Stellen Sie sich eine Industriewelt ohne drehzahlgeregelte Motoren vor: F\u00f6rderb\u00e4nder, die unabh\u00e4ngig von der Last immer mit voller Geschwindigkeit laufen, Pumpen, die Wasser gegen geschlossene Ventile pressen, und L\u00fcfter, die permanent auf H\u00f6chstleistung arbeiten \u2013 die Energieverschwendung w\u00e4re enorm. Der Frequenzumrichter hat diese Welt grundlegend ver\u00e4ndert. Er ist das Herzst\u00fcck der modernen Antriebstechnik und ein Schl\u00fcssel zur Energieeffizienz.<\/p>\n\n\n\n
Dieser Artikel zeichnet ein umfassendes Bild dieser Schl\u00fcsseltechnologie: von den ersten rotierenden Umformern \u00fcber die Entwicklung der Leistungselektronik bis hin zu modernsten Multi-Level-Umrichtern mit Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN). Wir werden sehen, wie eine Technologie, die vor \u00fcber 50 Jahren ihren Siegeszug antrat, auch heute noch in rasanter Entwicklung ist und entscheidend zur Energiewende beitr\u00e4gt.<\/p>\n\n\n\n
Ein Frequenzumrichter (h\u00e4ufig als FU abgek\u00fcrzt) ist ein elektronisches Ger\u00e4t, das Elektromotoren mit einer variablen Drehzahl<\/strong> antreiben soll <\/a>. W\u00e4hrend ein Motor am starren 50-Hz-Netz nur mit einer festen Drehzahl laufen kann, erm\u00f6glicht der Frequenzumrichter die stufenlose Anpassung der Drehzahl an den tats\u00e4chlichen Bedarf <\/a><\/a>.<\/p>\n\n\n\n Die grundlegende Idee ist ebenso einfach wie genial: Aus einer Wechselspannung mit fester Frequenz (z.B. 50 Hz) wird eine Wechselspannung mit variabler Frequenz und Amplitude<\/strong> erzeugt <\/a><\/a>. Da die Drehzahl von Drehstrommotoren direkt proportional zur Frequenz ist, l\u00e4sst sich so die Motordrehzahl pr\u00e4zise steuern.<\/p>\n\n\n\n Die meisten Frequenzumrichter arbeiten nach dem Zwischenkreis-Prinzip<\/strong> und bestehen aus drei Hauptkomponenten <\/a><\/a>:<\/p>\n\n\n\n 1. Gleichrichter (Eingangsstufe):<\/strong> 2. Zwischenkreis (DC-Zwischenkreis):<\/strong> 3. Wechselrichter (Ausgangsstufe):<\/strong> Die Erzeugung einer variablen Wechselspannung aus einer konstanten Gleichspannung erfolgt durch Pulsweitenmodulation (PWM)<\/strong> <\/a><\/a>. Dabei werden die IGBTs mit hoher Frequenz (typisch 2-16 kHz) ein- und ausgeschaltet. Durch die Variation der Einschaltdauer (Pulsbreite) entsteht ein gepulstes Signal, dessen Mittelwert einer Sinuskurve folgt. Die Induktivit\u00e4t der Motorwicklungen gl\u00e4ttet diese Pulse und es flie\u00dft ein nahezu sinusf\u00f6rmiger Strom <\/a>.<\/p>\n\n\n\n Die PWM-Frequenz (auch Taktfrequenz genannt) hat direkte Auswirkungen:<\/p>\n\n\n\n Moderne Umrichter arbeiten mit PWM-Frequenzen bis 32 kHz \u2013 weit oberhalb des H\u00f6rbereichs <\/a><\/a>.<\/p>\n\n\n\n Frequenzumrichter k\u00f6nnen sowohl mit Asynchron- als auch mit Synchronmotoren betrieben werden <\/a><\/a>:<\/p>\n\n\n\n Asynchronmotor (K\u00e4figl\u00e4ufer):<\/strong><\/p>\n\n\n\n Synchronmotor (z.B. Permanentmagnet-Synchronmotor):<\/strong><\/p>\n\n\n\n Die Grenzen zwischen klassischen Frequenzumrichtern (f\u00fcr Asynchronmotoren) und Servoverst\u00e4rkern (f\u00fcr Synchronmotoren mit Positionierung) verschwimmen zunehmend. Moderne Ger\u00e4te k\u00f6nnen beide Motorarten ansteuern \u2013 der Unterschied liegt oft nur noch in der Software <\/a><\/a>.<\/p>\n\n\n\n Bevor es leistungselektronische Bauelemente gab, musste man sich mit mechanischen L\u00f6sungen behelfen. Rotierende Frequenzumrichter<\/strong> (auch Umformer) waren im Wesentlichen Maschinens\u00e4tze: Ein Motor, der mit fester Netzfrequenz betrieben wurde, trieb einen Generator an, dessen Polzahl so gew\u00e4hlt war, dass er eine h\u00f6here Frequenz erzeugte <\/a><\/a>.<\/p>\n\n\n\n Beispiele:<\/strong><\/p>\n\n\n\n Diese rotierenden Umrichter waren jedoch aufw\u00e4ndig, teuer und unflexibel<\/strong> \u2013 jede Frequenz\u00e4nderung erforderte eine andere Polzahl oder eine mechanische \u00c4nderung <\/a><\/a>. Sie wurden daher nur f\u00fcr spezielle Anwendungen eingesetzt, z.B. f\u00fcr Hochfrequenz-Spindeln in der Werkzeugmaschinenindustrie.<\/p>\n\n\n\n Ende der 1960er Jahre kamen die ersten in Serie gefertigten statischen Frequenzumrichter<\/strong> auf den Markt <\/a><\/a>. Diese Ger\u00e4te nutzten erstmals Leistungshalbleiter \u2013 zun\u00e4chst Thyristoren \u2013 um die Frequenzumrichtung ohne bewegliche Teile zu realisieren.<\/p>\n\n\n\n Die Pioniere:<\/strong><\/p>\n\n\n\n Das Jahr 1975 markiert einen Meilenstein: Der erste Wechselstrom-Frequenzumrichter SAMI A<\/strong> der Firma Str\u00f6mberg ging in einem S\u00e4gewerk in Betrieb <\/a>. Entwickelt wurde er von einem Team um den Ingenieur Martti Robert „Roope“ Harmoinen<\/strong>.<\/p>\n\n\n\n Die Herausforderung bestand darin, eine Drehzahlregelung f\u00fcr die damals allgegenw\u00e4rtigen K\u00e4figl\u00e4ufer-Asynchronmotoren zu erm\u00f6glichen \u2013 Motoren, die sich durch Einfachheit und Robustheit auszeichnen, aber bis dahin nur mit fester Drehzahl betrieben werden konnten <\/a>. Mit der PWM-Technologie gelang der Durchbruch: Die Motordrehzahl konnte nun pr\u00e4zise gesteuert und gleichzeitig die Energieeffizienz verbessert werden <\/a>.<\/p>\n\n\n\n Ein entscheidender Technologiesprung war die Einf\u00fchrung des IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)<\/strong> in den 1980er Jahren <\/a><\/a>. Im Vergleich zu fr\u00fcheren Leistungshalbleitern (Bipolartransistoren, Thyristoren) boten IGBTs:<\/p>\n\n\n\n Die IGBT-Technologie erm\u00f6glichte kompaktere, effizientere und kosteng\u00fcnstigere Umrichter und beschleunigte die Verbreitung in der Industrie enorm <\/a>.<\/p>\n\n\n\n Ein weiterer Meilenstein war die Einf\u00fchrung der Direkten Drehmomentregelung (Direct Torque Control, DTC)<\/strong> durch ABB in den 1990er Jahren <\/a>. Diese Regelungstechnik erm\u00f6glichte:<\/p>\n\n\n\n Fred Donabauer, Leiter Produktmanagement bei ABB, bezeichnete DTC als besonderen Meilenstein: „Das hat die Performance der Regelung auf ein neues Level gehoben, besonders bei der Regelung von Drehstrommotoren ohne Drehgeberr\u00fcckf\u00fchrung“<\/em> <\/a>.<\/p>\n\n\n\n Mit Einzug immer schnellerer Prozessoren und fortschrittlicherer Leistungshalbleiter wurden die Grenzen zwischen klassischen Frequenzumrichtern und Servoverst\u00e4rkern zunehmend flie\u00dfend <\/a><\/a>:<\/p>\n\n\n\n 2025 feierte ABB 50 Jahre Frequenzumrichter \u2013 ein halbes Jahrhundert, in dem sich die Technologie rasant weiterentwickelt hat <\/a>. Die Ger\u00e4te wurden:<\/p>\n\n\n\n Wie bereits im vorherigen Artikel beschrieben, ist die Graetz-Br\u00fccke<\/strong> (auch B6-Br\u00fccke) ein zentraler Bestandteil jedes Frequenzumrichters. Sie wandelt die dreiphasige Netzwechselspannung in eine Gleichspannung um <\/a>.<\/p>\n\n\n\n Es gibt verschiedene Ausf\u00fchrungen:<\/p>\n\n\n\n Passive Gleichrichter (Diodenbr\u00fccke):<\/strong><\/p>\n\n\n\n Aktive Gleichrichter (mit IGBTs):<\/strong><\/p>\n\n\n\n Der Zwischenkreis besteht haupts\u00e4chlich aus Leistungskondensatoren<\/strong> (meist Elektrolytkondensatoren), die die pulsierende Gleichspannung gl\u00e4tten und Energie f\u00fcr Lastspitzen bereitstellen <\/a>. Wichtige Aspekte:<\/p>\n\n\n\n Kapazit\u00e4t:<\/strong><\/p>\n\n\n\n Zwischenkreisdrosseln:<\/strong><\/p>\n\n\n\n Bremswiderstand (optional):<\/strong><\/p>\n\n\n\n Der Wechselrichter (Endstufe) erzeugt aus der konstanten Zwischenkreis-Gleichspannung eine dreiphasige Wechselspannung variabler Frequenz und Amplitude <\/a><\/a>.<\/p>\n\n\n\n Aufbau:<\/strong><\/p>\n\n\n\n Funktion der IGBTs:<\/strong> Moderne Frequenzumrichter enthalten leistungsf\u00e4hige Mikroprozessoren oder DSPs (Digitale Signalprozessoren), die folgende Aufgaben \u00fcbernehmen:<\/p>\n\n\n\n Feldorientierte Regelung (Vector Control):<\/strong><\/p>\n\n\n\n Sensorlose Regelung:<\/strong><\/p>\n\n\n\n Direct Torque Control (DTC):<\/strong><\/p>\n\n\n\n Die hohen Schaltgeschwindigkeiten der IGBTs (bis >700 V\/\u00b5s) erzeugen unerw\u00fcnschte Nebeneffekte <\/a>:<\/p>\n\n\n\n Abhilfe schaffen:<\/p>\n\n\n\n Die meisten heute eingesetzten Frequenzumrichter arbeiten nach dem Zwei-Level-Prinzip<\/strong> <\/a><\/a>. Das bedeutet:<\/p>\n\n\n\n Vorteile:<\/strong><\/p>\n\n\n\n Grenzen:<\/strong><\/p>\n\n\n\n Verf\u00fcgbare Zwei-Level-Frequenzumrichter bieten im Leistungsbereich >100 kW<\/strong> standardm\u00e4\u00dfig zul\u00e4ssige Schaltfrequenzen von nur 4 bis 6 kHz<\/strong> <\/a><\/a>. Der Grund:<\/p>\n\n\n\n F\u00fcr Hochgeschwindigkeitsanwendungen (z.B. Turboverdichter mit 60.000 min\u207b\u00b9 und 2000 Hz Drehfeldfrequenz) ist dies nicht ausreichend <\/a><\/a>.<\/p>\n\n\n\n Drei-Level-Umrichter (auch Multilevel-Umrichter) verf\u00fcgen \u00fcber eine zus\u00e4tzliche Spannungs-Zwischenstufe <\/a><\/a>. Statt nur zwischen +DC und -DC zu schalten, k\u00f6nnen sie auch eine Mittelstellung (0 V) ansteuern.<\/p>\n\n\n\n Aufbau:<\/strong><\/p>\n\n\n\n Vorteile:<\/strong><\/p>\n\n\n\n Die Vorteile sind beeindruckend <\/a><\/a><\/a>:<\/p>\n\n\n\n 1. Deutlich reduzierte Motorverluste:<\/strong><\/p>\n\n\n\n 2. Entfall von Motorfiltern:<\/strong><\/p>\n\n\n\n 3. Geringere Isolationsbeanspruchung:<\/strong><\/p>\n\n\n\n 4. H\u00f6herer Gesamtwirkungsgrad:<\/strong><\/p>\n\n\n\n Die Drei-Level-Technologie spielt ihre Vorteile besonders in anspruchsvollen Anwendungen aus <\/a><\/a><\/a>:<\/p>\n\n\n\nGrundlegende Funktionsweise<\/h3>\n\n\n\n
Der Gleichrichter wandelt die eingespeiste Wechselspannung (AC) aus dem Netz in eine Gleichspannung (DC) um. Hier kommt die bereits bekannte Graetz-Br\u00fccke<\/strong> (auch B6-Br\u00fccke genannt) zum Einsatz \u2013 die Verbindung zur vorherigen Artikelserie ist also direkt gegeben. Bei einfacheren Umrichtern wird eine passive Diodenbr\u00fccke verwendet, bei anspruchsvolleren Anwendungen kommen steuerbare Gleichrichter (z.B. mit Thyristoren) zum Einsatz.<\/p>\n\n\n\n
Der Zwischenkreis gl\u00e4ttet die gleichgerichtete Spannung und speichert Energie. Er besteht in der Regel aus Kondensatoren<\/strong> (f\u00fcr die Spannungsgl\u00e4ttung) und manchmal auch aus Drosseln (zur Stromgl\u00e4ttung) <\/a>. Der Zwischenkreis ist der „Energiespeicher“ des Umrichters und sorgt f\u00fcr eine stabile Gleichspannung.<\/p>\n\n\n\n
Der Wechselrichter \u2013 auch Endstufe genannt \u2013 ist das Kernst\u00fcck des Frequenzumrichters. Er macht aus der Gleichspannung des Zwischenkreises wieder eine Wechselspannung \u2013 aber mit variabler Frequenz und Amplitude<\/strong> <\/a>. Dies geschieht durch schnelles Schalten von Leistungshalbleitern, heute fast ausschlie\u00dflich IGBTs<\/strong> (Insulated Gate Bipolar Transistoren) <\/a><\/a>.<\/p>\n\n\n\nDie Pulsweitenmodulation (PWM) als Herzst\u00fcck<\/h3>\n\n\n\n
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Asynchroner und synchroner Motor im Umrichterbetrieb<\/h3>\n\n\n\n
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Teil II: Geschichte des Frequenzumrichters<\/h2>\n\n\n\n
Die Anf\u00e4nge: Rotierende Umformer<\/h3>\n\n\n\n
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Die 1960er Jahre: Erste statische Umrichter<\/h3>\n\n\n\n
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1975: Der erste kommerzielle PWM-Umrichter<\/h3>\n\n\n\n
Die 1980er Jahre: Die IGBT-Revolution<\/h3>\n\n\n\n
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Die 1990er Jahre: Direct Torque Control (DTC)<\/h3>\n\n\n\n
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Die 2000er Jahre: Verschmelzung von FU und Servoverst\u00e4rker<\/h3>\n\n\n\n
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50 Jahre Frequenzumrichter \u2013 eine Erfolgsgeschichte<\/h3>\n\n\n\n
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Teil III: Aufbau und Funktion im Detail<\/h2>\n\n\n\n
Der Gleichrichter \u2013 Verbindung zur Graetz-Br\u00fccke<\/h3>\n\n\n\n
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Der Zwischenkreis \u2013 Energiespeicher und Gl\u00e4ttung<\/h3>\n\n\n\n
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Der Wechselrichter \u2013 das Herzst\u00fcck<\/h3>\n\n\n\n
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Die IGBTs schalten mit hoher Frequenz (PWM) die Spannung des Zwischenkreises auf die Motorwicklungen. Durch geschickte Ansteuerung entsteht ein gepulstes Ausgangssignal, dessen Mittelwert sinusf\u00f6rmig ist <\/a>. Die Induktivit\u00e4t der Motorwicklungen gl\u00e4ttet die Strompulse.<\/p>\n\n\n\nDie Regelung \u2013 das Gehirn<\/h3>\n\n\n\n
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EMV-Problematik und Filter<\/h3>\n\n\n\n
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Teil IV: Vom Zwei-Level zum Multi-Level-Umrichter<\/h2>\n\n\n\n
Die Zwei-Level-Technologie<\/h3>\n\n\n\n
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Die Grenzen der Zwei-Level-Technik bei hohen Leistungen<\/h3>\n\n\n\n
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Die Drei-Level-Technologie \u2013 Funktionsweise<\/h3>\n\n\n\n
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Vorteile der Drei-Level-Technologie<\/h3>\n\n\n\n
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Anwendungen f\u00fcr Drei-Level-Umrichter<\/h3>\n\n\n\n
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