VFD-Schaltungen erklärt: Frequenzumrichter-Schaltpläne, Typen & Aufbau

VFD (Variable Frequency Drive) – auf Deutsch Frequenzumrichter – steuert die Drehzahl von Asynchronmaschinen durch Variation der Statorspannungsfrequenz und -amplitude. Hauptkomponenten: Gleichrichter, DC-Zwischenkreis, Wechselrichter. Dieser Artikel erklärt Topologien, Typen (VSI, CSI, PWM), Vor-/Nachteile und den Aufbau eines 3-Phasen-VFD.

1. Funktionsprinzip

Drehfeldmaschine: n = (120 · f) / p · (1 − s). Änderung der Frequenz f ändert das synchrone Drehmoment und damit die Drehzahl. VFD hält das V/f-Verhältnis konstant (konstanter Fluss), um Übermagnetisierung/Untermagnetisierung zu vermeiden. Moderne VFDs nutzen Mikroprozessoren für Vektorregelung (FOC), Drehzahlregelung, Überstromschutz, Rampen, Feldbusschnittstellen.

Blockschaltbild 3-Phasen-VFD

1. Leistungsteil: Gleichrichter → DC-Link → Inverter → Motor
2. Steuerteil: DSP/MCU (PWM-Generierung, Regelung, Schutzfunktionen, Kommunikation)
3. Schnittstellen: I/O, Encoder, Feldbus (Modbus, CAN, EtherCAT, PROFINET)

Die drei Hauptbaugruppen

Gleichrichter (Rectifier)

• Kleinleistungen (1-phasig): Brückengleichrichter mit Dioden (B2U/B6U).
• Mittel-/Großleistungen (3-phasig): Thyristor-Brücke (B6C) für weichen Anlauf, Netzrückwirkungen begrenzen, oder Diode + Vorwiderstand + Relais. Aktive Front End (AFE) mit IGBT-Brücke für Rekuperation und sinusförmigen Netzstrom.

DC-Zwischenkreis (DC-Link)

• Glättkondensatoren (Elektrolyt, Folie) → Spannungsquelle für Inverter.
• Drosseln (DC-Link-Drossel) reduzieren Netzstrom-Oberwellen, verbessern Power Factor.
• Bremschopper + Bremswiderstand für regenerative Energie (Abbremsen).

Wechselrichter (Inverter)

• 6 IGBTs (oder MOSFETs bei < 10 kW) in Brückenschaltung (B6I).
• PWM-Steuerung (Trägersignal 2–16 kHz) erzeugt sinusförmige Motorströme.
• Dead-Time, Totzeitkompensation, Überstromschutz (desat-Detection), Temperaturschutz.

2. VFD-Typen

VSI – Voltage Source Inverter (Spannungszwischenkreis)

Meistverbreitet. Diodengleichrichter → Kondensator → IGBT-Inverter.

Vorteile

• Kostengünstig, einfache Topologie
• Mehrfach-Motorbetrieb an einem VSI möglich
• Guter Drehzahlbereich, V/f- und Vektorregelung

Nachteile

• Motorgeräusche durch PWM-Taktung
• Rucken bei Anlauf/Stopp (Cogging) bei offener Regelung
• Schlechter Power Factor bei Teillast (kein AFE)

CSI – Current Source Inverter (Stromzwischenkreis)

Thyristorgleichrichter → DC-Drossel (Stromquelle) → GTO/IGBT-Inverter. Glatte Motorströme, quadratische Spannung.

Vorteile

• Hohe Leistungen, hohe Zuverlässigkeit
• Natürliche Rekuperation (4-Quadranten)
• Für große Antriebe (> 500 kW) geeignet

Nachteile

• Schlechter Power Factor
• Cogging-Effekt (Wellenrucken)
• Nicht für Mehrmotorbetrieb
• Komplex, teuer, veraltet (wenig Neuanlagen)

PWM-VFD (Pulsweitenmodulation – heutiger Standard)

Weiterentwicklung des VSI: Sinus-PWM, Space Vector PWM (SVPWM), Third-Harmonic Injection. Zusatzregler für konstante V/f bei Laständerung.

Vorteile

• Kein Cogging, weicher Anlauf, breiter Regelbereich
• Hoher Wirkungsgrad, konstante Leistung
• Integrierte Schutzfunktionen (Kurzschluss, Übertemperatur, Erdschluss)

Nachteile

• Komplexere Hardware (DSP, Gate-Driver, Sensoren)
• EMV-Störungen (dv/dt, Common-Mode) → Motorisolation, Lagerströme
• Höhere Kosten

3. Aufbau eines 3-Phasen-VFD (Prinzipschaltung)

Benötigte Blöcke:

• PWM-Spannungsregler: Erzeugt PWM an Pin 3 (IC2) proportional zur Steuerspannung an Pin 5.
• 3-Phasen-H-Brücke: 6 IGBTs + Gate-Driver (z. B. IR2136, IRS2336, Si823x).
• 3-Phasen-Signalgenerator: Erzeugt 6 PWM-Signale (HIN1–3, LIN1–3) mit 120° Phasenverschiebung. Eingangstakt = 6 × f_out (z. B. 50 Hz → 300 Hz).
• V/f-Wandler: Hält Spannung/Frequenz-Verhältnis konstant.

Video: Building a Variable Frequency Drive – YouTube

Fazit

Der Frequenzumrichter ist der Standard für drehzahlvariable Asynchronantriebe. Die PWM-VSI-Topologie dominiert den Markt durch optimales Preis/Leistungsverhältnis. Für Neuentwicklungen: integrierte Gate-Driver-ICs, SiC/GaN-Leistungshalbleiter (höhere Schaltfrequenz, geringere Verluste), funktionale Sicherheit (STO, SIL2/3). Bei der Auswahl: Lastprofil, Umgebung, Netzqualität (THD, IEEE 519), Kommunikationsbedarf, Zertifizierungen (CE, UL, TÜV).

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