Wechselrichter

Wechselrichter einer Freiflächen-Solaranlage ⓘ

Überblick über Wechselrichter für Solaranlagen ⓘ

Ein Wechselrichter, Inverter oder Inverter ist ein leistungselektronisches Gerät oder eine Schaltung, die Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umwandelt. Die sich daraus ergebende Wechselstromfrequenz hängt vom jeweiligen Gerät ab. Wechselrichter bewirken das Gegenteil von Gleichrichtern, die ursprünglich große elektromechanische Geräte waren, die Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln. ⓘ

Die Eingangsspannung, die Ausgangsspannung und -frequenz sowie die Gesamtleistung hängen von der Konstruktion des jeweiligen Geräts oder Schaltkreises ab. Der Wechselrichter erzeugt keine Leistung; die Leistung wird von der Gleichstromquelle bereitgestellt. ⓘ

Ein Wechselrichter kann vollständig elektronisch sein oder aus einer Kombination von mechanischen Effekten (z. B. einem Drehgerät) und elektronischen Schaltkreisen bestehen. Statische Wechselrichter verwenden keine beweglichen Teile für den Umwandlungsprozess. ⓘ

Leistungswechselrichter werden vor allem in Stromversorgungsanwendungen eingesetzt, bei denen hohe Ströme und Spannungen anliegen; Schaltungen, die dieselbe Funktion für elektronische Signale erfüllen, die in der Regel sehr geringe Ströme und Spannungen aufweisen, werden als Oszillatoren bezeichnet. Schaltungen, die die umgekehrte Funktion erfüllen, also Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln, werden Gleichrichter genannt. ⓘ

Wechselrichter von 24 V Gleichspannung auf 230 V 50 Hz Wechselspannung, ca. 3 kW, ca. 250 mm breit ⓘ

Eingang und Ausgang

Eingangsspannung

Ein typisches Wechselrichtergerät oder eine typische Wechselrichterschaltung benötigt eine stabile Gleichstromquelle, die in der Lage ist, genügend Strom für den vorgesehenen Leistungsbedarf des Systems zu liefern. Die Eingangsspannung hängt von der Konstruktion und dem Zweck des Wechselrichters ab. Beispiele sind:

• 12 V DC, für kleinere Wechselrichter für Verbraucher und Gewerbe, die in der Regel von einer wiederaufladbaren 12-V-Bleibatterie oder einer Kfz-Steckdose gespeist werden.
• 24, 36 und 48 V DC, die gängige Standards für Hausenergieanlagen sind.
• 200 bis 400 V DC, wenn der Strom von photovoltaischen Solarzellen stammt.
• 300 bis 450 V Gleichstrom, wenn der Strom von Elektrofahrzeugbatterien in Vehicle-to-Grid-Systemen stammt.
• Hunderttausende von Volt, wenn der Wechselrichter Teil eines Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssystems ist. ⓘ

Ausgangswellenform

Ein Wechselrichter kann je nach Schaltungsdesign eine Rechteckwelle, eine modifizierte Sinuswelle, eine gepulste Sinuswelle, eine pulsweitenmodulierte Welle (PWM) oder eine Sinuswelle erzeugen. Gängige Typen von Wechselrichtern erzeugen Rechteckwellen oder Quasi-Rechteckwellen. Ein Maß für die Reinheit einer Sinuswelle ist die gesamte harmonische Verzerrung (THD). Eine Rechteckwelle mit 50 % Tastverhältnis (die Hälfte der Zeit) entspricht einer Sinuswelle mit 48 % THD. Die technischen Normen für kommerzielle Stromverteilungsnetze verlangen einen Klirrfaktor von weniger als 3 % in der Wellenform am Anschlusspunkt des Kunden. Die IEEE-Norm 519 empfiehlt einen Klirrfaktor von weniger als 5 % für Systeme, die an ein Stromnetz angeschlossen werden. ⓘ

Es gibt zwei grundlegende Konzepte für die Erzeugung von Haushaltssteckdosen aus einer Gleichstromquelle mit niedrigerer Spannung. Bei der ersten Methode wird ein schaltender Aufwärtswandler verwendet, um eine höhere Gleichspannung zu erzeugen, die dann in Wechselstrom umgewandelt wird. Die zweite Methode wandelt Gleichstrom in Wechselstrom auf Batterieebene um und verwendet einen Netzfrequenztransformator zur Erzeugung der Ausgangsspannung. ⓘ

Rechteckige Welle

Rechteckige Welle ⓘ

Dies ist eine der einfachsten Wellenformen, die ein Wechselrichter erzeugen kann, und eignet sich am besten für Anwendungen mit geringer Empfindlichkeit wie Beleuchtung und Heizung. Die Rechteckwelle kann beim Anschluss an Audiogeräte ein "Brummen" erzeugen und ist im Allgemeinen für empfindliche Elektronik ungeeignet. ⓘ

Sinuswelle

Sinuswelle ⓘ

Ein Wechselrichter, der eine mehrstufige sinusförmige Wechselstrom-Wellenform erzeugt, wird als Sinus-Wechselrichter bezeichnet. Zur besseren Unterscheidung von Wechselrichtern, deren Ausgangssignal wesentlich weniger verzerrt ist als das der modifizierten Sinuswechselrichter (dreistufig), verwenden die Hersteller häufig den Begriff reiner Sinuswechselrichter. Fast alle Wechselrichter für Verbraucher, die als "reine Sinuswechselrichter" verkauft werden, erzeugen überhaupt keine glatte Sinuswelle, sondern nur eine weniger abgehackte Ausgabe als die Rechteckwelle (zweistufig) und die modifizierte Sinuswelle (dreistufig). Für die meisten elektronischen Geräte ist dies jedoch nicht von Bedeutung, da sie mit dem Ausgangssignal recht gut zurechtkommen. ⓘ

Bei Wechselrichtern, die das normale Stromnetz ersetzen, ist ein Sinuswellenausgang wünschenswert, da viele elektrische Produkte so konstruiert sind, dass sie am besten mit einer Sinuswellen-Wechselstromquelle funktionieren. Das normale Stromversorgungsunternehmen liefert eine Sinuswelle, die in der Regel nur geringfügige Fehler aufweist, manchmal aber auch erhebliche Verzerrungen. ⓘ

Sinuswechselrichter mit mehr als drei Stufen sind komplexer und wesentlich teurer als modifizierte Sinuswechselrichter mit nur drei Stufen oder Rechteckwechselrichter (mit einer Stufe), die die gleiche Leistung liefern. Schaltnetzteile (SMPS), wie z. B. Personalcomputer oder DVD-Player, funktionieren mit modifizierter Sinuswellenleistung. Wechselstrommotoren, die direkt mit nicht-sinusförmigem Strom betrieben werden, können zusätzliche Wärme erzeugen, eine andere Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik aufweisen oder mehr hörbare Geräusche erzeugen als bei Betrieb mit sinusförmigem Strom. ⓘ

Modifizierte Sinuswelle

Wellenform, die von einem Wechselrichter für Zigarettenanzünder von 12 V DC auf 120 V AC 60 Hz erzeugt wird. ⓘ

Die modifizierte Sinuswelle ist die Summe von zwei Rechteckwellen, von denen eine um ein Viertel der Periode gegenüber der anderen verzögert ist. Das Ergebnis ist eine Wellenform mit den Spannungsstufen Null, Spitze positiv, Null, Spitze negativ und wieder Null. Diese Spannungswertfolge wird kontinuierlich wiederholt. Die sich daraus ergebende Spannungswellenform kommt der Form einer sinusförmigen Spannungswellenform besser nahe als eine einzelne Rechteckwelle. Die meisten preiswerten Wechselrichter für Verbraucher erzeugen eher eine modifizierte Sinuswelle als eine reine Sinuswelle. ⓘ

Wenn die Wellenform so gewählt wird, dass die Spitzenspannungswerte während der Hälfte der Zykluszeit auftreten, ist das Verhältnis von Spitzenspannung zu Effektivspannung dasselbe wie bei einer Sinuswelle. Die Zwischenkreisspannung kann aktiv geregelt werden, oder die "Ein"- und "Aus"-Zeiten können so geändert werden, dass der gleiche Effektivwert bis zur Zwischenkreisspannung ausgegeben wird, um Schwankungen der Zwischenkreisspannung auszugleichen. Durch Änderung der Impulsbreite kann das Oberschwingungsspektrum verändert werden. Der niedrigste Klirrfaktor für eine dreistufige modifizierte Sinuswelle beträgt 30 %, wenn die Impulse eine Breite von 130 Grad pro elektrischem Zyklus haben. Dies ist etwas niedriger als bei einer Rechteckwelle. ⓘ

Das Verhältnis von Einschalt- zu Ausschaltzeit kann angepasst werden, um die Effektivspannung bei konstanter Frequenz mit einer Technik namens Pulsweitenmodulation (PWM) zu variieren. Die erzeugten Gate-Impulse werden entsprechend dem entwickelten Muster an die einzelnen Schalter gegeben, um die gewünschte Ausgangsleistung zu erzielen. Das Oberwellenspektrum am Ausgang hängt von der Breite der Impulse und der Modulationsfrequenz ab. Es kann gezeigt werden, dass die minimale Verzerrung einer dreistufigen Wellenform erreicht wird, wenn sich die Impulse über 130 Grad der Wellenform erstrecken, aber die resultierende Spannung hat immer noch einen Klirrfaktor von etwa 30 %, was über den kommerziellen Standards für netzgekoppelte Stromquellen liegt. Beim Betrieb von Induktionsmotoren sind Spannungsoberschwingungen in der Regel unbedenklich; Oberschwingungsverzerrungen in der Stromwellenform führen jedoch zu einer zusätzlichen Erwärmung und können pulsierende Drehmomente erzeugen. ⓘ

Zahlreiche elektrische Geräte lassen sich gut mit modifizierten Sinus-Wechselrichtern betreiben, insbesondere ohmsche Lasten wie herkömmliche Glühbirnen. Geräte mit einem Schaltnetzteil funktionieren fast problemlos, aber wenn das Gerät einen Netztransformator hat, kann dieser je nach seiner geringen Leistung überhitzen. ⓘ

Die Last kann jedoch aufgrund der Oberwellen, die mit einer modifizierten Sinuswelle verbunden sind, weniger effizient arbeiten und während des Betriebs ein Brummgeräusch erzeugen. Dies wirkt sich auch auf den Wirkungsgrad des Gesamtsystems aus, da der vom Hersteller angegebene nominale Umwandlungswirkungsgrad die Oberschwingungen nicht berücksichtigt. Daher können Wechselrichter mit reiner Sinuswelle einen wesentlich höheren Wirkungsgrad aufweisen als Wechselrichter mit modifizierter Sinuswelle. ⓘ

Die meisten Wechselstrommotoren können mit MSW-Wechselrichtern betrieben werden, wobei der Wirkungsgrad aufgrund des Oberwellengehalts um etwa 20 % sinkt. Allerdings können sie recht laut sein. Ein serieller LC-Filter, der auf die Grundfrequenz abgestimmt ist, kann Abhilfe schaffen. ⓘ

Eine gängige modifizierte Sinus-Wechselrichter-Topologie, die in Wechselrichtern für Verbraucher zu finden ist, sieht folgendermaßen aus: Ein integrierter Mikrocontroller schaltet Leistungs-MOSFETs bei hohen Frequenzen wie ~50 kHz schnell ein und aus. Die MOSFETs werden direkt von einer Niederspannungs-Gleichstromquelle (z. B. einer Batterie) gespeist. Dieses Signal durchläuft dann Aufwärtstransformatoren (im Allgemeinen werden viele kleinere Transformatoren parallel geschaltet, um die Gesamtgröße des Wechselrichters zu verringern), um ein höheres Spannungssignal zu erzeugen. Der Ausgang der Aufwärtstransformatoren wird dann durch Kondensatoren gefiltert, um eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung zu erzeugen. Schließlich wird diese Gleichstromversorgung mit zusätzlichen Leistungs-MOSFETs durch den Mikrocontroller gepulst, um das endgültige modifizierte Sinussignal zu erzeugen. ⓘ

Komplexere Wechselrichter verwenden mehr als zwei Spannungen, um eine mehrstufige Annäherung an eine Sinuswelle zu bilden. Diese können die Spannungs- und Stromoberschwingungen und den Klirrfaktor im Vergleich zu einem Wechselrichter, der nur abwechselnd positive und negative Impulse verwendet, weiter reduzieren; solche Wechselrichter erfordern jedoch zusätzliche Schaltkomponenten, was die Kosten erhöht. ⓘ

Nahezu sinusförmige PWM

Ein Beispiel für eine PWM-Spannung, die durch eine Reihe von Impulsen moduliert wird ■. Zur Unterdrückung der Schaltfrequenz ist eine Tiefpassfilterung mit Serieninduktoren und Shunt-Kondensatoren erforderlich. Nach der Filterung ergibt sich eine nahezu sinusförmige Wellenform ■. Die Filterkomponenten sind kleiner und praktischer als die, die zur Glättung einer modifizierten Sinuswelle auf eine entsprechende Oberwellenreinheit erforderlich sind. ⓘ

Einige Wechselrichter verwenden PWM, um eine Wellenform zu erzeugen, die tiefpassgefiltert werden kann, um die Sinuswelle wiederherzustellen. Diese benötigen nur eine Gleichstromversorgung, wie die MSN-Designs, aber das Schalten erfolgt mit einer viel schnelleren Rate, typischerweise viele KHz, so dass die variierende Breite der Pulse geglättet werden kann, um die Sinuswelle zu erzeugen. Wird ein Mikroprozessor zur Erzeugung des Schalttimings verwendet, können der Oberwellengehalt und der Wirkungsgrad genau kontrolliert werden. ⓘ

Ausgangsfrequenz

Die Wechselstrom-Ausgangsfrequenz eines Wechselrichters entspricht in der Regel der Frequenz des Stromnetzes, also 50 oder 60 Hertz. Eine Ausnahme bilden Konstruktionen für den Antrieb von Motoren, bei denen eine variable Frequenz zu einer variablen Drehzahlregelung führt. ⓘ

Wenn der Ausgang des Geräts oder der Schaltung weiter aufbereitet werden soll (z. B. durch Verstärkung), kann die Frequenz für einen guten Wirkungsgrad des Transformators auch viel höher sein. ⓘ

Ausgangsspannung

Die Ausgangswechselspannung eines Wechselrichters wird häufig so geregelt, dass sie mit der Netzspannung übereinstimmt, in der Regel 120 oder 240 VAC auf der Verteilungsebene, auch wenn sich die vom Wechselrichter angesteuerte Last ändert. Dadurch kann der Wechselrichter zahlreiche Geräte mit Strom versorgen, die für normale Netzspannung ausgelegt sind. ⓘ

Einige Wechselrichter ermöglichen auch wählbare oder stufenlos einstellbare Ausgangsspannungen. ⓘ

Ausgangsleistung

Ein Wechselrichter hat oft eine Gesamtleistungsangabe in Watt oder Kilowatt. Damit wird die Leistung beschrieben, die die dem Gerät, das der Wechselrichter antreibt, zur Verfügung steht, und indirekt auch die Leistung, die von der Gleichstromquelle benötigt wird. Kleinere populäre Verbraucher- und kommerzielle Geräte, die für die Nachahmung von Netzstrom ausgelegt sind, haben in der Regel eine Leistung von 150 bis 3000 Watt. ⓘ

Nicht bei allen Wechselrichteranwendungen geht es ausschließlich oder hauptsächlich um die Leistungsabgabe; in einigen Fällen werden die Frequenz- und oder Wellenformeigenschaften von der nachfolgenden Schaltung oder dem Gerät genutzt werden. ⓘ

Batterien

Die Laufzeit eines batteriebetriebenen Wechselrichters ist abhängig von der Batterieleistung und der Menge an Strom, die dem Wechselrichter zu einem bestimmten Zeitpunkt entnommen wird. Je mehr Geräte den Wechselrichter nutzen, desto kürzer ist die Laufzeit. Um die Laufzeit eines Wechselrichters zu verlängern, können zusätzliche Batterien zum Wechselrichter hinzugefügt werden. ⓘ

Formel zur Berechnung der Batteriekapazität des Wechselrichters:

Batteriekapazität (Ah) = Gesamtlast (in Watt) X Nutzungszeit (in Stunden) / Eingangsspannung (V)

Wenn Sie versuchen, weitere Batterien zu einem Wechselrichter hinzuzufügen, gibt es zwei grundlegende Optionen für die Installation:

Reihenschaltung

Wenn das Ziel darin besteht, die Gesamteingangsspannung des Wechselrichters zu erhöhen, kann man die Batterien in einer Reihenkonfiguration hintereinander schalten. Wenn bei einer Reihenschaltung eine einzelne Batterie ausfällt, sind die anderen Batterien nicht in der Lage, die Last zu versorgen.

Parallele Konfiguration

Wenn das Ziel darin besteht, die Kapazität zu erhöhen und die Laufzeit des Wechselrichters zu verlängern, können die Batterien parallel geschaltet werden. Dadurch erhöht sich die Gesamtamperestundenzahl (Ah) des Batteriesatzes. Wenn jedoch eine einzelne Batterie entladen wird, entladen sich die anderen Batterien über sie. Dies kann zu einer schnellen Entladung des gesamten Pakets oder sogar zu einem Überstrom und einem möglichen Brand führen. Um dies zu vermeiden, können große parallele Batterien über Dioden oder eine intelligente Überwachung mit automatischer Umschaltung verbunden werden, um eine Batterie mit Unterspannung von den anderen zu isolieren. ⓘ

Anwendungen

Man unterscheidet zwei Steuerungsarten von Wechselrichtern:

• Selbst geführte Wechselrichter, auch Inselwechselrichter, verwenden Transistoren, zum Beispiel IGBTs. Sie dienen der Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung, als Nebenfall ist auch der umgekehrte Weg möglich. Da die Ventile mit einem vom Wechselrichter selbst erzeugten Takt an- und ausgeschaltet werden können, ist keine Referenz vom Netz nötig. Selbst geführte Wechselrichter können damit zur Erzeugung einer Wechselspannung unabhängig vom Stromnetz dienen und ein sogenanntes Inselnetz aufbauen (führen – vgl. Netzführung). ⓘ

• Fremd- oder netzgeführte Wechselrichter verwenden meist ebenfalls IGBT, aber auch Thyristoren oder Triacs. Sie benötigen zur Funktion eine feste Wechselspannung im Netz und beziehen sogenannte Kommutierungsblindleistung. Sie dienen dazu, Energie von der Gleichspannungsseite in das Wechselstromnetz einzuspeisen, die umgekehrte Richtung ist oft ebenso möglich. Dieser Typ verfügt über eine Abschaltung der Anlage bei Netzstörungen. So wird Überspannung oder Spannung in abgeschalteten Netz-Abschnitten vermieden. Dies wird in der VDE-Norm 0126 geregelt, siehe Einrichtung zur Netzüberwachung mit zugeordneten Schaltorganen. ⓘ

Anwendungsbeispiele für selbst geführte Wechselrichter

• Berghütten, Wetterstationen ohne Netzanbindung, mobile Geräte, Wechselrichter in Wohnmobilen und auf Booten
• Unterbrechungsfreie Stromversorgungen in Krankenhäusern, Kraftwerken und Rechenzentren ⓘ

Anwendungsbeispiele für fremd geführte Wechselrichter

• an einspeisefähigen (netzgekoppelten) Photovoltaikanlagen und Brennstoffzellen
• zur Netzkopplung von Windkraftanlagen mit variabler Drehzahl und Gleichspannungszwischenkreis
• zur Energierückgewinnung (Bremsenergienutzung) an 2-Quadranten-Frequenzumrichtern ⓘ

Verwendung als DC-Stromquelle

Wechselrichter zur Erzeugung von 115 V Wechselstrom aus der 12-V-Gleichstromquelle in einem Kraftfahrzeug. Das gezeigte Gerät liefert bis zu 1,2 Ampere Wechselstrom, was für den Betrieb von zwei 60-W-Glühbirnen ausreicht. ⓘ

Ein Wechselrichter wandelt den Gleichstrom aus Quellen wie Batterien oder Brennstoffzellen in Wechselstrom um. Der Strom kann jede beliebige Spannung haben; insbesondere kann er Wechselstromgeräte betreiben, die für den Netzbetrieb ausgelegt sind, oder ihn gleichrichten, um Gleichstrom mit jeder gewünschten Spannung zu erzeugen. ⓘ

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) verwendet Batterien und einen Wechselrichter, um Wechselstrom zu liefern, wenn der Netzstrom nicht verfügbar ist. Wenn die Netzspannung wiederhergestellt ist, liefert ein Gleichrichter Gleichstrom, um die Batterien wieder aufzuladen. ⓘ

Drehzahlregelung von Elektromotoren

Wechselrichterschaltungen, die für einen variablen Ausgangsspannungsbereich ausgelegt sind, werden häufig in Motordrehzahlreglern eingesetzt. Die Gleichspannung für den Wechselrichterteil kann aus einer normalen Wechselstromsteckdose oder einer anderen Quelle stammen. Steuerung und Rückkopplungsschaltungen werden verwendet, um die endgültige Leistung des Umrichterteils einzustellen, die letztendlich die Geschwindigkeit des Motors unter seiner mechanischen Last bestimmt. Die Anforderungen an die Drehzahlregelung von Motoren sind vielfältig und umfassen wie z. B.: motorbetriebene Industrieanlagen, Elektrofahrzeuge, Schienenverkehrssysteme und Elektrowerkzeuge. (Siehe hierzu: Frequenzumrichter) Die Schaltzustände werden für positive, negative und Nullspannungen gemäß den in der Schalttabelle 1 angegebenen Mustern entwickelt. Die erzeugten Gate-Impulse werden entsprechend dem entwickelten Muster an die einzelnen Schalter gegeben, und so erhält man den Ausgang. ⓘ

In Kühlkompressoren

Ein Inverter kann zur Steuerung der Drehzahl des Verdichtermotors verwendet werden, um einen variablen Kältemittelstrom in einer Kälte- oder Klimaanlage anzutreiben und so die Systemleistung zu regulieren. Solche Anlagen werden als Inverterverdichter bezeichnet. Herkömmliche Methoden der Kälteregelung verwenden eintourige Verdichter, die periodisch ein- und ausgeschaltet werden; mit Invertern ausgerüstete Systeme verfügen über einen Antrieb mit variabler Frequenz, der die Drehzahl des Motors und damit die Verdichter- und Kühlleistung steuert. Der frequenzvariable Wechselstrom des Wechselrichters treibt einen bürstenlosen Motor oder einen Induktionsmotor an, dessen Drehzahl proportional zur Frequenz des eingespeisten Wechselstroms ist, so dass der Kompressor mit variabler Drehzahl betrieben werden kann - die Vermeidung von Stopp-Start-Zyklen des Kompressors erhöht die Effizienz. Ein Mikrocontroller überwacht in der Regel die Temperatur in dem zu kühlenden Raum und passt die Drehzahl des Kompressors an, um die gewünschte Temperatur zu halten. Die zusätzliche Elektronik und Systemhardware verursachen zusätzliche Kosten, können aber zu erheblichen Einsparungen bei den Betriebskosten führen. Die ersten Inverter-Klimageräte wurden 1981 von Toshiba in Japan auf den Markt gebracht. ⓘ

Stromnetz

Netzgekoppelte Wechselrichter sind für die Einspeisung in das Stromverteilungssystem konzipiert. Sie übertragen synchron mit dem Netz und haben möglichst wenig Oberschwingungsanteile. Außerdem müssen sie aus Sicherheitsgründen das Vorhandensein von Netzstrom erkennen können, damit sie bei einem Stromausfall nicht weiter Strom in das Netz einspeisen. ⓘ

Synchronumrichter sind Wechselrichter, die einen rotierenden Generator simulieren und zur Stabilisierung von Netzen eingesetzt werden können. Sie können so konstruiert werden, dass sie schneller als normale Generatoren auf Änderungen der Netzfrequenz reagieren und herkömmlichen Generatoren die Möglichkeit geben, auf sehr plötzliche Änderungen der Nachfrage oder der Produktion zu reagieren. ⓘ

Große Wechselrichter mit einer Nennleistung von mehreren hundert Megawatt werden eingesetzt, um Strom von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssystemen an Wechselstrom-Verteilungssysteme zu liefern. ⓘ

Solaranlage

Innenansicht eines Solarwechselrichters. Man beachte die vielen großen Kondensatoren (blaue Zylinder), die dazu dienen, Energie kurzzeitig zu speichern und die Ausgangswellenform zu verbessern. ⓘ

Ein Solarwechselrichter ist eine Komponente der Systembilanz (BOS) einer Photovoltaikanlage und kann sowohl für netzgekoppelte als auch für netzunabhängige Systeme verwendet werden. Solarwechselrichter verfügen über spezielle Funktionen, die an die Verwendung mit Photovoltaikanlagen angepasst sind, darunter das Maximum Power Point Tracking und der Inselbildungsschutz. Solar-Mikro-Wechselrichter unterscheiden sich von herkömmlichen Wechselrichtern, da an jedem Solarmodul ein eigener Mikro-Wechselrichter angebracht ist. Dadurch kann der Gesamtwirkungsgrad des Systems verbessert werden. Die Leistung von mehreren Mikro-Wechselrichtern wird dann kombiniert und häufig in das Stromnetz eingespeist. ⓘ

In anderen Anwendungen kann ein herkömmlicher Wechselrichter mit einer Batteriebank kombiniert werden, die von einem Solarladeregler versorgt wird. Diese Kombination von Komponenten wird oft als Solargenerator bezeichnet. ⓘ

Solarwechselrichter werden auch in Photovoltaiksystemen für Raumfahrzeuge eingesetzt. ⓘ

Solarwechselrichter ⓘ

Ein Solarwechselrichter ist Teil einer Solaranlage. Auf der Eingangsseite befinden sich üblicherweise ein oder mehrere Gleichstromsteller mit Maximum-Power-Point-Tracker, den ein Mikroprozessor steuert und den Zwischenkreis speist. Auf der Ausgangsseite befindet sich ein ein- bis dreiphasiger Wechselrichter und synchronisiert sich automatisch mit dem Stromnetz. ⓘ

Induktionserwärmung

Wechselrichter wandeln niederfrequenten Hauptwechselstrom in höhere Frequenzen um, die für die Induktionserwärmung verwendet werden. Zu diesem Zweck wird der Wechselstrom zunächst gleichgerichtet, um Gleichstrom zu erzeugen. Der Wechselrichter wandelt dann die Gleichspannung in hochfrequente Wechselspannung um. Durch die Verringerung der Anzahl der verwendeten Gleichstromquellen wird die Struktur zuverlässiger und die Ausgangsspannung hat eine höhere Auflösung, da die Anzahl der Stufen erhöht wird, so dass die sinusförmige Referenzspannung besser erreicht werden kann. Diese Konfiguration ist in letzter Zeit bei Wechselstromversorgungen und drehzahlgeregelten Antrieben sehr beliebt geworden. Mit diesem neuen Wechselrichter können zusätzliche Klemmdioden oder Spannungsausgleichskondensatoren vermieden werden. ⓘ

Es gibt drei Arten von pegelverschobenen Modulationstechniken, nämlich:

• Phasenverschiebung (POD)
• Alternative Phasenverschiebung (APOD)
• Phasenverschiebung (PD) ⓘ

HVDC-Stromübertragung

Bei der HGÜ wird Wechselstrom gleichgerichtet und Hochspannungsgleichstrom an einen anderen Ort übertragen. Am Empfangsort wandelt ein Wechselrichter in einer statischen Wechselrichteranlage den Strom wieder in Wechselstrom um. Der Wechselrichter muss mit der Netzfrequenz und -phase synchronisiert sein und die Erzeugung von Oberwellen minimieren. ⓘ

Elektroschockwaffen

Elektroschockwaffen und Taser haben einen Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichter, der aus einer kleinen 9-V-Gleichstrombatterie mehrere zehntausend Volt Wechselstrom erzeugt. Zunächst werden die 9 V Gleichstrom mit einem kompakten Hochfrequenztransformator in 400-2000 V Wechselstrom umgewandelt, der dann gleichgerichtet und in einem Hochspannungskondensator zwischengespeichert wird, bis eine voreingestellte Schwellenspannung erreicht ist. Bei Erreichen der Schwellenspannung (die über einen Luftspalt oder einen TRIAC eingestellt wird) entlädt der Kondensator seine gesamte Last in einen Impulstransformator, der sie dann auf die endgültige Ausgangsspannung von 20-60 kV hochsetzt. Eine Variante des Prinzips wird auch in elektronischen Blitzgeräten und Wanzenzappern verwendet, die allerdings zur Erzielung ihrer hohen Spannung auf einen Spannungsvervielfacher auf Kondensatorbasis angewiesen sind. ⓘ

Sonstiges

Typische Anwendungen für Wechselrichter sind:

• Tragbare Verbrauchergeräte, die es dem Benutzer ermöglichen, eine Batterie oder einen Satz Batterien an das Gerät anzuschließen, um Wechselstrom für den Betrieb verschiedener elektrischer Geräte wie Lampen, Fernsehgeräte, Küchengeräte und Elektrowerkzeuge zu erzeugen.
• Verwendung in Stromerzeugungssystemen wie z. B. bei Stromversorgungsunternehmen oder Solaranlagen zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom.
• Verwendung in jedem größeren elektronischen System, bei dem ein technischer Bedarf für die Ableitung einer Wechselstromquelle aus einer Gleichstromquelle besteht.
• Frequenzumwandlung - wenn ein Benutzer in einem 50-Hz-Land eine 60-Hz-Versorgung benötigt, um Geräte zu betreiben, die frequenzspezifisch sind, wie z. B. ein kleiner Motor oder einige elektronische Geräte, ist es möglich, die Frequenz umzuwandeln, indem ein Wechselrichter mit einem 60-Hz-Ausgang von einer Gleichstromquelle, wie z. B. einer 12-V-Stromversorgung, die vom 50-Hz-Netz betrieben wird, betrieben wird. ⓘ

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV)

Eine USV enthält einen Wechselrichter, der bei Stromausfall im einfachsten Fall mit einem Relais statt des Netzes an die Verbraucher geschaltet wird. Die kurze Umschaltpause von einigen Millisekunden wird von den meisten Verbrauchern toleriert. ⓘ

Der Wechselrichter wird aus einem Akkumulator (üblichwerweise ein spezieller Bleiakkumulator) gespeist, der bei vorhandenem Netz mit einer Ladeschaltung geladen und auf der Ladeschlussspannung gehalten wird. ⓘ

Manche USV arbeiten mit einem netzfrequenten Transistor-Zerhacker und einem nachfolgenden netzfrequenten Transformator, andere Geräte benutzen höherfrequente PWM-Wechselrichter und sind daher leichter. ⓘ

Wechselrichter in Kraftfahrzeugen

Wechselrichter für den Anschluss an den Zigarettenanzünder ⓘ

Wechselrichter für den Einsatz in Kraftfahrzeugen sind für den Anschluss an die Bordspannungssteckdose (Zigarettenanzünder-Steckdose) oder für Festanschluss (Wohnmobile, Busse, LKW) ausgelegt. Es gibt sie für 12 Volt (PKW) und 24 Volt (LKW, Busse). ⓘ

Für manche PKW-Modelle sind als Sonderausstattung eingebaute Wechselrichter mit einer Steckdose für Eurostecker oder einer Schutzkontaktsteckdose lieferbar. ⓘ

Beim Betrieb von Wechselrichtern über die üblicherweise mit 15 A abgesicherte 12-Volt-Zigarettenanzünder-Buchse ist die Leistung auf etwa 100 bis 150 Watt begrenzt. Die Entladung führt zu einem höheren Innenwiderstand der Bordbatterie, weshalb das Starten des Motors beeinträchtigt werden kann. Starterbatterien haben überdies geringe Zyklenlebensdauern. ⓘ

Bei Betrieb bei laufendem Motor kann zwar die Lichtmaschine beträchtlichen Strom liefern, dies ist jedoch ökonomisch und ökologisch ungünstig. ⓘ

Wechselrichter, die für den Einsatz in Kraftfahrzeugen vorgesehen sind, müssen eine E-Kennzeichnung (ECE-Bauartgenehmigung) haben. ⓘ

Beleuchtung

Inverter aus dem Sockel einer Kompaktleuchtstofflampe ⓘ

Anwendung findet der Inverter, hier in Form eines Resonanzwandlers, bei Leistungen im Bereich von einigen 10 W als elektronisches Vorschaltgerät in Leuchtstofflampen. ⓘ

Ein weiteres großes Anwendungsgebiet dieser Inverter ist die Stromversorgung von Leuchtröhren (CCFL), die häufig als Hintergrundbeleuchtung für TFT-Flachbildschirme verwendet werden. ⓘ

Beschreibung der Schaltung

Oben: Einfache Wechselrichterschaltung mit einem elektromechanischen Schalter und einer automatischen Ersatzschaltung, die mit zwei Transistoren und einem Spartransformator anstelle des mechanischen Schalters realisiert ist. ⓘ

Rechteckige Wellenform mit Sinus-Grundschwingung, 3. und 5. Oberschwingung ⓘ

Grundlegender Aufbau

In einer einfachen Wechselrichterschaltung wird die Gleichspannung über die Mittelanzapfung der Primärwicklung an einen Transformator angeschlossen. Ein Relaisschalter wird schnell hin- und hergeschaltet, damit der Strom auf zwei abwechselnden Wegen durch das eine Ende der Primärwicklung und dann durch das andere Ende zurück zur Gleichstromquelle fließt. Der Wechsel der Stromrichtung in der Primärwicklung des Transformators erzeugt Wechselstrom (AC) im Sekundärkreis. ⓘ

Die elektromechanische Version der Schaltvorrichtung umfasst zwei feststehende Kontakte und einen federunterstützten beweglichen Kontakt. Die Feder hält den beweglichen Kontakt gegen einen der feststehenden Kontakte und ein Elektromagnet zieht den beweglichen Kontakt an den gegenüberliegenden feststehenden Kontakt. Der Strom im Elektromagneten wird durch die Wirkung des Schalters unterbrochen, so dass der Schalter ständig schnell hin und her schaltet. Diese Art von elektromechanischem Umschalter, auch Vibrator oder Summer genannt, wurde früher in Vakuumröhren-Autoradios verwendet. Ein ähnlicher Mechanismus wurde in Türklingeln, Summern und Tätowiermaschinen verwendet. ⓘ

Seitdem Transistoren und verschiedene andere Arten von Halbleiterschaltern mit ausreichender Leistung verfügbar sind, wurden sie in Inverterschaltungen integriert. Bei bestimmten Leistungen, insbesondere bei großen Systemen (viele Kilowatt), werden Thyristoren (SCR) eingesetzt. SCRs bieten eine große Leistungsaufnahme in einem Halbleiterbauelement und können leicht über einen variablen Zündbereich gesteuert werden. ⓘ

Der Schalter in dem oben beschriebenen einfachen Wechselrichter erzeugt, wenn er nicht mit einem Ausgangstransformator gekoppelt ist, eine quadratische Spannungswellenform, da er einfach aus- und eingeschaltet wird, im Gegensatz zu einer sinusförmigen Wellenform, die die übliche Wellenform einer Wechselstromversorgung ist. Mit Hilfe der Fourier-Analyse werden periodische Wellenformen als Summe einer unendlichen Reihe von Sinuswellen dargestellt. Die Sinuswelle, die die gleiche Frequenz wie die ursprüngliche Wellenform hat, wird als Grundwelle bezeichnet. Die anderen in der Reihe enthaltenen Sinuswellen, die so genannten Oberschwingungen, haben Frequenzen, die ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz sind. ⓘ

Die Fourier-Analyse kann zur Berechnung der gesamten harmonischen Verzerrung (THD) verwendet werden. Die gesamte harmonische Verzerrung (THD) ist die Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate der Oberschwingungsspannungen geteilt durch die Grundspannung: ${\mbox{THD}}={{\sqrt {V_{2}^{2}+V_{3}^{2}+V_{4}^{2}+\cdots +V_{n}^{2}}} \over V_{1}}$ ⓘ

Fortgeschrittene Designs

H-Brücken-Wechselrichterschaltung mit Transistorschaltern und antiparallelen Dioden ⓘ

Es gibt viele verschiedene Stromkreistopologien und Regelungsstrategien, die bei der Entwicklung von Wechselrichtern eingesetzt werden. Die verschiedenen Entwurfsansätze berücksichtigen verschiedene Aspekte, die je nach Verwendungszweck des Wechselrichters mehr oder weniger wichtig sein können. So kann beispielsweise ein Elektromotor in einem fahrenden Auto zu einer Energiequelle werden und mit der richtigen Wechselrichter-Topologie (Voll-H-Brücke) die Autobatterie beim Abbremsen oder Verzögern aufladen. In ähnlicher Weise kann die richtige Topologie (volle H-Brücke) die Rollen von "Quelle" und "Last" umkehren, d. h. wenn beispielsweise die Spannung auf der AC-"Last"-Seite höher ist (durch Hinzufügen eines Solar-Wechselrichters, ähnlich einem Generator, aber in Festkörpertechnik), kann Energie zurück in die DC-"Quelle" oder Batterie fließen. ⓘ

Ausgehend von der grundlegenden H-Brücken-Topologie gibt es zwei verschiedene grundlegende Regelungsstrategien, den frequenzvariablen Brückenwandler und die PWM-Regelung. In der linken Abbildung der H-Brückenschaltung wird der obere linke Schalter als "S1" bezeichnet, die anderen werden als "S2, S3, S4" bezeichnet, und zwar in der Reihenfolge gegen den Uhrzeigersinn. ⓘ

Bei dem grundlegenden frequenzvariablen Brückenwandler können die Schalter mit der gleichen Frequenz wie der Wechselstrom im Stromnetz (60 Hz in den USA) betrieben werden. Die Wechselstromfrequenz wird jedoch durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der die Schalter geöffnet und geschlossen werden. Wenn S1 und S4 eingeschaltet sind und die beiden anderen ausgeschaltet sind, wird die Last mit positiver Spannung versorgt und umgekehrt. Wir können den Ein-Aus-Zustand der Schalter steuern, um den Betrag und die Phase des Wechselstroms einzustellen. Wir könnten die Schalter auch so steuern, dass bestimmte Oberschwingungen eliminiert werden. Dazu gehört die Steuerung der Schalter, um Kerben oder 0-Zustandsbereiche in der Ausgangswellenform zu erzeugen, oder die Addition der Ausgänge von zwei oder mehr parallel geschalteten Wandlern, die gegeneinander phasenverschoben sind. ⓘ

Eine weitere mögliche Methode ist die PWM. Im Gegensatz zum frequenzvariablen Brückenwandler können bei der PWM-Steuerungsstrategie nur zwei Schalter S3, S4 mit der Frequenz der Wechselstromseite oder mit einer niedrigen Frequenz arbeiten. Die beiden anderen schalten viel schneller (typischerweise 100 KHz), um Rechteckspannungen gleicher Größe, aber unterschiedlicher Dauer zu erzeugen, die sich wie eine Spannung mit wechselnder Größe in einem größeren Zeitbereich verhalten. ⓘ

Diese beiden Strategien erzeugen unterschiedliche Oberschwingungen. Bei der ersten Strategie ergibt sich durch Fourier-Analyse, dass der Betrag der Oberschwingungen 4/(pi*k) beträgt (k ist die Ordnung der Oberschwingungen). Der Großteil der Oberschwingungsenergie ist also in den Oberschwingungen niedrigerer Ordnung konzentriert. Bei der PWM-Strategie hingegen liegt die Energie der Oberschwingungen aufgrund der schnellen Umschaltung in den höheren Frequenzen. Die unterschiedlichen Eigenschaften der Oberschwingungen führen zu unterschiedlichen Anforderungen an THD und Oberschwingungseliminierung. Ähnlich wie der "THD" steht der Begriff "Wellenformqualität" für den Grad der durch Oberschwingungen verursachten Verzerrung. Die Wellenformqualität des direkt von der oben erwähnten H-Brücke erzeugten Wechselstroms wäre nicht so gut, wie wir es uns wünschen. ⓘ

Das Problem der Wellenformqualität kann auf viele Arten angegangen werden. Kondensatoren und Induktivitäten können zur Filterung der Wellenform verwendet werden. Wenn der Entwurf einen Transformator enthält, kann die Filterung auf der Primär- oder der Sekundärseite des Transformators oder auf beiden Seiten erfolgen. Tiefpassfilter werden eingesetzt, um die Grundwellenkomponente der Wellenform zum Ausgang durchzulassen und gleichzeitig den Durchgang der Oberwellenkomponenten zu begrenzen. Soll der Wechselrichter Leistung mit einer festen Frequenz liefern, kann ein Resonanzfilter verwendet werden. Bei einem Wechselrichter mit einstellbarer Frequenz muss der Filter auf eine Frequenz abgestimmt werden, die über der maximalen Grundfrequenz liegt. ⓘ

Da die meisten Lasten eine Induktivität enthalten, werden häufig Rückkopplungsgleichrichter oder antiparallele Dioden über jeden Halbleiterschalter geschaltet, um einen Pfad für den Spitzenstrom der induktiven Last zu schaffen, wenn der Schalter ausgeschaltet wird. Die antiparallelen Dioden ähneln in gewisser Weise den Freilaufdioden, die in AC/DC-Wandlerschaltungen verwendet werden. ⓘ

Wellenform	Signal Übergänge pro Periode	Oberschwingungen eliminiert	Oberschwingungen Verstärkt	System Beschreibung	THD ⓘ
	2			2-stufig Rechteckwelle	~45%
	4	3, 9, 27, …		3-Pegel modifizierte Sinuswelle	>23.8%
	8			5-Pegel modifizierte Sinuswelle	>6.5%
	10	3, 5, 9, 27	7, 11, …	2-stufig sehr langsame PWM
	12	3, 5, 9, 27	7, 11, …	3-Pegel sehr langsame PWM

Die Fourier-Analyse zeigt, dass eine Wellenform wie eine Rechteckwelle, die um den 180-Grad-Punkt unsymmetrisch ist, nur ungerade Oberwellen enthält, nämlich die 3. Wellenformen mit Stufen bestimmter Breite und Höhe können bestimmte niedere Oberschwingungen auf Kosten der Verstärkung höherer Oberschwingungen abschwächen. Durch Einfügen einer Nullspannungsstufe zwischen dem positiven und negativen Teil der Rechteckwelle können beispielsweise alle durch drei teilbaren Oberwellen (3. und 9. usw.) eliminiert werden. Dann bleiben nur noch die 5, 7, 11, 13 usw. übrig. Die erforderliche Breite der Stufen beträgt jeweils ein Drittel der Periode für die positiven und negativen Stufen und ein Sechstel der Periode für die Nullspannungsstufen. ⓘ

Die oben beschriebene Änderung der Rechteckwelle ist ein Beispiel für die Pulsbreitenmodulation. Die Modulation oder Regulierung der Breite eines Rechteckimpulses wird häufig als Methode zur Regulierung oder Einstellung der Ausgangsspannung eines Wechselrichters verwendet. Wenn eine Spannungsregelung nicht erforderlich ist, kann eine feste Impulsbreite gewählt werden, um bestimmte Oberschwingungen zu reduzieren oder zu eliminieren. Oberschwingungseliminierungstechniken werden im Allgemeinen auf die niedrigsten Oberschwingungen angewandt, da die Filterung bei hohen Frequenzen viel praktischer ist, da die Filterkomponenten dort viel kleiner und weniger teuer sein können. PWM-Steuerungssysteme mit mehreren Impulsbreiten oder Trägern erzeugen Wellenformen, die sich aus vielen schmalen Impulsen zusammensetzen. Die Frequenz, die sich aus der Anzahl der schmalen Pulse pro Sekunde ergibt, wird als Schaltfrequenz oder Trägerfrequenz bezeichnet. Diese Steuerungsverfahren werden häufig in Wechselrichtern zur Steuerung von Motoren mit variabler Frequenz verwendet, da sie einen großen Bereich der Ausgangsspannung und Frequenzanpassung ermöglichen und gleichzeitig die Qualität der Wellenform verbessern. ⓘ

Multilevel-Wechselrichter bieten einen weiteren Ansatz zur Oberwellenunterdrückung. Multilevel-Wechselrichter liefern eine Ausgangswellenform, die mehrere Stufen auf verschiedenen Spannungsebenen aufweist. Es ist zum Beispiel möglich, eine sinusförmigere Welle zu erzeugen, indem man Split-Rail-Gleichstromeingänge mit zwei Spannungen oder positive und negative Eingänge mit einer zentralen Masse hat. Verbindet man die Ausgangsklemmen des Wechselrichters nacheinander mit der positiven Schiene und Masse, der positiven Schiene und der negativen Schiene, der Masseschiene und der negativen Schiene und dann beide mit der Masseschiene, wird am Ausgang des Wechselrichters eine gestufte Wellenform erzeugt. Dies ist ein Beispiel für einen dreistufigen Wechselrichter: die beiden Spannungen und Masse. ⓘ

Mehr über die Erzeugung einer Sinuswelle

Resonanz-Wechselrichter erzeugen Sinuswellen mit LC-Schaltungen, um die Oberwellen aus einer einfachen Rechteckwelle zu entfernen. In der Regel gibt es mehrere Reihen- und Parallelschwingkreise, die jeweils auf eine andere Oberwelle der Netzfrequenz abgestimmt sind. Dies vereinfacht die Elektronik, aber die Induktivitäten und Kondensatoren sind in der Regel groß und schwer. Aufgrund seines hohen Wirkungsgrads wird dieser Ansatz gerne in großen unterbrechungsfreien Stromversorgungen in Rechenzentren eingesetzt, die den Wechselrichter kontinuierlich im "Online"-Modus betreiben, um Umschaltvorgänge bei Stromausfällen zu vermeiden. (Siehe dazu: Resonanzwechselrichter) ⓘ

Ein eng verwandter Ansatz verwendet einen ferroresonanten Transformator, der auch als Konstantspannungstransformator bekannt ist, um Oberschwingungen zu entfernen und genügend Energie zu speichern, um die Last für einige Wechselstromzyklen aufrechtzuerhalten. Diese Eigenschaft macht sie in Notstromversorgungen nützlich, um die Umschalttransiente zu eliminieren, die sonst bei einem Stromausfall auftritt, während der normalerweise inaktive Wechselrichter anläuft und die mechanischen Relais auf seinen Ausgang umschalten. ⓘ

Verbesserte Quantisierung

Ein in der Zeitschrift Power Electronics vorgestellter Vorschlag verwendet zwei Spannungen als Verbesserung gegenüber der gängigen kommerziellen Technologie, die die Zwischenkreisspannung nur in eine Richtung anlegen oder abschalten kann. Der Vorschlag fügt dem üblichen Design Zwischenspannungen hinzu. In jedem Zyklus wird die folgende Abfolge von Spannungen geliefert: v1, v2, v1, 0, -v1, -v2, -v1, 0. ⓘ

Dreiphasen-Wechselrichter

Dreiphasiger Wechselrichter mit Sternschaltung der Last ⓘ

Dreiphasige Wechselrichter werden für frequenzvariable Antriebe und für Hochleistungsanwendungen wie die HGÜ eingesetzt. Ein grundlegender dreiphasiger Wechselrichter besteht aus drei einphasigen Wechselrichterschaltern, die jeweils an einen der drei Lastanschlüsse angeschlossen sind. Beim einfachsten Steuerschema wird der Betrieb der drei Schalter so koordiniert, dass ein Schalter an jedem 60-Grad-Punkt der Ausgangsgrundwellenform arbeitet. Auf diese Weise entsteht eine lineare Ausgangswellenform mit sechs Schritten. Die sechsstufige Wellenform hat eine Nullspannungsstufe zwischen dem positiven und dem negativen Teil der Rechteckwelle, so dass die Oberwellen, die ein Vielfaches von drei sind, wie oben beschrieben eliminiert werden. Wenn trägerbasierte PWM-Techniken auf sechsstufige Wellenformen angewandt werden, bleibt die grundlegende Gesamtform oder Hüllkurve der Wellenform erhalten, so dass die dritte Harmonische und ihre Vielfachen ausgelöscht werden. ⓘ

3-Phasen-Wechselrichter-Schaltkreis mit 6-Schritt-Schaltfolge und Wellenform der Spannung zwischen den Klemmen A und C (2³ - 2 Zustände) ⓘ

Um Wechselrichter mit höherer Leistung zu bauen, können zwei sechsstufige dreiphasige Wechselrichter parallel geschaltet werden, um eine höhere Stromstärke zu erreichen, oder in Reihe geschaltet werden, um eine höhere Spannung zu erreichen. In beiden Fällen werden die Ausgangswellenformen phasenverschoben, um eine 12-stufige Wellenform zu erhalten. Wenn zusätzliche Wechselrichter kombiniert werden, erhält man einen 18-stufigen Wechselrichter mit drei Wechselrichtern usw. Obwohl Wechselrichter in der Regel kombiniert werden, um eine höhere Spannung oder einen höheren Strom zu erreichen, wird auch die Qualität der Wellenform verbessert. ⓘ

Größe

Im Vergleich zu anderen elektrischen Haushaltsgeräten sind Wechselrichter sehr groß und voluminös. Im Jahr 2014 startete Google zusammen mit dem IEEE einen offenen Wettbewerb mit dem Namen Little Box Challenge, der mit einem Preisgeld von 1.000.000 Dollar dotiert war, um einen (viel) kleineren Wechselrichter zu bauen. ⓘ

Geschichte

Frühe Wechselrichter

Vom späten neunzehnten bis zur Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts wurde die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom mit rotierenden Umrichtern oder Motor-Generator-Sätzen (M-G-Sätzen) durchgeführt. Zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts begann man, Vakuumröhren und gasgefüllte Röhren als Schalter in Wechselrichterschaltungen zu verwenden. Der am häufigsten verwendete Röhrentyp war das Thyratron. ⓘ

Die Ursprünge der elektromechanischen Wechselrichter erklären, woher der Begriff Wechselrichter stammt. Frühe Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler verwendeten einen Induktions- oder Synchron-Wechselstrommotor, der direkt mit einem Generator (Dynamo) verbunden war, so dass der Kommutator des Generators seine Verbindungen in genau den richtigen Momenten umkehrte, um Gleichstrom zu erzeugen. Eine spätere Entwicklung ist der Synchronumrichter, bei dem die Motor- und Generatorwicklungen in einem Anker zusammengefasst sind, mit Schleifringen an einem Ende und einem Kommutator am anderen Ende und nur einem Feldrahmen. Das Ergebnis bei beiden ist AC-in, DC-out. Bei einem M-G-Generator kann der Gleichstrom als getrennt vom Wechselstrom erzeugt betrachtet werden; bei einem Synchronumrichter kann er in gewissem Sinne als "mechanisch gleichgerichteter Wechselstrom" betrachtet werden. Mit den richtigen Hilfs- und Steuergeräten kann ein M-G-Aggregat oder ein rotierender Umrichter "rückwärts" betrieben werden und Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln. Ein Wechselrichter ist also ein invertierter Umrichter. ⓘ

Eine weitere Anwendung findet der Wechselrichter als Komponente eines Frequenzumrichters. Hier wird aus einer Wechselspannung nach Gleichrichtung (Zwischenkreis) eine Wechselspannung anderer Frequenz erzeugt. Damit kann beispielsweise ein Asynchronmotor in der Drehzahl geregelt werden. Die Energie beim Abbremsen des Motors, er arbeitet dann als Generator, wird bei einfachen Frequenzumrichtern in einem Bremswiderstand in Wärme umgewandelt. Um diese Energie stattdessen ins Netz rückspeisen zu können, kann am Zwischenkreis ein netzgeführter Wechselrichter angeschlossen werden. Es entsteht ein 4-Quadranten-Umrichter. Solche Umrichter können auch ohne Gleichrichter und Zwischenkreis realisiert werden (Matrix-Umrichter). ⓘ

An drehzahlveränderlichen Wasser- oder Windkraftanlagen ist ebenfalls ein 4-Quadranten-Umrichter erforderlich. ⓘ

Gesteuerte Gleichrichter-Wechselrichter

Da frühe Transistoren nicht mit ausreichenden Spannungs- und Stromwerten für die meisten Wechselrichteranwendungen verfügbar waren, leitete die Einführung des Thyristors oder siliziumgesteuerten Gleichrichters (SCR) im Jahr 1957 den Übergang zu Festkörperwechselrichterschaltungen ein. ⓘ

12-pulsige netzkommutierte Wechselrichterschaltung ⓘ

Die Anforderungen an die Kommutierung von SCRs sind ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von SCR-Schaltungen. SCRs schalten nicht automatisch ab oder kommutieren, wenn das Gate-Steuersignal abgeschaltet wird. Sie schalten erst ab, wenn der Durchlassstrom durch einen externen Prozess unter den Mindesthaltestrom sinkt, der je nach SCR-Typ unterschiedlich ist. Bei SCRs, die an eine Wechselstromquelle angeschlossen sind, erfolgt die Kommutierung auf natürliche Weise jedes Mal, wenn sich die Polarität der Quellenspannung umkehrt. Bei SCRs, die an eine Gleichstromquelle angeschlossen sind, ist in der Regel eine Zwangskommutierung erforderlich, die den Strom auf Null zwingt, wenn eine Kommutierung erforderlich ist. Die am wenigsten komplizierten SCR-Schaltungen verwenden eine natürliche Kommutierung anstelle einer Zwangskommutierung. Mit dem Zusatz von Zwangskommutierungsschaltungen wurden SCRs in den oben beschriebenen Arten von Wechselrichterschaltungen verwendet. ⓘ

In Anwendungen, bei denen Wechselrichter Strom von einer Gleichstromquelle auf eine Wechselstromquelle übertragen, können auch gesteuerte Wechselstrom-Gleichrichterschaltungen verwendet werden, die im Inversionsmodus arbeiten. Im Inversionsmodus arbeitet eine gesteuerte Gleichrichterschaltung wie ein netzgeführter Wechselrichter. Diese Betriebsart kann in HVDC-Stromübertragungssystemen und beim regenerativen Bremsbetrieb von Motorsteuerungssystemen eingesetzt werden. ⓘ

Eine andere Art von SCR-Wechselrichterschaltung ist der CSI-Wechselrichter (Current Source Input). Ein CSI-Wechselrichter ist das Pendant zu einem sechsstufigen Spannungsquellenwechselrichter. Bei einem Stromquellenwechselrichter ist die Gleichstromversorgung als Stromquelle und nicht als Spannungsquelle konfiguriert. Die SCRs des Wechselrichters werden in einer sechsstufigen Sequenz geschaltet, um den Strom in Form einer gestuften Stromwellenform an eine dreiphasige Wechselstromlast zu leiten. Zu den Kommutierungsmethoden des CSI-Wechselrichters gehören die Lastkommutierung und die Parallelkondensator-Kommutierung. Bei beiden Methoden unterstützt die Eingangsstromregelung die Kommutierung. Bei der Lastkommutierung ist die Last ein Synchronmotor, der mit einem führenden Leistungsfaktor betrieben wird. ⓘ

Mit der Verfügbarkeit höherer Spannungen und Ströme haben sich Halbleiter wie Transistoren oder IGBTs, die durch Steuersignale abgeschaltet werden können, als bevorzugte Schaltkomponenten für den Einsatz in Wechselrichterschaltungen durchgesetzt. ⓘ

Gleichrichter- und Wechselrichterimpulszahlen

Gleichrichterschaltungen werden häufig nach der Anzahl der Stromimpulse klassifiziert, die pro Zyklus der Eingangswechselspannung auf die Gleichstromseite des Gleichrichters fließen. Ein einphasiger Einweggleichrichter ist eine Einimpulsschaltung und ein einphasiger Vollwellengleichrichter ist eine Zweipulsschaltung. Ein dreiphasiger Einweggleichrichter ist eine Dreipulsschaltung und ein dreiphasiger Vollwellengleichrichter ist eine Sechs-Pulsschaltung. ⓘ

Bei dreiphasigen Gleichrichtern werden manchmal zwei oder mehr Gleichrichter in Reihe oder parallel geschaltet, um höhere Spannungs- oder Stromwerte zu erzielen. Die Gleichrichtereingänge werden von speziellen Transformatoren gespeist, die phasenverschobene Ausgänge liefern. Dies hat den Effekt einer Phasenvervielfachung. Sechs Phasen werden aus zwei Transformatoren gewonnen, zwölf Phasen aus drei Transformatoren usw. Die zugehörigen Gleichrichterschaltungen sind 12-Puls-Gleichrichter, 18-Puls-Gleichrichter und so weiter... ⓘ

Wenn gesteuerte Gleichrichterschaltungen im Inversionsmodus betrieben werden, werden sie ebenfalls nach der Impulszahl klassifiziert. Gleichrichterschaltungen mit einer höheren Impulszahl haben einen geringeren Oberwellengehalt im Eingangswechselstrom und eine geringere Restwelligkeit in der Ausgangsgleichspannung. Im Inversionsmodus haben Schaltungen mit einer höheren Impulszahl einen geringeren Oberwellengehalt in der Ausgangsspannungswellenform. ⓘ

Sonstige Hinweise

Die großen Schaltgeräte für Stromübertragungsanwendungen, die bis 1970 installiert wurden, verwendeten überwiegend Quecksilberbogenventile. Moderne Wechselrichter sind in der Regel Halbleitergeräte (statische Wechselrichter). Eine moderne Konstruktionsmethode besteht in der Anordnung der Komponenten in einer H-Brücken-Konfiguration. Diese Bauweise ist auch bei kleineren Verbrauchergeräten sehr beliebt. ⓘ

Allgemeines

Je nach Anwendung erzeugen Wechselrichter entweder einen ein- oder mehrphasigen Ausgangsstrom bzw. eine ein- oder mehrphasige Ausgangsspannung. Der Wirkungsgrad halbleiterbasierender Geräte kann bis zu 99 Prozent erreichen. ⓘ

Eingesetzt werden Wechselrichter dort, wo elektrische Verbraucher Wechselspannung bzw. -strom zum Betrieb benötigen, aber nur eine Gleichspannungsquelle zur Verfügung steht. Wichtige Anwendungsgebiete sind unter anderem die Ansteuerung von Wechselstrommotoren oder in der Photovoltaik zur Umwandlung des von Solarmodulen gewonnenen Gleichstroms in einen Wechselstrom, zur Einspeisung in das öffentliche Stromversorgungsnetz oder den direkten Verbrauch. ⓘ

Arten

Es gibt elektromechanische Zerhacker, Motorgeneratoren und elektronische Wechselrichter mit Röhren oder Halbleitern (Prinzip von Oszillator oder astabiler Kippstufe/Multivibrator). ⓘ

Aufbau früher und heute

Mit Elektronenröhren

Mit Vakuumröhren realisierte Wechselrichter sind nur für kleinere Leistungen geeignet, sind mechanisch empfindlich und wurden kaum gebaut. Wechselrichter größerer Leistung wurden mit steuerbaren Quecksilberventilen (Thyratrons) realisiert. Später verwendete man für diesen Zweck Thyristoren (mit Löschthyristor oder GTO). ⓘ