Rund 1.400 Umdrehungen pro Minute: So schnell dreht ein vierpoliger Drehstrommotor am 50-Hz-Netz, und daran ändert ein Schalter nichts. Wer langsamer fahren will, muss die Frequenz ändern. Dafür ist ein Frequenzumrichter da. Er formt die Netzspannung um und gibt an seinem Ausgang eine Wechselspannung mit variabler Frequenz aus. Wir gehen den Aufbau Stufe für Stufe durch. Danach geht es um das Drehmoment und um die Frage, an welchen Motoren sich der Einsatz lohnt.
Was macht ein Frequenzumrichter mit der Netzspannung?
Das elektrische Netz liefert an der Steckdose 230 V mit fester Frequenz von 50 Hz. Ein Asynchronmotor folgt diesem Takt. Seine Drehzahl hängt fast nur an der Netzfrequenz und an der Polzahl der Wicklung, die Last bremst ihn nur wenige Prozent ab (der sogenannte Schlupf).
Der Frequenzumrichter, im Englischen VFD (Variable Frequency Drive), trennt den Motor von diesem starren Takt. Am Ausgang stellt er eine Spannung bereit, deren Frequenz Sie einstellen, etwa zwischen 1 und 50 Hz. Frequenz und Spannung ändern sich dabei gemeinsam. Konkret heißt das: Die Wicklung bekommt immer so viel Spannung, wie sie bei der gewählten Frequenz braucht.
Welche Bedeutung das hat, zeigt der Betrieb ohne Umrichter. Dann läuft ein Drehstrommotor immer mit voller Drehzahl, auch wenn die Anwendung nur die Hälfte erfordert. In Pumpen- und Lüftungssystemen wird die überschüssige Leistung anschließend über Drosselventile oder einen Bypass wieder vernichtet. Das kostet Energie, die nichts bewegt.
Im Handel heißt er auch Antriebsregler oder Inverter. Mit einem Wechselrichter für Solaranlagen hat er nur die Endstufe gemeinsam: Der Solar-Wechselrichter speist ins Netz, der Frequenzumrichter versorgt einen Antrieb.
Wie ist ein Frequenzumrichter aufgebaut, und welche Funktion hat jede Stufe?
Ein Frequenzumrichter besteht aus vier Baugruppen. Die technische Reihenfolge ist bei fast allen Modellen gleich: Gleichrichter, Zwischenkreis, Wechselrichter, dazu die Steuerung.
- Gleichrichter: Eine Diodenbrücke macht aus der Wechselspannung eine pulsierende Gleichspannung. Bei 230 V Netzspannung liegt der Scheitelwert bei etwa 325 V (230 V × √2).
- Zwischenkreis: Ein oder mehrere Kondensatoren glätten diese Spannung und puffern Energie. Die Zwischenkreisspannung bleibt so stabil, auch wenn der Motor kurz mehr Strom zieht.
- Wechselrichter: Leistungstransistoren (meist IGBT) schalten die Zwischenkreisspannung mehrere tausend Mal pro Sekunde ein und aus. Aus diesen Pulsen entsteht für den Motor eine Wechselspannung mit neuer Ausgangsfrequenz.
- Steuerung: Ein Mikrocontroller berechnet die Schaltmuster, überwacht den Strom des angeschlossenen Motors sowie die eigene Temperatur und setzt Ihre Vorgaben um, also Sollwert, Hochlaufzeit oder Drehrichtung.
Das Schaltverfahren heißt Pulsweitenmodulation (PWM). Der Wechselrichter erzeugt keine glatte Sinuskurve. Er variiert die Breite der Pulse so, dass im Mittel ein Sinus herauskommt. Die Wicklung wirkt dabei wie ein Filter, der Strom verläuft annähernd sinusförmig.
Beim Abbremsen kehrt sich der Energiefluss um. Die träge Last schiebt die Welle an, der Motor arbeitet kurz als Generator und speist Energie zurück in den Zwischenkreis. Die Zwischenkreisspannung steigt. In größeren Systemen führt ein Bremswiderstand die überschüssige Energie als Wärme ab, kleine Modelle verlängern dafür einfach die Bremsrampe.
Was hat die Frequenz mit der Drehzahl zu tun?
Die Drehzahl eines Asynchronmotors folgt einer festen Formel: Drehfelddrehzahl = Frequenz × 60 / Polpaarzahl. Ein vierpoliger Motor hat zwei Polpaare. Bei 50 Hz dreht sein Feld mit 1.500 U/min, die Welle aufgrund des Schlupfs mit rund 1.400 U/min.
| Ausgangsfrequenz | Drehfeld (4-poliger Motor) | Anteil der Nenndrehzahl |
|---|---|---|
| 50 Hz | 1.500 U/min | 100 % |
| 40 Hz | 1.200 U/min | 80 % |
| 25 Hz | 750 U/min | 50 % |
| 10 Hz | 300 U/min | 20 % |
Die Drehzahl verhält sich also proportional zur Frequenz: halbe Frequenz, halbe Drehzahl. Zwischenstufen gibt es keine. An vielen Maschinen erübrigen sich damit mechanische Lösungen wie Stufenriemenscheiben oder Getriebe.
Warum bleibt das Drehmoment erhalten?
Der Grund liegt im Magnetfeld des Motors. Damit der Antrieb sein volles Drehmoment entwickelt, muss das Verhältnis von Spannung zu Frequenz konstant bleiben. Bei 230 V und 50 Hz sind das 4,6 V pro Hertz. Stellt der Frequenzumrichter 25 Hz ein, senkt er die Spannung auf rund 115 V. Der Magnetfluss bleibt gleich, und damit auch das Drehmoment. Fachleute nennen das U/f-Kennlinie.
Ein Phasenanschnittregler kann das nicht. Der Triac kappt jede Halbwelle, der Takt bleibt bei 50 Hz. Am Kondensatormotor oder Drehstrommotor fehlt dann schlicht Spannung: Die Welle wird nur langsamer, weil sie unter Last nachgibt. Das kostet Drehmoment. Dazu brummt die Wicklung hörbar und erwärmt sich.
Welche Arten von Frequenzumrichtern gibt es?
Die Unterschiede liegen vor allem in der Einspeisung und am Regelverfahren. Für Werkstatt und Garten sind zwei Bauarten wichtig:
- Einphasig gespeist: 230 V am Eingang, drei Phasen mit je 230 V am Ausgang. Sie werden für kleine Leistungen verwendet und laufen an der Schukosteckdose.
- Dreiphasig gespeist: 400 V Drehstrom am Eingang und am Ausgang. Diese Bauart wird in den elektrischen Systemen von Industrieanlagen eingesetzt, vom Förderband bis zur Großpumpe.
Beim Regelverfahren gibt es zwei Wege. Die U/f-Steuerung hält das Verhältnis von Spannung und Frequenz fest und reicht für Pumpen und Lüfter. Die Vektorregelung berechnet zusätzlich laufend den Zustand im Motor und hält auch bei sehr geringen Drehzahlen ein hohes Drehmoment. Sie ist speziell für Hebezeuge und Werkzeugmaschinen mit hohen Anforderungen gedacht.
Welche Vorteile bringt die Frequenzregelung?
Verwendet werden Frequenzumrichter überall dort, wo ein Antrieb mit wechselnder Last läuft, in der Industrie etwa an Förderbändern und in Lüftungsanlagen. Für Heimwerker und Poolbesitzer zählen vor allem vier Vorteile:
- Stufenlos geregelt: Bohrmaschine, Pumpe oder Lüfter laufen genau so schnell, wie die Anwendung es erfordert.
- Sanfter Start: Die Maschine fährt über eine Rampe hoch. Der hohe Anlaufstrom eines Direktstarts, häufig ein Mehrfaches des Nennstroms, fällt deutlich geringer aus. Darüber hinaus stellen Sie die Zeit für Hoch- und Auslauf im Menü ein. Das schont die Sicherung und reduziert die mechanische Belastung von Riemen und Lagern.
- Weniger Energie: Bei Pumpen und Lüftern sinkt die elektrische Leistung mit der dritten Potenz der Drehzahl (Affinitätsgesetz). Bei 80 % Drehzahl braucht die Pumpe rechnerisch nur rund 51 % der Leistung. Das Umweltbundesamt hält dazu fest, dass eine Drehzahlregelung mehr Strom spart als ein besserer Motorwirkungsgrad allein.
- Drehstrom am Haushaltsnetz: Einphasige Geräte erzeugen aus 230 V einen dreiphasigen Ausgang. Das ermöglicht den Betrieb eines Drehstrommotors in Dreieckschaltung an der Steckdose.
Wie das bei Schwimmbadpumpen konkret aussieht, zeigt unser Beitrag zur Drehzahlregelung von Poolpumpen.
Für welche Motoren eignet sich ein Frequenzumrichter?
Ob ein Umrichter passt, hängt zuerst am Motortyp. Gemeint sind vor allem Wechselstrommotoren und Drehstrommotoren ohne Kohlebürsten. Die Leistung prüfen Sie danach.
| Motortyp | Typische Geräte | Frequenzumrichter geeignet? |
|---|---|---|
| Drehstrom-Asynchronmotor | Ständerbohrmaschine, Drehbank, Pumpe | ja, der klassische Einsatz |
| Kondensatormotor | Poolpumpe, Kompressor, Ventilator | ja, wenn der Hersteller des Umrichters ihn freigibt |
| Universalmotor (Kohlebürsten) | Handbohrmaschine, Winkelschleifer, Staubsauger | nein, hier gehört ein Phasenanschnittregler hin |
| Ohmsche Last | Heizstab, Glühlampe | nein, Phasenanschnitt reicht |
Für den Einsatz an der Steckdose haben wir den Voltado FU 750 als einphasigen Frequenzumrichter für Motoren bis 750 W im Programm. Er arbeitet an 230 V, regelt von 1 bis 50 Hz, ist nach IP54 gegen Staub und Spritzwasser geschützt und kostet 98,00 €. Er treibt Drehstrommotoren bis 750 W und laut Anleitung auch Kondensatormotoren. Für größere Maschinen über 750 W reicht er nicht, dann ist ein stärkerer Frequenzumrichter eines anderen Anbieters erforderlich. Das gilt auch für Motoren, die nur 400 V in Sternschaltung vertragen: Sie brauchen ein dreiphasig gespeistes Modell.
Wann reicht ein Phasenanschnittregler?
Bei Universalmotoren und Heizstäben genügt ein Leistungsregler mit Phasenanschnitt. Auch viele kleine Lüfter lassen sich so regeln. Er ist günstiger und schneller angeschlossen. Unsere Regler 3000ip (59,95 €), 6000ip (76,90 €) und 8000ip (69,90 €) arbeiten nach diesem Prinzip.
Vorsicht bei Asynchronmotoren: Hier führt der Phasenanschnitt zu Drehmomentverlust und Erwärmung. Wer eine Pumpe oder Drehbank langsamer laufen lassen will, braucht einen Umrichter. Die Unterschiede im Detail erklärt unser Vergleich Phasenanschnitt oder Frequenzumrichter.
Worauf sollten Sie vor dem Kauf achten?
Wer einen Frequenzumrichter verwenden will, prüft vor dem Anschluss diese Punkte am Typenschild und in der Anleitung:
- Motortyp und Nennleistung: passt die Leistung in den Bereich des Geräts, mit etwas Reserve?
- Schaltung: Drehstrommotor mit 230/400 V muss für den einphasigen Betrieb im Dreieck angeschlossen sein.
- Kühlung: Ein eigenbelüfteter Motor kühlt aufgrund der niedrigen Lüfterdrehzahl schlechter. Bei Dauerbetrieb unter etwa 25 Hz und voller Last die Motortemperatur im Blick behalten.
- Installation: Arbeiten an 230 V nur spannungsfrei. Für eine feste Installation im Verteiler ist eine Elektrofachkraft erforderlich.
Wer diese vier Punkte geklärt hat, kann seine Maschine danach über den gesamten Bereich von 1 bis 50 Hz regeln, ohne dass sie an Kraft verliert.
