Frequenzwandler für 50/60-Hz-Prüfungen auswählen: Spannung, Frequenz und Lastart richtig dimensionieren

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Ein elektrisches Gerät für 60 Hz lässt sich in Deutschland nicht allein dadurch realistisch prüfen, dass die Netzspannung von 230 V zur Verfügung steht. Für einen reproduzierbaren Funktionstest müssen Spannung, Frequenz, Ausgangsleistung und Qualität der Wechselspannung zur tatsächlichen Anwendung des Prüflings passen.

Besonders wichtig ist dabei die Unterscheidung zwischen:

• 50 Hz und 60 Hz,
• 120 V und 230 V,
• Wirkleistung in W und Scheinleistung in VA,
• ohmschen, induktiven und nichtlinearen Lasten,
• Dauerleistung und kurzzeitig erforderlicher Spitzenleistung.

Ein Heizwiderstand mit 500 W stellt an eine Prüfversorgung beispielsweise völlig andere Anforderungen als ein 500-W-Motor, ein Transformator oder ein elektronisches Netzteil mit hohem Einschaltstrom.

Für eine belastbare 50-/60-Hz-Prüfung sollte die Quelle deshalb nicht nur die gewünschte Frequenz erzeugen, sondern auch die benötigte Spannung, den erforderlichen Ausgangsstrom, den Anlauf- beziehungsweise Einschaltstrom und eine ausreichend saubere Sinusform unter realer Last bereitstellen.

Passende Lösungen finden Sie unter Stromversorgung bei ICS Schneider sowie unter Wechselrichter und Frequenzwandler. Zur Kontrolle von Spannung, Strom, Leistung und Frequenz eignen sich außerdem Messgeräte für den Schaltschrankbau.

Warum sind 50-Hz- und 60-Hz-Prüfungen überhaupt notwendig?

Elektrische Netze arbeiten weltweit nicht mit derselben Frequenz.

In Deutschland und großen Teilen Europas beträgt die Netzfrequenz:

50 Hz

.

In anderen Regionen, beispielsweise in Nordamerika, sind dagegen:

60 Hz

üblich.

Für rein elektronische Geräte

kann dieser Unterschied häufig unkritisch sein, wenn das Netzteil ausdrücklich für:

50 / 60 Hz

ausgelegt ist.

Bei elektromechanischen und magnetischen Geräten

kann die Frequenz dagegen direkten Einfluss haben auf:

• Drehzahl,
• magnetische Flussdichte,
• Stromaufnahme,
• Verlustleistung,
• Erwärmung,
• Geräusch,
• Vibration,
• Funktion von Zeit- und Synchronantrieben.

Wer ein Produkt für unterschiedliche internationale Netze entwickelt, produziert oder wartet, benötigt deshalb häufig eine definierte 50-/60-Hz-Prüfversorgung.

60 Hz bedeutet nicht automatisch 120 V

Eine der häufigsten Verwechslungen besteht darin, Frequenz und Netzspannung unmittelbar miteinander gleichzusetzen.

Ein Prüfling mit:

60 Hz

benötigt nicht automatisch:

120 V

.

Beispiele möglicher Nennwerte

Je nach Zielmarkt können Geräte beispielsweise ausgelegt sein für:

• 100 V / 50 oder 60 Hz,
• 110 V / 60 Hz,
• 115 V / 60 Hz,
• 120 V / 60 Hz,
• 220 V / 60 Hz,
• 230 V / 50 oder 60 Hz,
• 240 V / 60 Hz.

Die korrekte Prüfversorgung muss deshalb immer anhand des:

• Typenschildes,
• Datenblattes,
• Schaltplanes,
• vorgesehenen Absatzmarktes

definiert werden.

Für eine realistische Prüfung müssen Spannung und Frequenz unabhängig voneinander richtig eingestellt sein.

Frequenzwandler, Wechselrichter oder programmierbare AC-Quelle?

Unter dem Begriff Frequenzwandler werden in der Praxis unterschiedliche Geräte verstanden.

Programmierbare AC-Quelle

Eine klassische AC-Prüfquelle nimmt Netzspannung auf und erzeugt daraus eine definierte Wechselspannung mit einstellbarer:

• Spannung,
• Frequenz,
• gegebenenfalls Phase,
• gegebenenfalls Kurvenform.

Sie ist besonders geeignet, wenn unterschiedliche internationale Netzbedingungen reproduziert werden sollen.

DC/AC-Wechselrichter

Ein Wechselrichter erzeugt aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung.

Beispielsweise:

24 V DC → 230 V AC / 60 Hz

.

Ein solcher Aufbau eignet sich ebenfalls für 50-/60-Hz-Prüfungen, benötigt jedoch eine ausreichend leistungsfähige DC-Versorgung oder Batterie auf der Eingangsseite.

Motor-Frequenzumrichter

Ein Frequenzumrichter für Drehstrommotoren ist dagegen nicht automatisch eine geeignete universelle 230-V-Prüfversorgung.

Sein Ausgang ist speziell für Motoren ausgelegt und besteht typischerweise aus einer pulsweitenmodulierten Spannung.

Er sollte daher nicht ohne Prüfung zur Versorgung beliebiger:

• Netzteile,
• Transformatoren,
• Messgeräte,
• Haushaltsgeräte,
• Prüflinge mit Netzfiltern

verwendet werden.

Für allgemeine Geräteprüfungen ist eine definierte sinusförmige AC-Ausgangsspannung in der Regel wesentlich besser geeignet als der PWM-Ausgang eines Motor-Frequenzumrichters.

W, VA und Leistungsfaktor richtig unterscheiden

Bei Wechselstromgeräten genügt es nicht immer, ausschließlich die Leistung in Watt zu betrachten.

Scheinleistung

Für ein einphasiges System gilt:

S = U · I

mit:

• S = Scheinleistung in VA,
• U = Effektivspannung in V,
• I = Effektivstrom in A.

Wirkleistung

Bei sinusförmigen Größen kann vereinfacht geschrieben werden:

P = U · I · cos φ

.

Allgemeiner wird bei nichtlinearen Lasten der Leistungsfaktor:

PF = P / S

verwendet.

Beispiel

Ein Prüfling nimmt auf:

600 W

bei einem Leistungsfaktor von:

0,75

.

Die benötigte Scheinleistung beträgt ungefähr:

S = 600 W / 0,75

also:

800 VA

.

Eine Quelle, die lediglich anhand der 600 W ausgewählt wurde, kann deshalb bereits zu klein sein.

Wie viel Leistungsreserve sollte vorgesehen werden?

Eine Prüfquelle sollte im Normalbetrieb nicht permanent unmittelbar an ihrer maximalen Ausgangsleistung betrieben werden.

Reserve wird benötigt für

• Einschaltstrom,
• Motoranlauf,
• kurzzeitige Lastsprünge,
• schlechten Leistungsfaktor,
• nichtlineare Stromaufnahme,
• Temperatur-Derating,
• spätere größere Prüflinge.

Wie groß diese Reserve sein muss, hängt stark von der Last ab.

Bei einer ruhigen ohmschen Last

kann eine moderate Reserve ausreichend sein.

Bei Motoren oder Transformatoren

kann dagegen eine deutlich höhere kurzzeitige Überlastfähigkeit entscheidend sein.

Die Spitzenleistung des Frequenzwandlers muss immer gemeinsam mit der zulässigen Dauer und dem maximal bereitstellbaren Ausgangsstrom betrachtet werden.

Welche Lastarten müssen unterschieden werden?

Für die Dimensionierung einer 50-/60-Hz-Prüfversorgung sollten mindestens vier Lastgruppen unterschieden werden:

Lastart	Typisches Verhalten	Wichtig für die Auslegung
Ohmsch	Strom annähernd proportional zur Spannung	Dauerleistung
Motorisch / induktiv	Blindleistung und hoher Anlaufstrom möglich	VA, Spitzenstrom, V/f
Transformatorisch	Magnetisierungsstrom und Einschaltstrom	Frequenz, V/f, Spitzenleistung
Elektronisch / nichtlinear	Stromspitzen um Spannungsscheitel	Crest-Faktor, THD, Spitzenstrom

Ohmsche Lasten

Ohmsche Lasten sind für eine Prüfversorgung meist vergleichsweise unkompliziert.

Dazu gehören beispielsweise:

• Heizwiderstände,
• klassische Heizplatten,
• bestimmte Glühlampen,
• Widerstandslasten.

Der Leistungsfaktor liegt hier näherungsweise bei:

1

.

Damit entsprechen sich Wirk- und Scheinleistung annähernd.

Beispiel

Eine 1.000-W-Heizung an:

230 V

benötigt ungefähr:

I = 1000 W / 230 V ≈ 4,35 A

.

Hier lässt sich die erforderliche Dauerleistung relativ direkt bestimmen.

Motoren und andere induktive Lasten

Bei Elektromotoren ist die reine Nennleistung des Motors für die Auswahl der Prüfquelle nicht ausreichend.

Ein Motor benötigt zusätzlich

• Magnetisierungsstrom,
• Blindleistung,
• Anlaufstrom,
• kurzzeitig erhöhtes Drehmoment.

Besonders beim direkten Einschalten kann der Strom ein Mehrfaches des späteren Betriebsstromes erreichen.

Die Prüfquelle muss diesen Strom bereitstellen können

Andernfalls kann:

• die Ausgangsspannung einbrechen,
• die Überlastabschaltung ansprechen,
• der Motor nicht beschleunigen,
• ein wiederholter Startversuch entstehen.

Ein Wechselrichter mit beispielsweise:

1.000 W Dauerleistung

ist deshalb nicht automatisch für jeden Motor mit:

1.000 W Nennleistung

geeignet.

Transformatoren bei 50 und 60 Hz

Transformatorische Lasten reagieren besonders auf das Verhältnis von Spannung und Frequenz.

Vereinfacht ist der magnetische Fluss proportional zu:

V / f

.

Ein für 60 Hz ausgelegter Transformator an 50 Hz

erfährt bei gleicher Spannung ein höheres V/f-Verhältnis.

Dadurch kann die magnetische Flussdichte steigen.

Je nach Konstruktion können die Folgen sein:

• höherer Magnetisierungsstrom,
• stärkere Erwärmung,
• Brummen,
• Annäherung an magnetische Sättigung.

Von 50 Hz auf 60 Hz

ist das V/f-Verhältnis bei gleicher Spannung dagegen kleiner.

Die magnetische Belastung des Kerns wird dadurch grundsätzlich geringer.

Bei Transformatoren sollte deshalb immer geprüft werden, welche Kombination aus Spannung und Frequenz vom Hersteller tatsächlich freigegeben ist.

Elektronische Netzteile und nichtlineare Lasten

Moderne elektronische Geräte enthalten häufig:

• Brückengleichrichter,
• Zwischenkreiskondensatoren,
• Schaltnetzteile,
• PFC-Stufen.

Ihre Stromaufnahme kann deutlich von einer Sinusform abweichen.

Ein einfaches Netzteil ohne aktive PFC

zieht beispielsweise einen großen Teil des Eingangsstromes in der Nähe der Spannungsscheitel.

Dadurch entstehen:

• hohe Stromspitzen,
• höherer Crest-Faktor,
• Oberwellen,
• stärkere Belastung der Ausgangsstufe.

Die reine Wirkleistung des Prüflings beschreibt diese Belastung nur unvollständig.

Deshalb beachten

Bei elektronischen Lasten sind insbesondere:

• Scheinleistung,
• Spitzenstromfähigkeit,
• zulässiger Crest-Faktor,
• Ausgangsimpedanz der Quelle

relevant.

Anlauf- und Einschaltstrom berücksichtigen

Viele Prüflinge besitzen nur für wenige Millisekunden oder Sekunden einen erheblich höheren Strom als im stationären Betrieb.

Typische Beispiele

• Motoren beim Start,
• Transformatoren beim Einschalten,
• Schaltnetzteile beim Laden des Zwischenkreises,
• Kompressoren und Pumpen.

Die Prüfquelle muss für diesen Zeitraum ausreichend Energie liefern können.

Wichtig ist nicht nur die Spitzenleistung

Im Datenblatt sollte geprüft werden:

• wie hoch die Spitzenleistung ist,
• wie lange sie zur Verfügung steht,
• welcher maximale Ausgangsstrom erlaubt ist,
• wie die Überlastabschaltung reagiert.

Ein Gerät mit hoher Spitzenleistung für wenige Millisekunden kann beispielsweise trotzdem ungeeignet sein, wenn ein Motor mehrere Sekunden zum Hochlaufen benötigt.

Warum ist das Verhältnis V/f wichtig?

Bei magnetischen Verbrauchern ist die Frequenz nicht unabhängig von der Spannung zu betrachten.

Beispiel

Ein Gerät wird bei:

230 V / 50 Hz

betrieben.

Das Verhältnis beträgt:

230 / 50 = 4,6 V/Hz

.

Bei:

230 V / 60 Hz

beträgt es nur:

230 / 60 ≈ 3,83 V/Hz

.

Umgekehrt ist der kritischere Fall möglich

Ein ausschließlich für:

230 V / 60 Hz

ausgelegtes magnetisches Gerät wird mit:

230 V / 50 Hz

betrieben.

Das V/f-Verhältnis steigt dann gegenüber dem Auslegungszustand um rund:

20 %

.

Das kann für Motoren und Transformatoren erheblich sein.

Wie verändert die Frequenz die Motordrehzahl?

Die synchrone Drehzahl eines Drehfeldes hängt direkt von der Netzfrequenz und der Polzahl ab.

Vereinfacht gilt:

ns = 120 · f / p

mit:

• ns = Synchrondrehzahl in min⁻¹,
• f = Frequenz in Hz,
• p = Polzahl.

Vierpoliger Motor bei 50 Hz

ns = 1500 min⁻¹

Vierpoliger Motor bei 60 Hz

ns = 1800 min⁻¹

Die tatsächliche Drehzahl eines Asynchronmotors liegt aufgrund des Schlupfes etwas darunter.

Das kann die komplette Maschine beeinflussen

Eine höhere Drehzahl verändert beispielsweise bei:

• Pumpen,
• Ventilatoren,
• Kompressoren

nicht nur die Drehzahl, sondern auch den mechanischen Arbeitspunkt und die Leistungsaufnahme.

Deshalb darf ein 50-Hz-Motor nicht allein aufgrund der elektrischen Spannungsverträglichkeit automatisch bei 60 Hz betrieben werden.

Warum ist die Ausgangswellenform wichtig?

Die öffentliche Netzspannung ist näherungsweise sinusförmig.

Für einen realistischen Gerätetest sollte die Prüfquelle deshalb ebenfalls eine möglichst saubere Sinusform bereitstellen.

Bei stark verzerrter Ausgangsspannung

können sich verändern:

• Stromaufnahme,
• Motorverluste,
• Transformatorerwärmung,
• Geräuschentwicklung,
• Netzteilverhalten,
• EMV-Verhalten.

Rein-Sinus-Wechselrichter

sind deshalb für allgemeine Geräteprüfungen wesentlich besser geeignet als einfache Wechselrichter mit:

• Rechteckspannung,
• modifiziertem Sinus,
• stark verzerrter Ausgangswellenform.

THD und Oberwellen richtig bewerten

Die Qualität einer AC-Ausgangsspannung wird häufig über den Gesamtoberschwingungsgehalt beschrieben.

THD steht für:

Total Harmonic Distortion

.

Je niedriger die Spannungs-THD

desto stärker entspricht die Ausgangsspannung einer idealen Sinusform.

Für einfache Funktionsprüfungen kann eine moderate Verzerrung ausreichend sein.

Bei Untersuchungen von:

• Leistungsaufnahme,
• Wirkungsgrad,
• Erwärmung,
• Geräusch,
• EMV,
• Netzqualität

kann die Ausgangsqualität dagegen unmittelbar das Prüfergebnis beeinflussen.

Wie genau muss die Ausgangsfrequenz sein?

Die erforderliche Frequenzgenauigkeit hängt von der Prüfaufgabe ab.

Ein reiner Funktionstest

kann beispielsweise nur prüfen:

Funktioniert das Gerät grundsätzlich an 60 Hz?

Hier ist häufig keine extrem hohe Frequenzgenauigkeit erforderlich.

Eine messtechnische Charakterisierung

kann dagegen untersuchen:

• Drehzahländerung,
• Leistungsverhalten,
• Frequenzabhängigkeit,
• Grenzwerte bei 59 oder 61 Hz.

Dann muss die Frequenzquelle deutlich genauer und gegebenenfalls kontinuierlich einstellbar sein.

Auch der benötigte Frequenzbereich ist wichtig

Für reine 50-/60-Hz-Umschaltung genügt eine Quelle mit diesen beiden festen Frequenzen.

Für Entwicklungs- und Grenzwertprüfungen kann dagegen beispielsweise ein Bereich von:

47 … 63 Hz

wesentlich flexibler sein.

Ausgangsspannung unter Last kontrollieren

Eine eingestellte Ausgangsspannung ist nur dann aussagekräftig, wenn sie auch unter realer Last stabil bleibt.

Beim Einschalten einer großen Last

kann eine unterdimensionierte Quelle beispielsweise von:

230 V

kurzzeitig stark einbrechen.

Der Prüfling wird dann nicht unter den vorgesehenen Netzbedingungen getestet.

Deshalb sollte die Ausgangsspannung gemessen werden

und zwar:

• im Leerlauf,
• im stationären Betrieb,
• während des Einschaltens,
• bei maximaler Prüfbelastung.

Für schnelle Spannungseinbrüche kann zusätzlich ein Oszilloskop beziehungsweise ein geeigneter Power-Quality-Recorder sinnvoll sein.

Schutzleiter, Neutralleiter und Ausgangstopologie beachten

Bei einer Prüfversorgung muss nicht nur Spannung und Frequenz richtig sein.

Auch die Schutzmaßnahme muss zum Prüfaufbau passen.

Bei Wechselrichtern kann der Ausgang je nach Bauart

• galvanisch getrennt,
• erdfrei,
• mit definiertem Neutralleiterbezug,
• herstellerseitig anders verschaltet

sein.

Ob und an welcher Stelle ein Ausgangsleiter mit Schutzleiter beziehungsweise Erde verbunden werden darf, muss anhand der Herstellerangaben und des vorgesehenen Schutzkonzeptes beurteilt werden.

Eine beliebige nachträgliche Verbindung von Neutralleiter und PE am Wechselrichterausgang kann Schutzfunktionen verändern und darf nicht ohne Kenntnis der Ausgangstopologie erfolgen.

Am Prüfplatz zusätzlich berücksichtigen

• Schutzleiterprüfung,
• Absicherung,
• Fehlerstromschutz,
• Not-Aus,
• Berührungsschutz,
• geeignete Steckverbinder.

Welche Größen sollten beim Test gemessen werden?

Für eine qualifizierte 50-/60-Hz-Prüfung sollten je nach Anwendung mindestens kontrolliert werden:

• Ausgangsspannung,
• Frequenz,
• Stromaufnahme,
• Wirkleistung,
• Scheinleistung,
• Leistungsfaktor.

Bei anspruchsvolleren Prüfungen zusätzlich

• Spannungs-THD,
• Strom-THD,
• Crest-Faktor,
• Einschaltstrom,
• Spannungseinbruch,
• Temperatur des Prüflings,
• Drehzahl bei Motoren.

Geeignete Messgeräte finden Sie unter Messgeräte für den Schaltschrankbau bei ICS Schneider.

Praxisbeispiel: 230-V-Gerät bei 60 Hz prüfen

Ein europäischer Hersteller entwickelt ein Gerät für einen Exportmarkt.

Das Typenschild soll später angeben:

220 … 240 V AC, 50/60 Hz

.

In Deutschland steht im Labor jedoch nur:

230 V / 50 Hz

zur Verfügung.

Prüfziel

Das Gerät soll zusätzlich unter:

230 V / 60 Hz

getestet werden.

Geeignete Prüfversorgung

Die Quelle muss:

• 230 V AC bereitstellen,
• 60 Hz erzeugen,
• die maximale Scheinleistung des Prüflings liefern,
• Einschaltstrom verkraften,
• eine geeignete Sinusqualität bereitstellen.

Während der Prüfung

werden beispielsweise verglichen:

Messgröße	50-Hz-Betrieb	60-Hz-Betrieb
Eingangsspannung	230 V	230 V
Frequenz	50 Hz	60 Hz
Stromaufnahme	messen	messen
Wirkleistung	messen	messen
Temperatur	messen	messen
Funktion	bewerten	bewerten

Damit lässt sich nicht nur die grundsätzliche Funktion, sondern auch eine Veränderung der elektrischen Belastung erkennen.

Praxisbeispiel: 120-V-/60-Hz-Gerät in Deutschland prüfen

Ein importiertes Gerät ist ausschließlich ausgelegt für:

120 V / 60 Hz

.

Der direkte Anschluss an das deutsche Netz mit:

230 V / 50 Hz

ist nicht zulässig.

Ein einfacher Transformator löst nur einen Teil des Problems

Ein Transformator kann beispielsweise:

230 V → 120 V

umsetzen.

Die Frequenz bleibt jedoch:

50 Hz

.

Für eine echte 120-V-/60-Hz-Prüfung

muss die Prüfquelle deshalb sowohl:

• die Spannung auf 120 V bringen

als auch:

• 60 Hz erzeugen.

Eine entsprechend einstellbare AC-Quelle beziehungsweise ein geeigneter Wechselrichter kann diese Kombination bereitstellen.

Praxisbeispiel: 50-/60-Hz-Motor

Ein Motor trägt folgende Kennzeichnung:

230 V / 50 Hz

.

Er soll versuchsweise an:

60 Hz

betrieben werden.

Zunächst reicht die Betrachtung der Spannung nicht aus

Es müssen mindestens geprüft werden:

• zulässige Frequenz laut Hersteller,
• zulässige Drehzahl,
• mechanische Belastung,
• Lüfter- beziehungsweise Pumpenkennlinie,
• V/f-Verhältnis,
• Stromaufnahme,
• Temperatur.

Die synchrone Drehzahl steigt um 20 %

beim Wechsel von:

50 Hz → 60 Hz

.

Eine angeschlossene Pumpe oder ein Lüfter kann deshalb einen völlig anderen Arbeitspunkt erreichen.

Die elektrische Versorgung allein entscheidet nicht darüber, ob der Betrieb zulässig ist.

Typische Fehler bei 50-/60-Hz-Prüfungen

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
60-Hz-Gerät läuft am Prüfplatz nicht korrekt	nur Spannung angepasst, Frequenz weiterhin 50 Hz	Ausgangsfrequenz messen
Prüfquelle schaltet beim Einschalten ab	Einschalt- oder Anlaufstrom zu hoch	Spitzenstrom messen und Überlastfähigkeit prüfen
230 V brechen beim Motorstart stark ein	Quelle zu klein dimensioniert	Spannungsverlauf während Start aufzeichnen
Transformator wird bei 50 Hz ungewöhnlich warm	V/f-Verhältnis höher als vorgesehen	Typenschild und zulässige Frequenz prüfen
Motor dreht bei 60 Hz deutlich schneller	frequenzabhängige Drehfelddrehzahl	Drehzahl und mechanische Freigabe prüfen
Wechselrichter hat genügend Watt, schaltet trotzdem ab	Scheinleistung oder Spitzenstrom überschritten	VA, PF und Anlaufstrom prüfen
Elektronisches Netzteil erzeugt hohe Stromspitzen	nichtlineare Gleichrichterlast	Crest-Faktor und Spitzenstrom messen
Motor brummt ungewöhnlich	ungeeignete Ausgangswellenform oder V/f-Bedingung	Spannungsform und Frequenz prüfen
Messgerät zeigt falsche Leistung	nicht sinusförmiger Strom und ungeeignetes Messverfahren	True-RMS-/Leistungsmessgerät verwenden
120-V-Gerät wurde über Transformator gespeist, verhält sich aber anders als in den USA	Spannung 120 V, Frequenz weiterhin 50 Hz	echte 60-Hz-Quelle einsetzen
Quelle funktioniert im Leerlauf, nicht unter Last	Dauerstrom beziehungsweise Ausgangsimpedanz unzureichend	Spannung und Strom unter Nennlast messen
RCD beziehungsweise Schutzkonzept funktioniert nicht wie erwartet	abweichende Ausgangstopologie des Wechselrichters	Herstellerangaben zu Neutralleiter, PE und Isolation prüfen

Frequenzwandler systematisch auswählen

1. Prüfling identifizieren: Typenschild und Datenblatt prüfen.
2. Nennspannung bestimmen: Beispielsweise 120 V, 230 V oder 240 V.
3. Frequenz festlegen: 50 Hz, 60 Hz oder variabler Bereich.
4. Lastart bestimmen: Ohmsch, motorisch, transformatorisch oder elektronisch.
5. Dauerleistung ermitteln: Wirkleistung in W bestimmen.
6. Stromaufnahme bestimmen: Nennstrom kontrollieren.
7. Scheinleistung ermitteln: VA beziehungsweise Leistungsfaktor berücksichtigen.
8. Einschaltstrom prüfen: Herstellerwert verwenden oder messtechnisch erfassen.
9. Spitzenleistung der Quelle prüfen: Höhe und zulässige Dauer vergleichen.
10. Leistungsreserve vorsehen: Quelle nicht unnötig am Dauerlimit betreiben.
11. Ausgangswellenform prüfen: Für allgemeine Gerätetests Rein-Sinus bevorzugen.
12. THD berücksichtigen: Besonders bei präzisen Leistungs- und Erwärmungsprüfungen.
13. Frequenzgenauigkeit festlegen: Funktionsprüfung oder messtechnische Charakterisierung unterscheiden.
14. Spannungsregelung prüfen: Ausgangsspannung muss auch unter Last stabil bleiben.
15. Bei Motoren V/f prüfen: Zulässige Spannung und Frequenz gemeinsam bewerten.
16. Bei Motoren Drehzahl beachten: Mechanische Auswirkungen berücksichtigen.
17. Bei Transformatoren Magnetisierung beachten: Betrieb unterhalb der Nennfrequenz kritisch prüfen.
18. Eingangsversorgung klären: AC-AC-Prüfquelle oder DC/AC-Wechselrichter unterscheiden.
19. Bei DC/AC-Wechselrichter DC-Seite auslegen: Batterie beziehungsweise Netzgerät und Leitungsquerschnitt berücksichtigen.
20. Schutzkonzept prüfen: PE, Neutralleiter, Absicherung und RCD entsprechend der Ausgangstopologie auslegen.
21. Geeignete Messgeräte vorsehen: Spannung, Strom, Frequenz und Leistung kontrollieren.
22. Prüfablauf dokumentieren: Spannung, Frequenz, Last und Grenzwerte eindeutig festlegen.
23. Erst anschließend Prüfquelle auswählen: Nicht ausschließlich anhand der Wattangabe entscheiden.

Passende Wechselrichter und Frequenzwandler bei ICS Schneider

COTEK SP-Serie – 50/60-Hz-Rein-Sinus-Wechselrichter von 700 bis 4.000 W

Die COTEK SP-Serie umfasst industrielle Rein-Sinus-Wechselrichter für Anwendungen mit 12-, 24- beziehungsweise 48-V-DC-Versorgung.

Je nach Ausführung stehen unter anderem zur Verfügung:

• Dauerleistungen von 700 bis 4.000 W,
• Ausgangsspannungen 200 / 220 / 230 / 240 V AC,
• 50 oder 60 Hz wählbar,
• Rein-Sinus-Ausgang,
• THD < 5 % bei normaler Last,
• RS-232-Kommunikation,
• Schutz gegen Unterspannung, Überspannung, Übertemperatur, Überlast und Kurzschluss.

Damit kann die SP-Serie unter anderem interessant sein, wenn ein Prüfling aus einer vorhandenen:

12 / 24 / 48 V DC

Versorgung wahlweise mit 50 oder 60 Hz betrieben werden soll.

Wichtig: Es handelt sich um einen DC/AC-Wechselrichter. Für einen Prüfplatz, der ausschließlich aus dem deutschen 230-V-/50-Hz-Netz versorgt wird, ist daher zusätzlich eine geeignete DC-Versorgung erforderlich.

COTEK SR-Serie – einstellbare Frequenz von 47 bis 63 Hz

Für Anwendungen, bei denen nicht nur zwischen zwei festen Frequenzen umgeschaltet werden soll, bietet die COTEK SR-Serie zusätzliche Flexibilität.

Der SR1000 ist als 19″-Rack-Wechselrichter mit:

• 1.000 W Nennleistung,
• 24-V- oder 48-V-DC-Eingang,
• einstellbarer Ausgangsspannung von 194 bis 246 V AC,
• einstellbarer Ausgangsfrequenz von 47 bis 63 Hz,
• Rein-Sinus-Ausgang mit THD < 2 %,
• RS-232-Kommunikation,
• potentialfreiem Alarmkontakt

ausgeführt.

Damit eignet sich die Serie besonders für Prüf- und Versorgungssituationen, bei denen innerhalb des klassischen 50-/60-Hz-Bereichs unterschiedliche Frequenzen benötigt werden.

Welche Serie für welche Aufgabe?

Anforderung	Geeigneter Ansatz
Feste Umschaltung 50 / 60 Hz	COTEK SP-Serie
Frequenz innerhalb 47 … 63 Hz variieren	COTEK SR-Serie
Leistungen deutlich über 1 kW	je nach Anforderung SP-Serie bis 4.000 W
Besonders geringe Ausgangsverzerrung	SR-Serie mit THD < 2 %
Direkter AC-AC-Betrieb aus 230 V / 50 Hz	spezielle AC-Prüfquelle beziehungsweise AC-AC-Frequenzwandler prüfen
120 V / 60 Hz benötigt	Ausgangsspannungsbereich des konkreten Gerätes vor Auswahl prüfen

Weitere Lösungen finden Sie unter Wechselrichter und Frequenzwandler bei ICS Schneider.

Fazit

Eine zuverlässige 50-/60-Hz-Prüfversorgung muss deutlich mehr können, als lediglich eine andere Frequenz bereitzustellen.

Spannung und Frequenz müssen separat betrachtet werden

60 Hz bedeutet nicht automatisch 120 V. Maßgeblich sind Typenschild, Zielmarkt und Herstellerangaben des Prüflings.

Watt allein reichen zur Dimensionierung nicht aus

Bei Wechselstromlasten müssen auch Scheinleistung, Leistungsfaktor und Ausgangsstrom berücksichtigt werden.

Motoren benötigen ausreichend Anlaufreserve

Eine Quelle, die die Motor-Nennleistung gerade eben erreicht, kann beim Start bereits abschalten.

Transformatoren reagieren auf das Verhältnis von Spannung und Frequenz

Insbesondere der Betrieb eines 60-Hz-Gerätes bei gleicher Spannung an 50 Hz kann zu einer höheren magnetischen Belastung führen.

Die Frequenz beeinflusst die Motordrehzahl

Bei einem Wechsel von 50 auf 60 Hz steigt die synchrone Drehzahl um 20 %.

Elektronische Lasten können hohe Stromspitzen erzeugen

Wirkleistung allein bildet die Belastung der AC-Quelle deshalb nicht vollständig ab.

Für allgemeine Geräteprüfungen ist eine saubere Sinusform wichtig

Modifizierter Sinus oder ein PWM-Motorausgang können ein anderes Geräteverhalten erzeugen als eine reale Netzversorgung.

DC/AC-Wechselrichter und AC/AC-Prüfquellen unterscheiden

Ein 24-V-DC-/230-V-AC-Wechselrichter kann eine hervorragende 60-Hz-Quelle darstellen, benötigt aber eine geeignete DC-Versorgung auf der Eingangsseite.

Die Schutzmaßnahme gehört ebenfalls zum Prüfaufbau

Neutralleiter, Schutzleiter, Isolation und Fehlerstromschutz müssen zur Ausgangstopologie der verwendeten Quelle passen.

Für die Praxis gilt

Typenschild des Prüflings prüfen → Nennspannung und Frequenz separat festlegen → Lastart bestimmen → Wirk- und Scheinleistung ermitteln → Leistungsfaktor und Einschaltstrom berücksichtigen → ausreichende Dauer- und Spitzenleistungsreserve vorsehen → bei Motoren und Transformatoren V/f-Verhältnis prüfen → benötigte Frequenzgenauigkeit festlegen → Rein-Sinus-Ausgang und THD bewerten → Ausgangsspannung unter realer Last kontrollieren → Schutzleiter- und Neutralleiterkonzept prüfen → Spannung, Strom, Frequenz und Leistung während der Prüfung messen → erst danach Frequenzwandler beziehungsweise Wechselrichter auswählen.

FAQ: Frequenzwandler für 50- und 60-Hz-Prüfungen

Kann ich ein 60-Hz-Gerät in Deutschland testen?

Ja. Dafür wird eine geeignete Prüfversorgung benötigt, die die vom Gerät erforderliche Spannung bei 60 Hz bereitstellt.

Kann ich ein 60-Hz-Gerät einfach an 50 Hz anschließen?

Nur wenn der Hersteller den Betrieb bei 50 Hz ausdrücklich freigibt. Besonders bei Motoren und Transformatoren kann die Frequenz einen erheblichen Einfluss haben.

Bedeutet 60 Hz automatisch 120 V?

Nein. Spannung und Frequenz sind voneinander unabhängig. Es gibt beispielsweise Geräte für 120 V / 60 Hz ebenso wie Geräte für 230 V / 60 Hz.

Kann ein Transformator aus 50 Hz einfach 60 Hz machen?

Nein. Ein konventioneller Transformator verändert die Spannung, aber nicht die Netzfrequenz.

Wie erzeuge ich aus 230 V / 50 Hz eine 60-Hz-Prüfspannung?

Dafür wird eine entsprechende AC-Prüfquelle beziehungsweise ein Frequenzwandler benötigt. Alternativ kann eine DC-Versorgung mit einem geeigneten DC/AC-Wechselrichter kombiniert werden.

Kann ich einen normalen Motor-Frequenzumrichter verwenden?

Für einen geeigneten Motor kann dies möglich sein. Für beliebige elektrische Prüflinge ist ein Motor-Frequenzumrichter jedoch keine universelle Netzersatzquelle, da sein Ausgang üblicherweise PWM-moduliert ist.

Was ist besser für allgemeine Gerätetests?

Eine Quelle mit möglichst sauberer sinusförmiger Ausgangsspannung ist für allgemeine Netzspannungsprüfungen in der Regel geeigneter.

Was bedeutet Rein-Sinus?

Der Ausgang bildet die sinusförmige Wechselspannung des öffentlichen Netzes wesentlich besser nach als Rechteck- oder modifizierte Sinuswechselrichter.

Was bedeutet THD?

THD steht für Total Harmonic Distortion und beschreibt den Anteil harmonischer Verzerrungen gegenüber der Grundschwingung.

Warum ist eine niedrige THD sinnvoll?

Eine geringe Spannungsverzerrung sorgt dafür, dass Motoren, Transformatoren und elektronische Geräte unter Bedingungen betrieben werden, die einer realen Netzversorgung näherkommen.

Wie viel Leistung muss der Frequenzwandler haben?

Er muss mindestens Dauerleistung, Scheinleistung und Nennstrom des Prüflings bereitstellen können. Zusätzlich muss ausreichend Reserve für Einschalt- und Anlaufströme vorhanden sein.

Was ist der Unterschied zwischen W und VA?

W beschreibt die Wirkleistung. VA beschreibt die Scheinleistung als Produkt aus Effektivspannung und Effektivstrom.

Warum kann ein 600-W-Gerät mehr als 600 VA benötigen?

Bei einem Leistungsfaktor kleiner 1 ist die Scheinleistung größer als die Wirkleistung.

Was ist der Leistungsfaktor?

Er beschreibt das Verhältnis zwischen Wirkleistung und Scheinleistung und berücksichtigt bei realen Lasten Phasenverschiebung und Stromverzerrung.

Warum benötigen Motoren eine größere Quelle?

Motoren können beim Start einen deutlich höheren Strom aufnehmen als im normalen Betrieb.

Reicht ein 1.000-W-Wechselrichter für einen 1.000-W-Motor?

Nicht automatisch. Anlaufstrom, Leistungsfaktor, Spitzenleistung und zulässige Überlastdauer des Wechselrichters müssen berücksichtigt werden.

Warum ist 50 Hz bei einem 60-Hz-Transformator problematisch?

Bei gleicher Spannung steigt das Verhältnis V/f. Dadurch kann die magnetische Flussdichte steigen und der Transformator kann stärker magnetisiert beziehungsweise erwärmt werden.

Ist 60 Hz bei einem 50-Hz-Transformator weniger kritisch?

Bei gleicher Spannung sinkt das V/f-Verhältnis. Trotzdem muss der Hersteller die konkrete Betriebsbedingung freigeben.

Was bedeutet V/f?

V/f bezeichnet das Verhältnis von Spannung zu Frequenz. Es beeinflusst bei Motoren und Transformatoren wesentlich die magnetische Flussdichte.

Wie verändert sich die Motordrehzahl von 50 auf 60 Hz?

Die synchrone Drehzahl steigt um 20 %. Ein vierpoliges Drehfeld besitzt beispielsweise 1.500 min⁻¹ bei 50 Hz und 1.800 min⁻¹ bei 60 Hz.

Kann eine Pumpe deshalb bei 60 Hz mehr Leistung benötigen?

Ja. Durch die höhere Drehzahl kann sich der hydraulische Arbeitspunkt deutlich verändern. Die konkrete Eignung muss anhand von Motor und Pumpenkennlinie geprüft werden.

Warum können elektronische Netzteile die Prüfquelle stark belasten?

Gleichrichter und Zwischenkreiskondensatoren können hohe kurze Stromspitzen erzeugen, obwohl die durchschnittliche Wirkleistung vergleichsweise niedrig ist.

Was ist der Crest-Faktor?

Er beschreibt das Verhältnis des Spitzenwertes eines Stromes oder einer Spannung zum Effektivwert und ist bei stark gepulsten Lastströmen relevant.

Wie genau muss eine 60-Hz-Quelle sein?

Das hängt von der Prüfaufgabe ab. Für einen Funktionstest sind die Anforderungen meist geringer als für eine genaue frequenzabhängige Charakterisierung.

Wann ist ein einstellbarer Bereich von 47 bis 63 Hz sinnvoll?

Wenn neben 50 und 60 Hz auch Grenzbereiche, Frequenzabhängigkeiten oder verschiedene internationale Netzbedingungen untersucht werden sollen.

Muss ich die Ausgangsspannung unter Last messen?

Ja. Besonders bei hohen Einschaltströmen kann eine zu kleine Quelle einen deutlichen Spannungseinbruch verursachen.

Kann ich für einen 120-V-/60-Hz-Prüfling nur einen 230-/120-V-Transformator verwenden?

Der Transformator liefert zwar die richtige Spannung, die Frequenz bleibt jedoch bei 50 Hz. Für eine echte 60-Hz-Prüfung ist zusätzlich eine Frequenzumwandlung erforderlich.

Kann ein Wechselrichter galvanisch getrennt sein?

Ja, je nach Bauart. Die konkrete Ausgangstopologie muss jedoch anhand des Datenblattes des verwendeten Gerätes geprüft werden.

Darf ich Neutralleiter und Schutzleiter am Wechselrichterausgang verbinden?

Nicht pauschal. Dies hängt von der Ausgangstopologie und dem vorgesehenen Schutzkonzept ab und muss nach Herstellervorgaben erfolgen.

Welche Größen sollte ich bei einer 50-/60-Hz-Prüfung messen?

Mindestens Spannung, Frequenz und Strom. Für eine umfassendere Bewertung sind außerdem Wirkleistung, Scheinleistung, Leistungsfaktor, Einschaltstrom und gegebenenfalls THD sinnvoll.

Welche COTEK-Serie eignet sich für eine Umschaltung zwischen 50 und 60 Hz?

Die COTEK SP-Serie bietet je nach Ausführung einen Rein-Sinus-Ausgang mit wählbaren 50 beziehungsweise 60 Hz und Leistungen von 700 bis 4.000 W.

Welche COTEK-Serie eignet sich für variable Frequenzen im 50-/60-Hz-Bereich?

Die COTEK SR-Serie bietet einen einstellbaren Ausgangsfrequenzbereich von 47 bis 63 Hz.

Kann die COTEK SP- oder SR-Serie direkt aus 230 V / 50 Hz gespeist werden?

Nein. Diese Geräte sind DC/AC-Wechselrichter und benötigen je nach Ausführung eine passende 12-, 24- beziehungsweise 48-V-DC-Versorgung.

Wo finde ich weitere Wechselrichter und Frequenzwandler?

Weitere Lösungen finden Sie unter Wechselrichter und Frequenzwandler bei ICS Schneider.