Was ist ein Frequenzumrichter?

Ein Frequenzumrichter (VFD) ist ein Motorregler, der einen Elektromotor antreibt, indem er die Frequenz und Spannung seiner elektrischen Energieversorgung variiert. Ein Frequenzumrichter ist außerdem in der Lage, das Hoch- und Herunterfahren des Motors während des Startens bzw. Stoppens zu steuern.

Auch wenn der Frequenzumrichter eigentlich die Frequenz und Spannung der dem Motor zugeführten Leistung steuert, bezeichnen wir dies oft als Drehzahlregelung, da es zu einer Anpassung der Motordrehzahl kommt.

Es gibt viele Gründe, warum wir die Motordrehzahl anpassen sollten.

Zum Beispiel zur ...

• Einsparung von Energie und Verbesserung der Effizienz von Systemen
• Umwandlung von Leistung in Hybridisierungs- oder Elektrifizierungsanwendungen
• Anpassung der Drehzahl, des Drehmoments oder der Leistung eines Antriebs an die Prozessanforderungen
• Verbesserung des Arbeitsumfelds
• Senkung des Geräuschniveaus, etwa bei Lüftern und Pumpen
• Reduzierung der mechanischen Belastung von Maschinen und Motorwicklungen zur Verlängerung ihrer Lebensdauer und
• zur Reduzierung der Spitzenlast, um Spitzenbedarfspreise zu vermeiden und die erforderliche Motorgröße zu verringern.

Die heutigen Frequenzumrichter integrieren Netzwerk- und Diagnosefunktionen, um die Leistung zu erhöhen und die Produktivität zu steigern. Das heißt: Energieeinsparung, intelligente Motorsteuerung und die Reduzierung des Spitzenstrombedarfs sind drei gute Gründe dafür, sich für einen Frequenzumrichter als Steuerung in jedem motorgetriebenen System zu entscheiden.

• Frequenzumrichter werden am häufigsten zur Steuerung von Lüftern, Pumpen und Kompressoren eingesetzt. Diese Anwendungen machen 75 % aller weltweit betriebenen Frequenzumrichter aus
• Förderbänder, Zentrifugen, Kräne, Aufzüge und industrielle Verarbeitungsanlagen, die eine präzise Bewegungssteuerung benötigen, sind ebenfalls häufige Anwendungen für Frequenzumrichter.
• Elektrische Antriebssysteme für Schiffe mit Elektro- und Hybridantrieb sind ein weiterer beliebter Anwendungsbereich, in dem Frequenzumrichter aufgrund ihrer wichtigen Leistungsumwandlung zur Elektrifizierung unseres zukünftigen Schifffahrt-Transportsystems beitragen
• Softstarter und netzbetriebene Schütze sind andere, weniger anspruchsvolle Arten einer Motorsteuerung. Sie werden zum Schutz von Motoren beim Stoppen und Starten in einfachen Anwendungen verwendet.

  -            Ein Softstarter bzw. Sanftanlasser ist ein Halbleitergerät, das beim Anlauf eines Elektromotors für einen sanften Anlauf auf volle Drehzahl sorgt

  -            Ein netzbetriebener Schütz ist eine Motorsteuerung, die volle Netzspannung an einen Elektromotor anlegt

Weitere Informationen finden Sie auf „Danfoss Drives Produkte“. Wir bieten sowohl einphasige als auch dreiphasige Frequenzumrichter an

Weitere Informationen zu Softstartern von Danfoss Drives

Frequenzumrichter senken Ihre Stromrechnung.

Ein Frequenzumrichter kann dank seiner Regelung die abgegebene Leistung entsprechend dem Energiebedarf des angetriebenen Geräts variieren, wodurch er Energie spart und den Energieverbrauch optimiert.

Der Frequenzumrichter kann den Energieverbrauch im Vergleich zum Direktbetrieb am Netz, bei dem der Motor unabhängig vom Bedarf mit voller Drehzahl läuft, drastisch reduzieren. Mit einem Frequenzumrichter verschwendet die Drehzahlregelung (beispielsweise im Gegensatz zur Regelung mit Drosselventil oder Dämpfer) keinen Strom, sondern passt die Motorleistung genau an den aktuellen Bedarf an. Der Einsatz eines Frequenzumrichters erzielt typischerweise Energie- oder Kraftstoffeinsparungen von 40 %. Der Roll-on-Effekt hat zur Folge, dass der Einsatz von Frequenzumrichtern auch die NO_x-Emissionen der Systeme, in denen sie installiert sind, reduziert und ihre CO₂-Bilanz verbessert.

Fallstudie: Lesen Sie, wie Frequenzumrichter den Energieverbrauch in einem Werk der Roca Group drastisch reduzieren (in Englisch)

Eine verbreitete Einsatzmöglichkeit von Frequenzumrichtern zur Leistungswandlung ist die Leistungswandlung für Hybrid- oder Elektroantriebssysteme mit Energiespeichern. Die zunehmende Elektrifizierung führt dazu, dass für Leistungswandler auf See und an Land zum Schnellladen, für DC-Netze, zur Elektrolyse in Power-to-X-Systemen, für Smart Grids, zur Energiespeicherung und in weiteren Bereichen ein hoher Bedarf besteht. 



Entdecken Sie die breite Palette an Leistungswandleranwendungen:

• Elektrifizierung durch Leistungswandlung
• Leistungswandlung zur Landstromversorgung und Schiffsaufladung
• Industrielles DC-Backup als Alternative zur USV – keine Spannungseinbrüche mehr
• Fallstudie: Wie eine RoPax-Fähre in Finnland Frequenzumrichter für den Batteriebetrieb einsetzt (in Englisch)
• Fallstudie: Danfoss iC7-Hybrid als Stromversorgung für das Everfuel HySynergy Power-to-X-Projekt (in Englisch)
• Fallstudie: Mobile Energiespeicher zur Stromversorgung von Veranstaltungen in den Niederlanden (in Englisch)

Es gibt viele verschiedene Arten von Frequenzumrichtern, da sie in der Industrie weit verbreitet sind. Es gibt sowohl einphasige als auch dreiphasige Frequenzumrichter für eine Vielzahl von Anwendungen. Zu den Unterschieden der einzelnen Arten von Frequenzumrichtern gehören die Methoden zur Frequenz- und Spannungsregelung sowie die Art und Weise, wie Frequenzumrichter Oberschwingungsverzerrungen reduzieren.

Weitere Informationen über Lösungen zur Reduzierung von Oberschwingungen von Danfoss Drives

Die drei wichtigsten Techniken zur Erzeugung variabler Frequenzen, die in Frequenzumrichtern zum Einsatz kommen, sind Pulsweitenmodulation (PWM), Stromquellenwechselrichter und Spannungsquellenwechselrichter. PWM ist die gebräuchlichste Technik. Sie erfordert, dass die Wechselrichterleistungselektronik des Frequenzumrichters – Transistoren oder bipolare Transistoren mit isoliertem Gate (IGBT) – durch ständiges Ein- und Ausschalten das richtige Spannungsniveau erzeugen. Durch Steuern und Variieren der Impulsbreite verändert die Pulsweitenmodulation die Ausgangsfrequenz und Ausgangsspannung, um die Frequenzumrichterregelung zu realisieren.

Nutzen Sie die Grundlagenartikel zu Frequenzumrichtern, um mehr über die Optimierung der Systemeffizienz mit Frequenzumrichtern zu erfahren.

Nach den Lohnkosten haben die Energiekosten den größten Anteil an den Kosten vieler Industriebetriebe. Durch die Installation von Frequenzumrichtern in folgenden Anwendungen können Sie Ihre Energiekosten um 20 bis 60 % senken:​

• HLK- oder Lufttransfersysteme in Rechenzentren, sonstigen Gebäuden, Parkhäusern oder Tunneln​
• Pumpen für das Flüssigkeits- und Wassermanagement
• Luftverdichter
• Weitere Verdichter vor Ort, z. B. Kühllager (in Englisch) ​

„Wenn alle Lüfter und Pumpen (weltweit) mit Frequenzumrichtern ausgestattet wären, würden die Einsparungen an Energie der gesamten Stromerzeugungskapazität der EU entsprechen. Durch den Einsatz von Frequenzumrichtern können die Treibhausgasemissionen bis 2040 um 40 % reduziert werden.“

Quelle: Globaler Bericht von OMDIA über die COP26

Die unzureichende oder veraltete Laststeuerung, beispielsweise von Lüftern, Pumpen, Förderbändern und Verdichtern, ist eine Hauptquelle von Energieverschwendung. Viele Lüfter-, Pumpen- und Verdichteranwendungen laufen immer noch direkt am Netz (DOL) und mit voller Drehzahl. Selbst neue Geräte sind noch so eingerichtet, dass sie mit fest eingestellter voller Drehzahl laufen. Im Jahr 2023 wurden mehr als 74 % aller Neugeräte im DOL-Betrieb installiert – es gibt also noch jede Menge Spielraum zur Verbesserung der Energieeffizienz. ​

Wenn Sie alle Lüfter, Pumpen und Kühlgeräte zur Ausrüstung mit Frequenzumrichtern ausschreiben, können Sie in der Regel mit Energieeinsparungen von 20 bis 60 % rechnen. Die Energieeinsparungen für jede einzelne Elektromotorlast können bei einer Steuerung mit Frequenzumrichtern bis zu 80 % betragen.

Durch die Anwendung einer variablen Drehzahlregelung auf Lüfter und Pumpen können Sie in der Regel Energieeinsparungen von 40 % erzielen. Diese werden durch die variable Drehmomentkennlinie definiert. Bei Lüftern und Pumpen führt eine Reduzierung der Motordrehzahl um 20 % zu Energieeinsparungen von 50 %. 

Erfahren Sie, welche Energieeinsparungen durch eine Lüftersteuerung in den Hallen eines Volkswagen Werks in Spanien erzielt wurden

Frequenzumrichter spielen auch in industriellen Anwendungen, zum Beispiel bei Kränen und Förderbändern, eine entscheidende Rolle. Bei diesen Anwendungen sind die Prozessoptimierung sowie die präzise Drehzahl- und Positionsregelung die Hauptgründe für den Einsatz von Frequenzumrichtern. Die Frequenzumrichter bieten beispielsweise eine integrierte Zustandsüberwachung und Pendeldämpfungsfunktion. Bei Förderbändern werden die Frequenzumrichter als Alternative zu Servolösungen mit einer integrierten hochpräzisen Positionierungssteuerung ausgestattet. Eine im Frequenzumrichter integrierte Zustandsüberwachung (CBM) verbessert zusammen mit einem Fernüberwachungsservice nicht nur die Zuverlässigkeit, sondern schafft auch neue Vorteile in Bezug auf die Visualisierung und Protokollierung. Obwohl Frequenzumrichter zusätzlich zur Energieeinsparung beitragen können, ist es unwahrscheinlich, dass die Einsparungen bei Förderbändern und Kränen 40 % erreichen, wie es bei Lüftern und Pumpen der Fall ist.

Erfahren Sie mehr über den Wert von Frequenzumrichtern in Anwendungen von Förderbändern und Industriekranen

Bei Schiffsantrieben ersetzen Elektromotoren und Frequenzumrichter rasch Dieselmotoren und mechanische Antriebssysteme. Ohne Frequenzumrichter wäre die Steuerung der Geschwindigkeit und Richtung eines Schiffs heute unmöglich.



Neben der Optimierung der Energieeffizienz bieten Frequenzumrichter bei Schiffsanwendungen eine Reihe weiterer Vorteile. Dazu gehören die integrierte funktionale Sicherheit, eine einfache Integration in Schiffssysteme, kompakte Steuermittel bei begrenztem Platz unter Deck und die Verbesserung der Netzqualität an Bord.

Viele Schiffe nutzen nach wie vor Dieselgeneratoren zur Stromerzeugung. Doch vollelektrische Fähren kommen immer häufiger zum Einsatz.

Erfahren Sie in unseren Fallstudien zur Schiffstechnik, wie eine variable Frequenzregelung und Leistungsumwandlung die Schiffsleistung optimiert und Emissionen sowohl an Bord als auch an Land reduziert. (in Englisch)

Wussten Sie, dass 26 % der vorhandenen, installierten Wechselstrommotoren mit Frequenzumrichtern ausgestattet sind? Und dass 75 % dieser Motoren Lasten mit variablem Drehmoment antreiben (Lüfter, Pumpen und Kompressoren)? Die Laststeuerung mit variablem Drehmoment besitzt in einer Industrieanlage das größte Potenzial für Energieeinsparungen. Investitionen in die Frequenzumrichtertechnologie zur Steuerung dieser Anwendungen sind in Verbindung mit möglichen Energierabatten von den Energieversorgern eine der schnellsten Möglichkeiten zur Reduzierung Ihrer Energiekosten und Dekarboniserung Ihres Werks.​

Quelle: Globaler Bericht von OMDIA über die COP26

Entdecken Sie unsere Frequenzumrichter-Serien: Dekarbonisierung erklärt (in English)

Europa hat die Vorgabe für den Motorwirkungsgrad weiter erhöht und schreibt seit Juli 2023 einen Mindestnennwert von IE4 für Motoren mit Nennleistungen von 0,75 bis 375 kW vor.

Doch die Aufrüstung eines DOL-Motors von IE1, IE2 oder IE3 auf IE4 kann aufgrund eines höheren Schlupfs den Energieverbrauch eines Lüfters oder einer Pumpe erhöhen.

Quelle: EU MEPS, Europäische Ökodesign-Vorschriften (in Englisch) 

Wussten Sie, dass 95 % aller Elektromotoren überdimensioniert oder für das Spitzenlastszenario ausgelegt sind? Viele bestehende Systeme arbeiten noch mit mechanischer Leistungsreduzierung (mit Ventilen oder Dämpfern), um die Überdimensionierung für eine Teillast anzupassen. Frequenzumrichter können die Ventilsteuerung ersetzen, um eine überraschende Menge an Betriebskosten für den Motor oder die angetriebene Last einzusparen. Dadurch können Sie gleichzeitig Ihren Elektromotor kleiner auslegen.

Bei einer Investition in Frequenzumrichter liegt die typische Amortisationszeit bei nur 6–12 Monaten.

Beispiel: Eine 7,5-kW-Pumpe, die jährlich 8.000 Stunden in Betrieb ist, verbraucht basierend auf einem Strompreis von 10 Cent pro kWh jährlich Elektrizität im Wert von 6.000 USD.

• Schon die Installation eines Frequenzumrichters zur Reduzierung der Motordrehzahl um 5 Hz (10 %) führt zu einer Energieeinsparung von 27 %, was einer jährlichen Einsparung von 1.600 USD entspricht.
• Gesamteinsparungen über die Lebensdauer: 40.500 USD
• Amortisationszeit: 6-12 Monate