Frequenzumrichter nachrüsten
Wann ein Sonderschaltschrank notwendig wird – und was bei der Planung zählt
Der neue Frequenzumrichter ist ausgewählt, der Motor geprüft und das Einsparpotenzial berechnet. Doch beim Blick in den vorhandenen Schaltschrank zeigt sich: Der Platz reicht nicht aus. Die Verlustwärme kann nicht sicher abgeführt werden, die Stern-Dreieck-Schaltung belegt große Teile der Montageplatte und Leistungs- und Steuerleitungen verlaufen dicht nebeneinander.
Das erfahren Sie in diesem Artikel
In vielen Bestandsanlagen beginnt die eigentliche Herausforderung der Nachrüstung deshalb nicht beim Frequenzumrichter, sondern bei seiner Integration.
Ob der vorhandene Schaltschrank angepasst werden kann oder ein neuer Sonderschaltschrank sinnvoll ist, hängt nicht allein von der Leistung des Umrichters ab. Entscheidend sind Bauform, Schutzart, Verlustleistung, Leitungsführung, Absicherung, Steuerung und die vorhandene Dokumentation.
- Wann ein Frequenzumrichter einen Schaltschrank benötigt
- Welche Veränderungen beim Umbau einer Stern-Dreieck-Schaltung entstehen
- Wie Kühlung, EMV und Schutzkonzept zusammenhängen
- Wann sich ein neuer Sonderschaltschrank gegenüber einem Umbau lohnt
- Mit welchen Schritten sich die Nachrüstung sicher planen lässt
Warum der Schaltschrank zum Engpass werden kann
Ein Frequenzumrichter verändert mehr als die Drehzahl des Motors. Mit ihm ändern sich häufig auch:
- der Leistungsweg zwischen Netz und Motor
- die Absicherung und Netztrennung
- die Wärmeentwicklung im Schaltschrank
- die Steuer- und Regelsignale
- die Anforderungen an Leitungen und Schirmung
- das EMV-Konzept
- die Sicherheitsfunktionen
- die technische Dokumentation
Ein vorhandener Schaltschrank wurde jedoch für den ursprünglichen Betrieb konzipiert. Kommt ein Frequenzumrichter hinzu, reicht es deshalb selten aus, nur einen freien Platz auf der Montageplatte zu finden.
Der Umrichter muss unter den vorgesehenen Umgebungsbedingungen betrieben werden können. Gleichzeitig benötigen Leistungselektronik, Schutzgeräte und Leitungen ausreichend Platz für Kühlung, Montage und Wartung.
Wann wird ein Sonderschaltschrank benötigt?
Nicht jeder Frequenzumrichter muss in einen separaten Schaltschrank eingebaut werden. Geräte mit einer geeigneten Schutzart können unter den vom Hersteller definierten Bedingungen auch maschinennah oder freistehend installiert werden.
Ein Schaltschrank ist vor allem dann erforderlich oder sinnvoll, wenn:
- der Frequenzumrichter als Einbaugerät, beispielsweise in IP20, ausgeführt ist
- Schutz vor Staub, Feuchtigkeit oder Berührung benötigt wird
- zusätzliche Schalt-, Schutz- oder Steuerungstechnik integriert werden muss
- die Verlustwärme kontrolliert abgeführt werden soll
- eine definierte EMV-gerechte Leitungsführung notwendig ist
- mehrere Antriebe zu einer Einheit zusammengefasst werden
- die vorhandene Anlage umfassend modernisiert wird
Die Leistung des Frequenzumrichters spielt dabei eine wichtige Rolle, ist aber nicht das einzige Entscheidungskriterium. Auch ein kleinerer Umrichter kann unter schwierigen Umgebungsbedingungen einen Schaltschrank benötigen. Umgekehrt sind für bestimmte Anwendungen Umrichter mit hoher Schutzart zur dezentralen Montage verfügbar.
Was sich bei der Nachrüstung verändert
1. Die Stern-Dreieck-Schaltung wird zurückgebaut
Eine Stern-Dreieck-Schaltung begrenzt den Anlaufstrom, indem der Motor zunächst in Stern und anschließend in Dreieck betrieben wird. Der Frequenzumrichter übernimmt den Hochlauf dagegen durch die kontrollierte Veränderung von Frequenz und Spannung.
Wird der Motor dauerhaft vom Frequenzumrichter gespeist, entfällt die bisherige Stern-Dreieck-Umschaltung im Motorabgang normalerweise. Das bedeutet:
- Stern- und Dreieckschütze werden aus dem Leistungsweg entfernt.
- Der Motor wird passend zur Ausgangsspannung des Umrichters verschaltet.
- Die Motorleitung führt direkt vom Frequenzumrichter zum Motor.
- Verriegelungen und Steuerlogik werden angepasst.
- Nicht mehr benötigte Komponenten werden entfernt oder eindeutig stillgelegt.
Schaltgeräte zwischen Frequenzumrichter und Motor dürfen nicht unkontrolliert während des Betriebs schalten. Ob und unter welchen Bedingungen dort ein Schütz eingesetzt werden kann, muss anhand der Herstellerangaben und des vorgesehenen Schaltablaufs geprüft werden.
2. Das Schutzkonzept wird neu bewertet
Die bisherige Absicherung lässt sich nicht automatisch übernehmen. Sicherungen oder Leistungsschalter müssen zum Frequenzumrichter, zum verfügbaren Kurzschlussstrom und zur vorhandenen Installation passen.
Geprüft werden insbesondere:
- Netzsicherung oder Leistungsschalter
- Hauptschalter und Netztrennung
- Kurzschluss- und Überstromschutz
- thermischer Motorschutz
- Schutzleiter- und Erdungskonzept
- Überspannungs- oder Netzschutz
- sicherheitsbezogene Abschaltfunktionen
Viele Frequenzumrichter verfügen über elektronische Motorschutzfunktionen. Ob diese für die Anwendung ausreichen oder zusätzliche Temperatursensoren erforderlich sind, hängt vom Motor, der Betriebsart und den Sicherheitsanforderungen ab.
3. Steuerung und Sicherheitsfunktionen werden angepasst
Der Frequenzumrichter benötigt Sollwerte und Steuersignale. Gleichzeitig liefert er Betriebs-, Warn- und Störmeldungen an die übergeordnete Steuerung zurück.
Je nach Anwendung müssen eingebunden werden:
- Start- und Stoppsignale
- Drehzahl- oder Prozesssollwerte
- Druck-, Durchfluss- oder Temperatursignale
- Feldbus- oder Netzwerkschnittstellen
- Rückmeldungen und Störmeldungen
- Sicherheitsfunktionen wie Safe Torque Off
- Verriegelungen mit Ventilen, Klappen oder anderen Aggregaten
Der Vorteil entsteht erst, wenn der Frequenzumrichter nicht nur den Motor antreibt, sondern passend zum Prozess geregelt wird.
4. Die Verlustwärme muss abgeführt werden
Frequenzumrichter, Drosseln, Filter und Netzteile geben Wärme an den Schaltschrank ab. Kann diese Wärme nicht ausreichend abgeführt werden, steigt die Innentemperatur.
Mögliche Folgen sind:
- Leistungsreduzierung des Frequenzumrichters
- temperaturbedingte Abschaltungen
- schnellere Alterung elektronischer Bauteile
- zusätzliche Belastung benachbarter Komponenten
Bei der Planung müssen deshalb Verlustleistung, Umgebungstemperatur, zulässige Schaltschranktemperatur und Kühlkonzept zusammen betrachtet werden. Abhängig von der Anwendung kommen natürliche Konvektion, Filterlüfter, Luft-Luft-Wärmetauscher oder Kühlgeräte infrage.
5. Die Leitungsführung wird EMV-gerecht geplant
Frequenzumrichter erzeugen durch ihre getaktete Ausgangsspannung elektromagnetische Störungen. Eine saubere Leitungsführung schützt Steuerung, Sensorik und Kommunikation.
Wichtige Grundsätze sind:
- Motor- und Steuerleitungen räumlich trennen
- Kreuzungen möglichst rechtwinklig ausführen
- geeignete geschirmte Motorleitungen verwenden
- Schirme großflächig anbinden
- kurze und niederimpedante Erdverbindungen herstellen
- Filter und Drosseln nach Herstellerangaben einsetzen
- zulässige Motorleitungslängen beachten
EMV entsteht nicht durch eine einzelne Komponente. Entscheidend ist das Zusammenspiel aus Frequenzumrichter, Filter, Leitung, Motor, Schaltschrank und Erdung.
Umbauen oder neuen Schaltschrank bauen?
Vorhandenen Schaltschrank umbauen
Ein bestehender Schaltschrank kann weiterverwendet werden, wenn ausreichend Platz, Kühlleistung und eine geeignete Grundstruktur vorhanden sind. Auch die vorhandenen Komponenten und die Dokumentation müssen eindeutig bewertet werden können.
Neuen Sonderschaltschrank bauen
Ein neuer Sonderschaltschrank ist meist die bessere Lösung, wenn:
- umfangreiche Altverdrahtung zurückgebaut werden müsste
- Platz und Kühlung nicht ausreichen
- mehrere Schutz- und Steuerungskomponenten erneuert werden
- die vorhandene Dokumentation lückenhaft ist
- weitere Modernisierungsschritte geplant sind
- der Umbau im laufenden Betrieb vorbereitet werden soll
Ein neuer Schaltschrank kann vorab aufgebaut, verdrahtet und geprüft werden. Das verkürzt die Arbeiten an der Anlage und reduziert die notwendige Stillstandszeit.
Die Nachrüstung als System planen
Applikation, Motor, Netz und Schaltschrank bestimmen gemeinsam, wie ein Frequenzumrichter integriert wird. Die IWIK begleitet Sie mit Beratung und Beschaffung, Engineering und Umsetzung sowie Service und Wartung.
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Die Vorteile eines passend ausgelegten Schaltschranks
Sicherer Betrieb:
Schutz-, Schalt- und Steuerungstechnik sind aufeinander abgestimmt.
Stabile Temperaturen:
Verlustwärme wird kontrolliert abgeführt.
Weniger Störungen:
Eine saubere EMV-Planung schützt Sensorik und Kommunikation.
Schnellere Fehlersuche:
Klare Leitungswege und Kennzeichnungen erleichtern den Service.
Einfachere Erweiterung:
Platzreserven schaffen Raum für spätere Anpassungen.
Planbare Wartung:
Komponenten bleiben zugänglich und austauschbar.
Rechenbeispiel: Wie viel Luft benötigt der Schaltschrank?
Diese Rechnung ist nur ein Ausgangspunkt. Bei der tatsächlichen Auslegung müssen zusätzlich berücksichtigt werden:
- Filter und deren zunehmende Verschmutzung
- Druckverluste im Schaltschrank
- Anordnung der Ein- und Austrittsöffnungen
- Verlustleistung bei den realen Betriebspunkten
- Aufstellhöhe und Umgebungsbedingungen
- erforderliche Leistungsreserven
- Herstellerangaben zu Mindestabständen und Luftführung
Die Beispielwerte sind angenommene Planungswerte. Die reale Verlustleistung muss aus den technischen Daten der eingesetzten Komponenten und dem erwarteten Betrieb ermittelt werden.
Für einen geplanten Sonderschaltschrank werden folgende Verlustleistungen angenommen:
- Frequenzumrichter: 600 W
- Drossel, Netzteil und weitere Komponenten: 150 W
- gesamte Verlustleistung: 750 W
Die Umgebungstemperatur beträgt maximal 30 °C. Im Schaltschrank sollen 40 °C nicht überschritten werden. Damit steht eine Temperaturdifferenz von 10 Kelvin zur Verfügung.
Der vereinfachte erforderliche Luftvolumenstrom lässt sich berechnen mit:
Luftvolumenstrom ≈ 3 × Verlustleistung ÷ Temperaturdifferenz
Damit ergibt sich:
3 × 750 W ÷ 10 K = 225 m³/h
Unter den vereinfachten Annahmen müsste die Lüftung also mindestens rund 225 m³/h fördern.
Typische Fehler bei der Nachrüstung
Der Schaltschrank wird nur nach dem Bauraum bewertet.
Der Umrichter passt mechanisch hinein, die Verlustwärme kann aber nicht sicher abgeführt werden.
Die bisherige Absicherung wird ungeprüft übernommen.
Schutzgeräte und Abschaltbedingungen passen möglicherweise nicht zum neuen Frequenzumrichter.
Die Stern-Dreieck-Schaltung bleibt im Motorabgang aktiv.
Schaltvorgänge zwischen Umrichter und Motor können zu Störungen oder Schäden führen.
Motor- und Steuerleitungen verlaufen gemeinsam.
Das erhöht das Risiko für Störungen in Sensorik, Kommunikation und Steuerung.
Die Umgebung wird unterschätzt.
Staub, Feuchtigkeit oder hohe Temperaturen passen nicht zur Schutzart und zum Kühlkonzept.
Die Dokumentation wird nicht aktualisiert.
Spätere Wartungen und Fehlersuchen werden unnötig aufwendig und riskant.
Normen: Welche Vorgaben sind relevant?
Welche Normen und Vorschriften gelten, hängt davon ab, ob eine Maschine, eine Niederspannungs-Schaltgerätekombination oder eine andere Anlage verändert wird.
Zu den typischen Grundlagen gehören:
- IEC beziehungsweise DIN EN 61439: Anforderungen an Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen
- IEC beziehungsweise DIN EN 60204-1: Elektrische Ausrüstung von Maschinen
- IEC beziehungsweise DIN EN 61800-3: EMV-Anforderungen an drehzahlveränderbare elektrische Antriebssysteme
- IEC beziehungsweise DIN EN 61800-5-1: Elektrische, thermische und energetische Sicherheitsanforderungen an Antriebssysteme
- einschlägige VDE-, Arbeitsschutz- und Prüfanforderungen
- Montage- und Projektierungsvorgaben der Komponentenhersteller
Die IEC 61439-1 beschreibt allgemeine Anforderungen und Nachweise für Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen. Die IEC 61800-3 behandelt die elektromagnetische Verträglichkeit von Antriebssystemen, während die IEC 61800-5-1 Anforderungen an deren elektrische und thermische Sicherheit festlegt.
Welche Normen im Einzelfall anzuwenden sind und ob durch den Umbau eine neue Konformitätsbewertung erforderlich wird, muss projektbezogen geprüft werden.
Schrittfolge: So gelingt die Nachrüstung
Schritt 1: Bestand aufnehmen
- vorhandene Schaltpläne und Dokumentation prüfen
- Motor-, Netz- und Prozessdaten erfassen
- Schaltschrank, Leitungen und Schutzgeräte bewerten
- Platz, Umgebung und Kühlung dokumentieren
Schritt 2: Applikation und Frequenzumrichter auslegen
- Lastprofil und Regelungsaufgabe bestimmen
- Nenn- und Spitzenstrom bewerten
- Überlast- und Bremsanforderungen festlegen
- Kommunikations- und Sicherheitsfunktionen definieren
Schritt 3: Umbauumfang festlegen
- Stern-Dreieck-Schaltung und Altkomponenten bewerten
- weiter nutzbare Komponenten identifizieren
- Schutz- und Trennkonzept planen
- Umbau und Neubau wirtschaftlich vergleichen
Schritt 4: Schaltschrank planen
- Verlustleistung und Kühlung berechnen
- Leistungs- und Steuerbereiche strukturieren
- Leitungswege und Schirmanschlüsse festlegen
- Service- und Platzreserven einplanen
- Schaltpläne und Stücklisten erstellen
Schritt 5: Aufbauen und prüfen
- Schaltschrank fachgerecht fertigen
- Schutzmaßnahmen und Verdrahtung prüfen
- Frequenzumrichter parametrieren
- Sicherheits- und Prozessfunktionen testen
- Dokumentation aktualisieren
Schritt 6: Anlage in Betrieb nehmen
- Motor- und Prozessdaten kontrollieren
- Drehrichtung und Regelverhalten prüfen
- Strom, Temperatur und Lastverlauf beobachten
- Schutz- und Störfunktionen testen
- Einstellungen und Messwerte dokumentieren
Schnell-Check: Ist Ihre Nachrüstung vollständig geplant?
- Passt der Frequenzumrichter zur Applikation und zum Motor?
- Ist die vorhandene Stern-Dreieck-Schaltung vollständig bewertet?
- Sind Netzsicherung und Hauptschalter geeignet?
- Ist ausreichend Platz für Montage und Wartung vorhanden?
- Kann die Verlustwärme sicher abgeführt werden?
- Entspricht die Schutzart den Umgebungsbedingungen?
- Sind Motor- und Steuerleitungen sauber getrennt?
- Sind Schirmung, Erdung und Potenzialausgleich geplant?
- Werden die zulässigen Motorleitungslängen eingehalten?
- Sind Steuer-, Regel- und Sicherheitssignale definiert?
- Sind spätere Erweiterungen berücksichtigt?
- Werden alle Schaltpläne und Prüfunterlagen aktualisiert?
- Ist der notwendige Stillstand für den Umbau geplant?
- Wurde geprüft, ob Umbau oder Neubau wirtschaftlicher ist?
Wenn mehrere Fragen nicht eindeutig beantwortet werden können, sollte vor der Montage eine vollständige Bestands- und Systemanalyse erfolgen.
Fazit: Die Nachrüstung endet nicht beim Frequenzumrichter
Ein Frequenzumrichter entfaltet seine Vorteile nur, wenn er sicher in die vorhandene Anlage integriert wird. Dazu müssen Leistungsweg, Schutzkonzept, Steuerung, Kühlung und EMV gemeinsam betrachtet werden.
Nicht jede Nachrüstung benötigt einen neuen Sonderschaltschrank. Reichen Platz, Wärmeabfuhr oder vorhandene Struktur jedoch nicht aus, schafft ein individuell aufgebauter Schaltschrank eine klare und zukunftsfähige Lösung.
Der beste Startpunkt ist eine kombinierte Analyse von Applikation, Motor, Netz und bestehendem Schaltschrank. Sie zeigt, welche Komponenten weiterverwendet werden können, wie groß der Umbau tatsächlich wird und ob Anpassung oder Neubau die wirtschaftlichere Lösung ist.