Frequenzumrichter-Dimensionierung
Wählen Sie einen Frequenzumrichter für einen Asynchron-Drehstrommotor nach dem tatsächlich benötigten Strom aus: Motornennstrom vom Typenschild oder berechnet aus Leistung, cos φ und Wirkungsgrad, Taktfrequenz- und Temperatur-Derating, eine betriebsartabhängige Überlastreserve (VT, CT, Schwerlast) sowie ein Hinweis zur Motorkabellänge.
Berechnung
Kennwerte
- Motornennstrom I_N
- 14,15 A
- Taktfrequenz-Deratingfaktor k_takt
- 0,9
- Temperatur-Deratingfaktor k_temp
- 1
- Reservefaktor
- 1,1
- Erforderlicher Umrichter-Nennstrom I_FU,erf
- 17,3 A
- Überlastfaktor
- 1,5
- Überlaststrom I_ueberlast (kurzzeitig)
- 21,23 A
- Empfohlene Umrichter-Nennleistung
- 15 kW
- Nennstrom der empfohlenen Größe
- 28,3 A
Richtwerte auf Basis einer generischen Standard-Leistungsreihe. Motorschutz, EMV-Filterauslegung und Netzdrossel sind herstellerspezifisch zu prüfen; das Datenblatt des Umrichterherstellers ist maßgebend.
Skizze: Netz, Umrichter und Motor mit Strompfad
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Formeln und Grundlagen
Motornennstrom aus der Leistung
Ist der Motornennstrom nicht vom Typenschild bekannt, folgt er aus Nennleistung, Leistungsfaktor und Wirkungsgrad des Motors:
Dabei ist U die verkettete Netzspannung, cos φ der Leistungsfaktor (Richtwert 0,85) und η der Wirkungsgrad (Richtwert 0,90). Der Umrichter wird grundsätzlich nach diesem Strom ausgelegt, nicht nach der Leistung in kW: zwei Motoren gleicher Leistung können je nach Polzahl, Wirkungsgrad und Spannung einen unterschiedlichen Nennstrom haben.
Taktfrequenz- und Temperatur-Derating
Der dauerhaft abgebbare Umrichterstrom sinkt mit steigender Taktfrequenz (höhere Taktung senkt die Motorgeräusche, erhöht aber die Schaltverluste im Leistungshalbleiter) und mit steigender Umgebungstemperatur:
Richtwerte für den Taktfrequenzfaktor: 4 kHz entspricht 1,0, 8 kHz entspricht 0,9, 12 kHz entspricht 0,8 und 16 kHz entspricht 0,7. Für den Temperaturfaktor gilt bis 40 °C 1,0 und bis 50 °C 0,9. Der Reservefaktor beträgt bei normaler Last (VT) 1,0; bei konstanter Last (CT) und bei Schwerlast wird ein Zuschlag angesetzt, damit auch bei wiederkehrenden Überlastspitzen genügend Reserve auf dem Nennstrom bleibt.
Überlastklassen VT, CT und Schwerlast
Parallel zum Dauerstrom prüft der Umrichter die kurzzeitige Überlastreserve. Je nach Betriebsart ist für begrenzte Zeit ein Vielfaches des Motornennstroms gefordert:
Normale Last (Variable Torque, VT) verlangt 110 % Überlastfaktor, typisch für Pumpen und Lüfter mit quadratischem Lastmoment. Konstante Last (Constant Torque, CT) verlangt 150 % für 60 Sekunden, typisch für Förderer, Extruder oder Kompressoren mit über den Drehzahlbereich annähernd konstantem Lastmoment. Schwerlast verlangt 200 %, für Anwendungen mit hohem Anlauf- oder Beschleunigungsmoment wie Krane oder Mühlen.
Empfohlene Umrichtergröße
Die empfohlene Baugröße ist die nächste Standard-Umrichtergröße, deren Nennstrom sowohl die Motorleistung P_N als auch den erforderlichen Nennstrom I_FU,erf abdeckt. Bei konstanter Last oder Schwerlast wird zusätzlich eine Nummer größer gewählt, um Reserven für wiederkehrende Überlastspitzen zu erhalten. Damit wird deutlich: die Auslegung erfolgt nach dem Strom, eine reine Leistungsbetrachtung in kW reicht nicht aus.
Motorkabellänge und EMV
Lange, geschirmte Motorkabel wirken als Kapazität gegen Erde: der Umrichter muss zusätzlich zum Motorstrom einen kapazitiven Ableitstrom liefern, steile Taktflanken (du/dt) belasten die Motorisolation und die Lagerströme steigen. Bis rund 50 m geschirmtem Kabel sind in der Regel keine Zusatzmaßnahmen nötig. Darüber empfehlen sich eine Ausgangsdrossel oder ein du/dt-Filter am Umrichterausgang, bei sehr langen Leitungen zusätzlich ein Sinusfilter. Die genaue Grenze hängt vom Kabeltyp und vom Umrichterhersteller ab, das Datenblatt des Herstellers ist maßgebend.
Rechenbeispiel
Referenzbeispiel: Ein Asynchronmotor mit P_N = 7,5 kW an U = 400 V, cos φ = 0,85 und η = 0,90 hat den Motornennstrom I_N = 7500/(sqrt(3)*400*0,85*0,90) = 7500/530,01 = 14,15 A. Bei 8 kHz Taktfrequenz ist k_takt = 0,9, bei einer Umgebungstemperatur bis 40 °C bleibt k_temp = 1,0. Für die Betriebsart konstante Last (CT) beträgt der Reservefaktor 1,1, damit ergibt sich der erforderliche Umrichter-Nennstrom zu I_FU,erf = 14,15/(0,9*1,0)*1,1 = 17,30 A.
Die kurzzeitige Überlastanforderung liegt bei CT-Auslegung bei 150 % des Motornennstroms: I_ueberlast = 14,15*1,5 = 21,23 A. Dieser Wert prüft nur die Überlastreserve des Umrichters und fließt nicht in die Dauerstrom-Auslegung ein. Aus der Standard-Leistungsreihe deckt bereits ein 11-kW-Umrichter (rechnerischer Nennstrom rund 20,75 A) den erforderlichen Strom von 17,30 A ab; da die Betriebsart CT ist, empfiehlt der Rechner zusätzlich eine Nummer größer, also einen 15-kW-Umrichter mit rund 28,30 A Nennstrom.
Wird zusätzlich ein tatsächlich gewählter Umrichter mit I_FU = 20,75 A (11-kW-Baugröße) eingegeben, ergibt sich eine Ausnutzung von 17,30/20,75 = 84 % (Ampel grün, io). Bei einem geschirmten Motorkabel von 30 m Länge sind keine Zusatzmaßnahmen nötig, erst oberhalb von rund 50 m empfiehlt sich eine Ausgangsdrossel oder ein du/dt-Filter.
Häufige Fragen
Wie groß muss der Frequenzumrichter sein?
Maßgeblich ist der erforderliche Umrichter-Nennstrom I_FU,erf, nicht die Motorleistung in kW: er ergibt sich aus dem Motornennstrom I_N, abgewertet um Taktfrequenz- und Temperatur-Derating und erhöht um einen betriebsartabhängigen Reservefaktor. Der gewählte Umrichter muss diesen Strom als Dauernennstrom liefern können; die empfohlene Standardgröße im Rechner ist die kleinste Baugröße, die diesen Strom sowie die Motorleistung P_N abdeckt.
Wird der Umrichter nach Leistung oder nach Strom ausgelegt?
Nach dem Strom. Zwei Motoren mit gleicher kW-Angabe können je nach Polzahl, Wirkungsgrad, Leistungsfaktor und Netzspannung einen unterschiedlichen Nennstrom haben, und genau dieser Strom belastet die Leistungshalbleiter im Umrichter. Die kW-Angabe des Umrichters ist bei den meisten Herstellern nur eine grobe Zuordnungsgröße für einen Standardmotor bei Nennbedingungen; im Zweifel entscheidet immer der Strom im Datenblatt.
Was bedeutet Taktfrequenz-Derating?
Höhere Taktfrequenzen (PWM-Schaltfrequenz) reduzieren die Motorgeräusche und die Stromwelligkeit, erhöhen aber die Schaltverluste im Leistungshalbleiter des Umrichters. Um eine unzulässige Erwärmung zu vermeiden, reduzieren die Hersteller deshalb den dauerhaft zulässigen Ausgangsstrom bei höherer Taktfrequenz; der Rechner bildet dies über den Deratingfaktor k_takt ab (Richtwerte 1,0 bei 4 kHz bis 0,7 bei 16 kHz). Das genaue Deratingverhalten steht im Datenblatt des jeweiligen Umrichters.
Welche Rolle spielt die Motorkabellänge?
Ein langes, geschirmtes Motorkabel wirkt als Kapazität gegen Erde und belastet den Umrichter zusätzlich mit einem kapazitiven Ableitstrom; die steilen Schaltflanken (du/dt) erhöhen zudem die Spannungsspitzen an der Motorwicklung und die Lagerströme. Bis rund 50 m sind meist keine Zusatzmaßnahmen nötig, darüber empfehlen sich eine Ausgangsdrossel oder ein du/dt-Filter, bei sehr langen Leitungen ein Sinusfilter. Die tatsächliche Grenze ist herstellerspezifisch.
Was ist der Unterschied zwischen VT und CT?
VT (Variable Torque, normale Last) beschreibt Anwendungen mit quadratisch mit der Drehzahl steigendem Lastmoment, etwa Pumpen und Lüfter; hier reicht eine Überlastreserve von rund 110 %. CT (Constant Torque, konstante Last) beschreibt Anwendungen mit über den Drehzahlbereich nahezu konstantem Lastmoment, etwa Förderer oder Extruder, und verlangt eine höhere Überlastreserve von rund 150 % für 60 Sekunden. Schwerlast-Anwendungen mit hohem Anlaufmoment, zum Beispiel Krane, benötigen zusätzlich Reserve und werden hier mit 200 % angesetzt.
Wie wähle ich cos φ und Wirkungsgrad, wenn der Motornennstrom nicht vom Typenschild bekannt ist?
Für Norm-Asynchronmotoren im Bereich weniger kW bis einige zehn kW sind cos φ um 0,85 und ein Wirkungsgrad um 0,90 gängige Richtwerte; kleinere Motoren liegen tendenziell niedriger, größere Motoren höher im Wirkungsgrad. Steht das Typenschild oder Datenblatt zur Verfügung, sollten die dort angegebenen Werte beziehungsweise der dort angegebene Nennstrom direkt verwendet werden, da die Richtwerte nur eine grobe Näherung liefern.
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