In vielen Einführungen wird die Formel „Ausgangsspannung = Eingangsspannung x (Ausgangsfrequenz ÷ Eingangsfrequenz)“ verwendet, um die Spannungsanpassung eines Frequenzumrichters (FU) zu erklären. Diese Formel ist jedoch technisch falsch und beschreibt nicht die tatsächliche Funktionsweise eines Wechselrichters.
Ein Frequenzumrichter nutzt die Netzfrequenz nicht als Rechengröße zur Skalierung der Ausgangsspannung. Stattdessen folgt die Spannungsgeometrie streng der U/f-Kennlinie (Spannung pro Hertz) des angeschlossenen Drehstrommotors.
Dieser Leitfaden korrigiert das Missverständnis, erläutert die Grenzen im Feldschwächbereich und zeigt, wie Sie Anlaufschwierigkeiten im niedrigen Drehzahlbereich gezielt beheben.
1. Warum die Formel mit der „Eingangsfrequenz“ physikalisch falsch ist
Ein Frequenzumrichter speist den Motor nicht direkt aus dem Wechselstromnetz, sondern arbeitet über einen mehrstufigen Leistungsteil:
[ Netz AC (50 Hz) ] ──> [ Gleichrichter ] ──> [ DC-Zwischenkreis ] ──> [ PWM-Wechselrichter ] ──> [ Motor AC (0–120+ Hz) ]
Gleichrichtung: Die eingehende Dreiphasen-Wechselspannung (z. B. 400 V bei 50 Hz) wird zunächst gleichgerichtet und im DC-Zwischenkreis gespeichert.
Entkopplung: Die Frequenz des Speisenetzes (50 Hz in Europa) geht nach der Gleichrichtung vollständig verloren. Der Zwischenkreis liefert eine reine Gleichspannung (bei 400 V Netz ca. 560 V DC).
Synthese: Der Wechselrichter generiert mittels Pulsweitenmodulation (PWM) eine völlig neue Wechselspannung mit variabler Frequenz und Spannung. Die maximale Ausgangsspannung ist physikalisch durch die Höhe der Zwischenkreisspannung begrenzt – nicht durch das Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsfrequenz.
2. Das tatsächliche Steuerprinzip: Das Volts-per-Hertz-Verhältnis (U/f)
Die Ausgangsspannung wird vom Umrichter so geregelt, dass der magnetische Fluss im Stator konstant bleibt. Die Referenzgröße hierfür sind die Typenschilddaten des Motors (Bemessungsspannung ÷ Bemessungsfrequenz):
400 V / 50 Hz Motor: 400 V ÷ 50 Hz = 8,0 V/Hz
230 V / 50 Hz Motor: 230 V ÷ 50 Hz = 4,6 V/Hz
Bereich konstanter Magnetisierung (0 Hz bis 50 Hz):
- Bei 25 Hz Ausgangsfrequenz: 25 Hz x 8,0 V/Hz = 200 V
- Bei 40 Hz Ausgangsfrequenz: 40 Hz x 8,0 V/Hz = 320 V
- Bei 50 Hz Ausgangsfrequenz: 50 Hz x 8,0 V/Hz = 400 V (Nennpunkt erreicht)
In diesem Bereich (Grunddrehzahlbereich) steigt die Spannung linear mit der Frequenz an. Dadurch bleibt das maximale Drehmoment des Motors über den gesamten Steuerbereich konstant.
3. Der Feldschwächbereich: Was oberhalb der Eckfrequenz passiert
Sobald die Ausgangsfrequenz die Bemessungsfrequenz des Motors (z. B. 50 Hz) überschreitet, stößt der Frequenzumrichter an seine physikalische Grenze: Die Ausgangsspannung kann nicht weiter ansteigen, da der Zwischenkreis nicht mehr Spannung hergibt.
0 Hz ───────────────────────── 50 Hz (Eckfrequenz) ───────────────────────── 100 Hz
[ Konstantes Drehmoment ] | [ Feldschwächbereich (Konstante Leistung) ]
Spannung steigt linear an | Spannung bleibt gedeckelt auf Max (400 V)
U/f-Verhältnis = 8,0 V/Hz | U/f-Verhältnis sinkt kontinuierlich (400 V / 100 Hz = 4,0 V/Hz)
Full Torque Available | Drehmoment sinkt proportional zur Frequenz (T ∝ 1/f)
Wird die Frequenz über 50 Hz hinaus erhöht (z. B. auf 80 Hz oder 100 Hz zur Drehzahlerhöhung an Spindeln oder Lüftern), bleibt die Spannung auf dem Maximum gekappt.
Da die Frequenz weiter steigt, fällt das effektive U/f-Verhältnis ab. Der magnetische Fluss im Motor nimmt ab – der Motor befindet sich im Feldschwächbereich. Das verfügbare Drehmoment sinkt umgekehrt proportional zur Frequenz, während die Abgabeleistung näherungsweise konstant bleibt.
4. Spannungsanhebung (IxR-Kompensation / Voltage Boost) bei niedrigen Frequenzen
Bei sehr niedrigen Frequenzen (0,5 Hz bis 10 Hz) bricht die verhältnismäßige U/f-Kennlinie in der Praxis ein. Der ohmsche Statorwicklungswiderstand ($R_s$) verursacht im Vergleich zur induktiven Reaktanz einen erheblichen Spannungsabfall.
Linearer U/f-Sollwert (z. B. bei 2,5 Hz = 20 V)
↓
Abzüglich Stator-Wicklungsverlusten
↓
Effektive Magnetisierungsspannung zu gering ──> Motor verliert Anlaufdrehmoment / Stoppt unter Last
Die Lösung: Voltage Boost (Torque Boost)
Um ein Festfahren des Motors beim Anfahren unter Last zu verhindern, bieten Frequenzumrichter einen Parameter zur Spannungsanhebung (IxR-Kompensation). Dieser hebt die Ausgangsspannung im untersten Frequenzband gezielt an (z. B. Offset-Spannung von 5–10 V bei 0 Hz), um den ohmschen Widerstand auszugleichen und das volle Losbrechmoment bereitzustellen.
5. Checkliste für die Praxis und Parametrierung
Typenschilddaten exakt eingeben: Stellen Sie sicher, dass Nennspannung (z. B. 400 V) und Nennfrequenz (z. B. 50 Hz) korrekt in den Umrichterparametern hinterlegt sind. Diese bilden die Basis für die interne U/f-Berechnung.
Drehmomentabfall bei Überfrequenz beachten: Wenn Sie den Motor oberhalb der Nennfrequenz betreiben, kalkulieren Sie den Drehmomentverlust im Feldschwächbereich ein, um ein Abranden oder Festfahren unter Last zu vermeiden.
Spannungsanhebung vor Vektorregelung testen: Wenn der Antrieb beim Anlaufen im einfachen U/f-Betrieb zu wenig Drehmoment erzeugt, optimieren Sie zuerst den Parameter für die Spannungsanhebung (Boost), bevor Sie auf eine komplexe Vektorregelung umstellen.
Zusammenfassung
Die Ausgangsspannung eines Frequenzumrichters folgt einer linearen U/f-Kennlinie bis zur Eckfrequenz des Motors. Sie hängt von den Nennwerten des Motors ab und nicht von der Eingangsfrequenz des Versorgungsnetzes. Oberhalb der Nennfrequenz verbleibt die Spannung auf ihrem Maximum und führt zur Feldschwächung, während bei sehr niedrigen Drehzahlen eine gezielte Anhebung der Spannung (Boost) erforderlich ist, um Statorverluste zu kompensieren.
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