Frequenzumrichter und Sanftanlasser erzeugen im Betrieb erhebliche Wärmemengen. Überhitzung im Schaltschrank ist eine der häufigsten Ursachen für FU-Ausfälle. Eine korrekte Wärmeableitung ist deshalb kein Komfort, sondern Systemvoraussetzung.
Verlustleistung von Frequenzumrichtern
Moderne FU haben Wirkungsgrade von 97–99 %. Die Verlustleistung berechnet sich:
P_Verlust = P_Motor × (1 – η_FU)
Für einen 22-kW-FU mit η = 98 %: P_Verlust = 22.000 × 0,02 = 440 W
| FU-Leistung | Typische Verluste (W) | Richtgröße |
|---|---|---|
| 4 kW | 80–120 W | 2–3 % von P_N |
| 11 kW | 200–280 W | 2 % |
| 22 kW | 380–480 W | 2 % |
| 55 kW | 900–1.200 W | 1,8–2 % |
| 110 kW | 1.600–2.200 W | 1,5–2 % |
Hinzu kommen Verluste von Schützen, Sicherungen, Leitungsschutzschaltern und Transformatoren – bei voll bestückten Schaltschränken summieren sich die Verluste schnell auf 2–5 kW.
Wärmebilanz des Schaltschranks
Die Innentemperatur eines Schaltschranks ergibt sich aus:
T_Innen = T_Aussen + P_Verlust / k_gesamt
wobei k_gesamt der gesamte Wärmedurchgangskoeffizient ist (Wärmeableitung durch Wände, Dach, Boden in W/K).
Für einen geschlossenen Stahlschrank (0,5 m × 0,5 m × 1,8 m Außenmaß, Gesamtfläche ca. 4,4 m²):
k_Stahl ≈ 5,5 W/(m² × K) → k_gesamt = 5,5 × 4,4 = 24 W/K
Bei P_Verlust = 800 W und T_Aussen = 35 °C: T_Innen = 35 + 800/24 = 35 + 33 = 68 °C!
Das ist deutlich über der maximalen FU-Innentemperatur (typisch 40 °C Umgebung zulässig) – aktive Kühlung ist nötig.
Kühlungsmethoden im Vergleich
| Methode | Kühlung (W) | Schutzart | Kosten |
|---|---|---|---|
| Natürliche Konvektion | 10–30 W pro m² Schaltschrankfläche | IP54+ | Keine |
| Lüfter + Filter (intern) | 100–500 W je nach Lüftergröße | IP43 (mit Filter IP54) | Gering |
| Wärmetauscher Luft-Luft | 200–800 W | IP54–IP65 | Mittel |
| Wärmetauscher Luft-Wasser | 500–5.000 W | IP54–IP65 | Mittel-hoch |
| Klimagerät (Schrankkühler) | 300–4.000 W | IP54–IP55 | Hoch |
FU-Derating bei erhöhter Umgebungstemperatur
Die meisten FU sind für maximal 40 °C Umgebungstemperatur ausgelegt. Bei höheren Temperaturen muss die Ausgangsleistung reduziert werden (Derating):
| Umgebungstemperatur | Derating-Faktor | Effektive Leistung (22-kW-FU) |
|---|---|---|
| 40 °C | 100 % | 22 kW |
| 45 °C | 95 % | 20,9 kW |
| 50 °C | 87 % | 19,1 kW |
| 55 °C | 78 % | 17,2 kW |
| 60 °C | 68 % | 15 kW |
Bei 50 °C Innentemperatur liefert ein 22-kW-FU also effektiv nur noch 19 kW – das kann bei ausgelasteten Anlagen zu Auslösungen führen.
Auslegungsempfehlung
- Gesamtverlustleistung aller Schaltschrankkomponenten addieren
- Umgebungstemperatur am Aufstellort bestimmen (auch Sommermaximum!)
- Zulässige Innentemperatur: 10 K unter der Derating-Grenze des empfindlichsten Geräts (typisch 35 °C)
- Erforderliche Kühlleistung: Q_Kühl = P_Verlust – Q_Konvektion
- Passende Kühlmethode auswählen und überdimensionieren (Reservefaktor 1,2–1,5)
Fazit
Schaltschrank-Thermomanagement ist kein Thema, das man dem Zufall überlassen sollte. Eine einfache Überschlagsrechnung vor der Installation verhindert teure Ausfälle durch thermische Überlastung. Besonders in Industriegebäuden ohne Klimatisierung, wo Umgebungstemperaturen im Sommer 35–40 °C erreichen, ist aktive Schaltschrankkühlung fast immer nötig.