Variable-Speed Motors
How Variable-Frequency Drives Control Electric Motors
Electric motors drive pumps, fans, compressors, conveyors, machine tools and many other systems. Elektromotoren treiben Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren, Förderanlagen, Werkzeugmaschinen und viele andere Systeme an.
In many applications, the machine does not need to run at the same speed all the time. Variable-speed technology allows motor speed to change according to the actual task or system demand. Bei vielen Anwendungen muss die Maschine nicht ständig mit derselben Drehzahl arbeiten. Drehzahlvariable Technik ermöglicht es, die Motordrehzahl an die tatsächliche Aufgabe oder den Systembedarf anzupassen.
1. What Is an Electric Motor?
An electric motor converts electrical energy into mechanical movement. Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Bewegung um.
The rotating part of the motor is connected to a shaft. This shaft can drive a pump, fan, compressor, conveyor or other machine. Der rotierende Teil des Motors ist mit einer Welle verbunden. Diese Welle kann eine Pumpe, einen Ventilator, einen Kompressor, eine Förderanlage oder eine andere Maschine antreiben.
Electrical energy → Motor → Rotational movement → Machine
Elektrische Energie → Motor → Drehbewegung → Maschine2. What Is Variable-Speed Motor Control?
Variable-speed motor control means that the rotational speed of a motor can be changed instead of remaining at one approximately fixed operating speed. Drehzahlvariable Motorsteuerung bedeutet, dass die Drehzahl eines Motors verändert werden kann, anstatt bei einer ungefähr festen Betriebsdrehzahl zu bleiben.
This makes it possible to match machine output more closely to actual demand. Dadurch kann die Maschinenleistung besser an den tatsächlichen Bedarf angepasst werden.
A common way of controlling an AC motor is with a Variable-Frequency Drive, or VFD. Eine häufige Methode zur Steuerung eines Wechselstrommotors ist ein Frequenzumrichter, auf Englisch Variable-Frequency Drive oder VFD.
3. What Is a Variable-Frequency Drive?
A VFD is a power-electronic motor controller. Ein VFD ist eine leistungselektronische Motorsteuerung.
It can change the frequency and voltage supplied to a suitable AC motor. Er kann die Frequenz und Spannung verändern, die einem geeigneten Wechselstrommotor zugeführt werden.
Changing frequency allows the magnetic field inside the motor to rotate at a different speed. Durch die Veränderung der Frequenz kann sich das Magnetfeld im Motor mit einer anderen Geschwindigkeit drehen.
The motor speed can therefore be controlled over a useful range. Dadurch kann die Motordrehzahl über einen nutzbaren Bereich geregelt werden.
4. How Does a VFD Work?
AC electricity enters the drive. Wechselstrom gelangt in den Frequenzumrichter.
A rectifier converts the incoming AC into DC. Ein Gleichrichter wandelt den eingehenden Wechselstrom in Gleichstrom um.
The DC link stores and smooths electrical energy. Der Gleichspannungszwischenkreis speichert und glättet elektrische Energie.
Semiconductor switches create a controlled AC output. Halbleiterschalter erzeugen einen gesteuerten Wechselstromausgang.
The output frequency and voltage are controlled according to the required motor operation. Ausgangsfrequenz und Ausgangsspannung werden entsprechend dem benötigten Motorbetrieb geregelt.
5. How Does Frequency Affect Motor Speed?
In an AC motor, the speed of the rotating magnetic field depends strongly on electrical frequency and on the number of magnetic poles in the motor. Bei einem Wechselstrommotor hängt die Geschwindigkeit des rotierenden Magnetfeldes stark von der elektrischen Frequenz und von der Anzahl der Magnetpole im Motor ab.
For example, increasing the frequency supplied by the VFD generally increases the motor's operating speed, provided the motor and drive are designed for that operating range. Eine Erhöhung der vom Frequenzumrichter gelieferten Frequenz erhöht im Allgemeinen die Betriebsdrehzahl des Motors, sofern Motor und Umrichter für diesen Betriebsbereich ausgelegt sind.
Basic idea:
Lower frequency → lower motor speed
Higher frequency → higher motor speed
Niedrigere Frequenz → niedrigere Motordrehzahl
Höhere Frequenz → höhere Motordrehzahl
6. What Is Motor Slip?
In an induction motor, the rotor normally turns slightly slower than the rotating magnetic field. Bei einem Asynchron- beziehungsweise Induktionsmotor dreht sich der Rotor normalerweise etwas langsamer als das rotierende Magnetfeld.
This difference in speed is called slip. Dieser Drehzahlunterschied wird als Schlupf bezeichnet.
Slip is necessary for a normal induction motor to produce torque. Schlupf ist notwendig, damit ein normaler Induktionsmotor Drehmoment erzeugen kann.
Important: Changing frequency changes the synchronous speed, but the actual rotor speed of an induction motor is normally slightly lower because of slip.
Wichtig: Eine Frequenzänderung verändert die Synchrondrehzahl, die tatsächliche Rotordrehzahl eines Asynchronmotors liegt aufgrund des Schlupfs normalerweise etwas darunter.7. What Is Torque?
Torque is the turning force produced by the motor. Drehmoment ist die vom Motor erzeugte Drehkraft.
A motor may need high torque to start or accelerate a heavy machine. Ein Motor kann ein hohes Drehmoment benötigen, um eine schwere Maschine zu starten oder zu beschleunigen.
Modern VFD control systems regulate voltage, frequency and current in order to produce the motor performance required by the application. Moderne VFD-Steuerungen regeln Spannung, Frequenz und Strom, um die für die Anwendung benötigte Motorleistung bereitzustellen.
8. Fixed-Speed vs. Variable-Speed Systems
Fixed-Speed System
- Motor normally operates near one designed running speed.
- Output may be controlled with valves, dampers or other mechanical methods.
- The motor may switch on and off according to demand.
- Mechanical throttling can waste energy in some systems.
Variable-Speed System
- Motor speed can change according to demand.
- Flow or pressure can often be controlled directly by speed.
- Acceleration and deceleration can be smoother.
- Energy use can be reduced in suitable applications.
- Process control can be more precise.
9. Why Are VFDs So Useful for Pumps and Fans?
Centrifugal pumps and fans are particularly important applications for variable-speed drives. Kreiselpumpen und Ventilatoren sind besonders wichtige Anwendungen für drehzahlvariable Antriebe.
In a suitable variable-torque system, reducing motor speed can reduce the power required by a surprisingly large amount. Bei einem geeigneten System mit variablem Drehmoment kann eine Verringerung der Motordrehzahl den Leistungsbedarf deutlich reduzieren.
For example, DOE guidance notes that in suitable centrifugal fan and pump systems, running at 75% speed can require only around 42% of the original power. Nach Angaben des US-Energieministeriums kann bei geeigneten Kreiselpumpen- und Ventilatorsystemen ein Betrieb mit 75 % Drehzahl nur etwa 42 % der ursprünglichen Leistung benötigen.
Important: This large saving does not apply to every motor-driven machine. It depends on the type of load and the system design.
Wichtig: Diese große Einsparung gilt nicht für jede motorbetriebene Maschine. Sie hängt von der Lastart und der Systemauslegung ab.10. Speed Control vs. Throttling
Imagine a pump producing more water flow than is required. Stellen Sie sich vor, eine Pumpe erzeugt mehr Wasserstrom, als benötigt wird.
One method is to leave the pump running fast and partly close a valve. Eine Möglichkeit besteht darin, die Pumpe schnell weiterlaufen zu lassen und ein Ventil teilweise zu schließen.
This is called throttling. Dies wird als Drosselung bezeichnet.
In many variable-flow systems, it can be more efficient to reduce pump speed instead. Bei vielen Systemen mit variablem Durchfluss kann es effizienter sein, stattdessen die Pumpendrehzahl zu reduzieren.
11. What Is a Soft Start?
A VFD can accelerate a motor gradually rather than connecting it immediately to full-frequency operation. Ein Frequenzumrichter kann einen Motor langsam beschleunigen, anstatt ihn sofort mit voller Betriebsfrequenz laufen zu lassen.
This controlled acceleration can reduce mechanical shock in shafts, belts, couplings and driven machinery. Diese kontrollierte Beschleunigung kann mechanische Stöße in Wellen, Riemen, Kupplungen und angetriebenen Maschinen reduzieren.
It can also reduce the large starting current associated with direct-on-line starting. Sie kann außerdem den hohen Anlaufstrom reduzieren, der bei direktem Netzstart auftreten kann.
12. Can a Motor Send Energy Back?
Some motor-drive systems can operate regeneratively. Einige Motor-Antriebssysteme können regenerativ arbeiten.
When a moving load slows down, the motor can sometimes act as a generator and convert mechanical energy back into electrical energy. Wenn eine bewegte Last langsamer wird, kann der Motor unter bestimmten Bedingungen als Generator arbeiten und mechanische Energie wieder in elektrische Energie umwandeln.
Depending on the drive system, this energy can be dissipated in a braking resistor or returned to an electrical system. Abhängig vom Antriebssystem kann diese Energie in einem Bremswiderstand in Wärme umgewandelt oder in ein elektrisches System zurückgeführt werden.
13. What Are Harmonics?
VFDs use fast electronic switching. Frequenzumrichter verwenden schnelle elektronische Schaltvorgänge.
These switching and rectifier processes can affect electrical waveforms and produce harmonic currents. Diese Schalt- und Gleichrichtungsprozesse können elektrische Wellenformen beeinflussen und Oberschwingungsströme erzeugen.
In larger or sensitive installations, engineers may need filters, reactors or other measures to control electrical interference and harmonics. Bei größeren oder empfindlichen Anlagen können Filter, Drosseln oder andere Maßnahmen erforderlich sein, um elektrische Störungen und Oberschwingungen zu begrenzen.
14. Where Are Variable-Speed Motors Used?
Buildings and Energy
- Heat-pump compressors
- Air-conditioning systems
- Ventilation fans
- Heating circulation pumps
- Water pumps
Industry and Transport
- Conveyor systems
- Machine tools
- Industrial pumps
- Industrial fans and blowers
- Compressors
- Electric vehicle motors
15. Variable-Speed Motor Vocabulary
| English | German | Meaning |
|---|---|---|
| electric motor | Elektromotor | A machine that converts electrical energy into mechanical movement. |
| variable-speed motor | drehzahlvariabler Motor | A motor system whose operating speed can be controlled. |
| VFD | Frequenzumrichter | A variable-frequency drive used to control suitable AC motors. |
| frequency | Frequenz | The number of electrical cycles per second. |
| voltage | Spannung | Electrical potential difference. |
| induction motor | Asynchronmotor / Induktionsmotor | A common AC motor in which rotor current is induced electromagnetically. |
| synchronous speed | Synchrondrehzahl | The speed of the motor's rotating magnetic field. |
| slip | Schlupf | The difference between synchronous speed and rotor speed in an induction motor. |
| torque | Drehmoment | Rotational force. |
| RPM | Umdrehungen pro Minute | Revolutions per minute, a measure of rotational speed. |
| soft start | Sanftanlauf | Controlled gradual acceleration of a motor. |
| throttling | Drosselung | Restricting fluid flow with a valve or damper. |
| DC link | Gleichspannungszwischenkreis | The DC section between the rectifier and inverter stages of a VFD. |
| harmonics | Oberschwingungen | Additional frequency components that distort an electrical waveform. |
| regenerative braking | regeneratives Bremsen | Recovering mechanical energy while slowing a motor-driven system. |
16. Useful English for Motor Control
The VFD adjusts the motor speed according to demand. Der Frequenzumrichter passt die Motordrehzahl an den Bedarf an.
The motor is operating at reduced speed. Der Motor arbeitet mit reduzierter Drehzahl.
The inverter controls both frequency and voltage. Der Umrichter steuert sowohl Frequenz als auch Spannung.
The pump speed is matched to the required flow rate. Die Pumpendrehzahl wird an den benötigten Volumenstrom angepasst.
Reducing fan speed can significantly reduce power consumption. Eine Reduzierung der Ventilatordrehzahl kann den Leistungsbedarf deutlich senken.
The motor accelerates gradually during startup. Der Motor beschleunigt beim Start schrittweise.
The induction motor operates with a small amount of slip. Der Asynchronmotor arbeitet mit einem kleinen Schlupf.
17. Variable-Speed Motor Exercises
Choose the correct answer. The correct answer will appear in the blank. Wählen Sie die richtige Antwort. Die richtige Antwort erscheint anschließend in der Lücke.
1. A machine that converts electrical energy into rotational movement is an electric ______.
2. A VFD changes electrical ______ to help control motor speed.
3. The first stage of a typical VFD uses a ______ to convert AC into DC.
4. The section between rectification and inversion is often called the ______.
5. The output stage that creates controlled AC is the ______ stage.
6. Rotational force is called ______.
7. Motor rotational speed is often expressed in ______.
8. The difference between synchronous speed and rotor speed in an induction motor is called ______.
9. Reducing VFD output frequency generally produces a ______ motor speed.
10. Gradual acceleration of a motor is often called a ______.
11. Restricting pump flow with a valve is called ______.
12. In many pump systems, flow can be controlled by changing pump ______.
13. Centrifugal pumps and ______ are common variable-torque applications.
14. In suitable centrifugal pump and fan systems, reducing speed can greatly reduce required ______.
15. Additional electrical frequency components that distort waveforms are called ______.
16. During regenerative operation, a motor can act as a ______.
17. Variable-speed control allows machine output to match actual ______.
18. A motor converts electrical energy into ______ energy.
19. One of the most common industrial AC motor types is the ______.
20. Matching pump speed to required flow can make a suitable system more ______.
18. Variable-Speed Motors – FAQ
What is a variable-speed motor?
It is a motor system whose operating speed can be changed according to the needs of the application. Es ist ein Motorsystem, dessen Betriebsdrehzahl entsprechend den Anforderungen der Anwendung verändert werden kann.
What does VFD mean?
VFD means Variable-Frequency Drive. It is an electronic drive used to control the frequency and voltage supplied to a suitable AC motor. VFD bedeutet Variable-Frequency Drive beziehungsweise Frequenzumrichter. Er steuert Frequenz und Spannung, die einem geeigneten Wechselstrommotor zugeführt werden.
Does changing frequency always change motor speed?
For AC motors controlled by a VFD, frequency is a central factor in motor speed. However, the exact relationship also depends on motor type, pole count, load and control method. Bei durch Frequenzumrichter gesteuerten Wechselstrommotoren ist die Frequenz ein zentraler Faktor für die Motordrehzahl. Die genaue Beziehung hängt jedoch auch von Motortyp, Polzahl, Belastung und Regelverfahren ab.
What is slip in an induction motor?
Slip is the difference between the speed of the rotating magnetic field and the actual rotor speed. Schlupf ist der Unterschied zwischen der Geschwindigkeit des rotierenden Magnetfelds und der tatsächlichen Rotordrehzahl.
Why can VFDs save energy?
They can reduce energy use when the process does not require full motor output all the time. The greatest savings often occur in suitable variable-flow pump and fan systems. Sie können Energie sparen, wenn der Prozess nicht ständig die volle Motorleistung benötigt. Besonders große Einsparungen sind häufig bei geeigneten Pumpen- und Ventilatorsystemen mit variablem Durchfluss möglich.
Does the cube law apply to every variable-speed motor?
No. The well-known cubic power relationship applies to suitable centrifugal variable-torque applications under appropriate system conditions. It does not describe every motor-driven load. Nein. Die bekannte kubische Leistungsbeziehung gilt für geeignete Kreiselmaschinen mit variablem Drehmoment unter passenden Systembedingungen. Sie beschreibt nicht jede motorbetriebene Last.
What is a soft start?
A soft start means accelerating the motor gradually instead of applying an abrupt start. Sanftanlauf bedeutet, den Motor schrittweise zu beschleunigen, anstatt abrupt zu starten.
Can a VFD reduce mechanical wear?
It can in some applications. Controlled acceleration and reduced operating speed can reduce mechanical shock and stress, but actual equipment life depends on the complete system. Bei einigen Anwendungen ist dies möglich. Kontrollierte Beschleunigung und reduzierte Betriebsdrehzahlen können mechanische Stöße und Belastungen verringern. Die tatsächliche Lebensdauer hängt jedoch vom gesamten System ab.
Can VFDs cause electrical problems?
They can introduce harmonics and other electrical effects. Correct drive selection, installation, cabling, grounding and filtering may therefore be important. Sie können Oberschwingungen und andere elektrische Effekte verursachen. Eine richtige Auswahl, Installation, Verkabelung, Erdung und gegebenenfalls Filterung kann daher wichtig sein.
Where are variable-speed motors used?
They are widely used in pumps, fans, compressors, heat pumps, air-conditioning systems, industrial machines and electric vehicles. Sie werden häufig in Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren, Wärmepumpen, Klimaanlagen, Industriemaschinen und Elektrofahrzeugen eingesetzt.
Continue Learning About Inverter Technology
Variable-speed motor control connects directly with heat pumps, air conditioning, electric vehicles and modern inverter technology. Drehzahlvariable Motorsteuerung steht in direktem Zusammenhang mit Wärmepumpen, Klimaanlagen, Elektrofahrzeugen und moderner Inverter-Technologie.