Der Betrieb von Elektromotoren an Diesel- oder Gas-Notstromaggregaten stellt besondere Anforderungen an die elektrische Infrastruktur. Im Gegensatz zu einem stabilen öffentlichen Stromnetz verfügen Notstromaggregate über eine begrenzte KVA-Leistung, eine höhere interne Impedanz und empfindliche Drehzahlregler.

Wenn große Motoren direkt (Direktanlauf / DOL) eingeschaltet werden, führen extrem hohe Anlaufströme zu Spannungsabfällen und Frequenzschwankungen. Dies kann zum Auslösen der Schutzschalter oder im schlimmsten Fall zum Abwürgen des Generators führen.

Der Einsatz von Frequenzumrichtern (VFD) nach dem Aggregat löst das Problem hoher Anlaufströme, bringt jedoch neue technische Herausforderungen wie Oberschwingungsverzerrungen (Harmonische) und Rückspeiseenergie mit sich.

Dieser Leitfaden erläutert, wie Frequenzumrichter optimal mit Notstromaggregaten interagieren, wie Sie Generatoren richtig dimensionieren und wie Oberschwingungen effektiv reduziert werden.

1. Wie Frequenzumrichter Notstromaggregate beim Motorstart schützen

Beim Direktanlauf eines Drehstrom-Asynchronmotors fließt kurzzeitig der 6- bis 8-fache Nennstrom (FLA) bei sehr schlechtem Leistungsfaktor.

Direktanlauf (DOL) am Aggregat:
  [ Generator ] ─── ( 600%-800% Stromspitze ) ───> [ Motor ]
  Folge: Starker Spannungsabfall, Frequenzeinbruch, Aggregat stirbt ab oder löst aus

Sanftanlauf über Frequenzumrichter:
  [ Generator ] ─── ( Geregelt 100%-150% Strom ) ───> [ Frequenzumrichter ] ───> [ Motor ]
  Folge: Stabile Spannung, kontrollierte Beschleunigung, kein Frequenzabfall

Begrenzung des Anlaufstroms

Durch die synchrone Regelung von Spannung und Frequenz entlang einer eingestellten Rampe begrenzt der Frequenzumrichter den Anlaufstrom auf 100 % bis 150 % des Motornennstroms, während das volle Anlaufdrehmoment bereitgestellt wird.

Geringere Generator-Nennleistung erforderlich: Ohne Frequenzumrichter müssen Notstromaggregate oft um das 2,5- bis 3-fache der Motornennleistung überdimensioniert werden, um die Einschaltspitzen aufzufangen. Mit einem Frequenzumrichter kann der Generator nah an der tatsächlichen Betriebsleistung (kW) ausgelegt werden.
Frequenzstabilität: Durch das Vermeiden von Stromspitzen wird verhindert, dass der Motorregler des Aggregats über- oder untertourig fährt. Das Notstromnetz bleibt innerhalb der engen Toleranzen, die für empfindliche Verbraucher erforderlich sind.

2. Oberschwingungen (Harmonische) am Notstromaggregat beherrschen

Frequenzumrichter lösen das Anlaufstromproblem, ziehen den Strom über ihre B6-Brückengleichrichter jedoch nicht sinusförmig, sondern in pulsierenden Blöcken.

Generatoren weisen eine deutlich höhere Subtransient-Reaktanz auf als Standard-Netztransformatoren. Dadurch verursachen nichtlineare Oberschwingungsströme an Notstromaggregaten eine wesentlich höhere Spannungsverzerrung (THD_V) als am öffentlichen Netz.

Auswirkungen von Oberschwingungen auf den Generator

Zusätzliche Erwärmung: Oberschwingungsströme führen zu Wirbelstromverlusten und thermischer Überlastung der Generatorwicklungen.
Störung des automatischen Spannungsreglers (AVR): Spannungsverzerrungen können die Nulldurchgangserkennung des AVR verwirren, was zu Spannungs- und Frequenzschwankungen führt.

Maßnahmen zur Entstörung (Filterung)

Entstörtechnologie	Reduzierung Oberschwingungsgehalt	Typischer Einsatz am Aggregat
Standard-Frequenzumrichter mit Netzdrossel (3%-5%)	Reduziert THD_I auf ca. 30% – 35%	Kleine Aggregate, bei denen der Umrichteranteil unter 20 % der Gesamtlast liegt.
Passive Harmonische Filter (Matrix-Filter)	Reduziert THD_I auf < 8% – 10%	Wirtschaftliche Lösung für dedizierte Pumpen- und Ventilatorantriebe.
18-Puls-Gleichrichter-Umrichter	Reduziert THD_I auf < 5%	Mittelspannungs- oder hochintegrierte Industrieanwendungen.
Active Front End (AFE) / Low-Harmonic-Antriebe	Reduziert THD_I auf < 3% – 5%	Kritische Infrastruktur wie Krankenhäuser, Rechenzentren und Marineanlagen.

3. Schutz vor Rückspeiseenergie im Generatorbetrieb

Beim Abbremsen von Lasten mit hoher Schwungmasse (z. B. große Industrieventilatoren oder Zentrifugen) arbeitet der Elektromotor als Generator und speist kinetische Energie zurück in den Zwischenkreis des Frequenzumrichters.

Am öffentlichen Stromnetz: Überschüssige Energie fließt ohne Probleme über den Transformator ins Netz zurück.
Am Notstromaggregat: Synchron-Generatoren können keine Rückspeiseleistung aufnehmen. Wenn Energie in den Generator zurückfließt, kann dies das Rückleistungsschutz-Relais auslösen oder den Dieselmotor überdrehen, was zum Gesamtausfall des Notstromsystems führt.

Lösung: Brems-Chopper und Bremswiderstand

Im Aggregatbetrieb müssen Frequenzumrichter mit einem internen Brems-Chopper und einem externen Bremswiderstand ausgestattet sein. Sobald die Zwischenkreisspannung beim Abbremsen steigt, leitet die Umrichterelektronik die Bremsenergie kontrolliert in den Widerstand ab, wo sie gefahrlos in Wärme umgewandelt wird.

4. Engineering-Checkliste für Aggregat-Umrichter-Systeme

Leistungsverhältnis prüfen: Der Anteil von Frequenzumrichtern ohne spezielle Oberschwingungsfilter sollte max. 50 % der Generator-kVA-Leistung betragen. Bei höheren Anteilen sind AFE-Antriebe oder passive Filter zwingend erforderlich.
Hochlauf- und Rampenzeiten verlängern: Verlängern Sie die Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten (z. B. auf 15 bis 30 Sekunden) im Generatorbetrieb, damit der Kraftstoffregler des Aggregats sanft nachregeln kann.
Umschaltautomatik (ATS) einbinden: Verbinden Sie einen Hilfskontakt des Umschalters (ATS) mit einem digitalen Eingang des Frequenzumrichters. Sobald das System auf Generatorstrom umstellt, schaltet der Umrichter automatisch auf einen zweiten Parametersatz um (z. B. sanftere Rampen, angepasste Taktfrequenz, deaktivierte Rückspeisung).

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