filters ist nicht nur empfehlenswert – oft ist sie sogar vorgeschrieben. In gewerblichen, industriellen oder multifunktionalen Gebäuden verlangen Vorschriften in der Regel den Einsatz von EMC-Filtern bei der Installation von Frequenzumrichtern. Dies gewährleistet die Einhaltung von elektrischen Sicherheitsstandards und erhält gleichzeitig die Zuverlässigkeit aller anderen elektronischen Systeme in der Anlage.

Produktpalette der Frequenzumrichter

Sentera ist ein Vertriebspartner von Invertek Frequenzreglern für HLK-Anwendungen (Heizung, Lüftung, Klima). Die Optidrive E3 Serie ist bekannt für ihre einfache Bedienung, ausgezeichnete Qualität und voreingestellte Parameter, die bereits für HLK-Anwendungen optimiert sind. Das vereinfacht die Inbetriebnahme und Konfiguration. Alle Geräte sind mit einem integrierten EMC-Filter der Kategorie C1 nach EN61800-3:2004 ausgestattet.

Unsere Produktpalette an Frequenzumrichtern besteht aus drei Varianten:

Frequenzumrichter -E2 für die Installation im Schaltschrank mit Anschlussklemmen für externe Steuersignale. Diese Frequenzumrichter sind mit einem Standardbedienfeld ausgestattet (5 Tasten und ein 7-Segment-LED-Display). Über den Anschlussklemmenblock können externe Start-Stopp-Befehle sowie 0–10 Volt Drehzahlreferenzsignale angeschlossen werden. Der Frequenzumrichter nutzt diese externen Steuersignale, um den Motor zu steuern.
Das Gehäuse der -E2 Geräte bietet den Schutzgrad IP20 gegen das Eindringen von Feuchtigkeit und Staub. Wir empfehlen dringend, diese Geräte in einem Schaltschrank mit ausreichender Belüftung und Kühlung zu installieren, um eine gute Wärmeabfuhr zu gewährleisten.
Frequenzumrichter -E6-19 für die Außenmontage mit Anschlussklemmen für externe Steuersignale. Diese Frequenzumrichter sind mit einem Standardbedienfeld ausgestattet (5 Tasten und ein 7-Segment-LED-Display). Über den Anschlussklemmenblock können externe Start-Stopp-Befehle sowie 0–10 Volt Drehzahlreferenzsignale angeschlossen werden. Der Frequenzumrichter nutzt diese externen Steuersignale, um den Motor zu steuern.
Das Gehäuse der -E6-19 Geräte bietet den Schutzgrad IP66 gegen das Eindringen von Wasser und Schmutz. Dank dieses robusten Gehäuses können sie einfach im Außenbereich in der Nähe des Motors installiert werden. Sie sind staubdicht und für Waschanlagen geeignet, dank des abgedichteten ABS-Gehäuses und des korrosionsbeständigen Kühlkörpers. Das widerstandsfähige Polycarbonat-Gehäuse ist so konzipiert, dass es der Zersetzung durch UV-Strahlung, Fette, Öle und Säuren standhält. Außerdem ist es robust genug, um bei -20 °C nicht spröde zu werden. Es wird empfohlen, das Gerät vor direktem Regen und Sonneneinstrahlung zu schützen.
Frequenzumrichter -E6-19 für die Außenmontage mit eingebauten Bedientasten. Diese Frequenzumrichter sind mit einem eingebauten Potentiometer zur Drehzahlregelung, einem 3-Positions-Schalter für den Befehl Rücklauf – AUS – Vorlauf sowie einem verriegelbaren Netztrennschalter ausgestattet.
Das Gehäuse der -E6-19 Geräte bietet den Schutzgrad IP66 gegen das Eindringen von Wasser und Schmutz. Dank dieses robusten Gehäuses können sie einfach im Außenbereich in der Nähe des Motors installiert werden. Sie sind staubdicht und für Waschanlagen geeignet, dank des abgedichteten ABS-Gehäuses und des korrosionsbeständigen Kühlkörpers. Das widerstandsfähige Polycarbonat-Gehäuse ist so konzipiert, dass es der Zersetzung durch UV-Strahlung, Fette, Öle und Säuren standhält. Außerdem ist es robust genug, um bei -20 °C nicht spröde zu werden. Es wird empfohlen, das Gerät vor direktem Regen und Sonneneinstrahlung zu schützen.

Wie wählt man den richtigen Frequenzumrichter für seine Anwendung aus?

Nachdem die oben genannten Grundlagen geklärt sind, muss die Auswahl auch anhand der technischen Daten des Motors erfolgen. Um das richtige Gerät für Ihre Anwendung auszuwählen, benötigen Sie folgende Informationen:

Welche Versorgungsspannung steht vor Ort zur Verfügung?
Typische verfügbare Versorgungsspannungen sind: einphasig 230 Volt, dreiphasig 230 Volt oder dreiphasig 400 Volt. Dies ist die Spannung, die dem Frequenzumrichter zugeführt wird.
Welche Spannung benötigt der Motor? (Diese Information finden Sie auf dem Typenschild des Motors.)
AC-Motoren sind typischerweise in folgenden Spannungen erhältlich: einphasig 230 VAC, dreiphasig 230 VAC oder dreiphasig 400 VAC. Dies ist die Spannung, die der Frequenzumrichter an den AC-Motor liefert (unabhängig von der Versorgungsspannung des Frequenzumrichters).
Wie hoch ist der Motorstrom? Diese Information ist ebenfalls auf dem Typenschild des Motors angegeben und wird in Ampere [A] angegeben.
Der Strom, den der Frequenzumrichter liefern kann, muss höher sein als der Motorstrom. Falls mehrere Motoren mit einem Frequenzumrichter gesteuert werden, muss die Summe aller Motorströme (plus eine gewisse Reserve) kleiner sein als der maximale Strom des Frequenzumrichters.
Üblicherweise stimmen die Stromangaben [A] und Leistungsangaben [kW] auf dem Motor und dem Frequenzumrichter überein. Im Zweifelsfall empfiehlt es sich, einen Frequenzumrichter zu wählen, der mehr Strom liefern kann als der maximale Motorstrom.