Pulswechselrichter

Ein Wechselrichter (auch Inverter) ist ein elektrisches Gerät, das Gleichspannung in Wechselspannung bzw. Gleichstrom in einen Wechselstrom umrichtet.

Allgemeines

Wechselrichter können je nach Schaltung sowohl für die Erzeugung von einphasigem Wechselstrom als auch für die Erzeugung von dreiphasigem Wechselstrom (Drehstrom) ausgelegt sein. Sie erreichen Wirkungsgrade bis etwa 98 Prozent.^[1]

Angewendet werden Wechselrichter dort, wo ein elektrischer Verbraucher Wechselspannung zum Betrieb benötigt, aber nur eine Gleichspannungsquelle, wie zum Beispiel eine Autobatterie, zur Verfügung steht, oder dort, wo die Leistung einer Gleichspannungsquelle in das Wechsel- bzw. Drehstromnetz eingespeist werden soll. Die Häufigste Anwendung von Wechselrichtern ist der Antrieb von Elektrischen Maschinen (Synchron- und Ansynchronmaschinen) Dabei formen Wechselrichter die Netzspannung in eine Gleichspannung- bzw. Gleichstrom um und erzeugen dann aus dieser eine in Frequenz und Spannung veränderliche Wechselspannung mit welcher elektrische Antriebe präzise geregelt werden können. Aus diesem Grund werden Wechselrichter zu diesem Zweck auch als Frequenzumrichter bezeichnet.

Arten

Steuerung

Man unterscheidet zwei Steuerungsarten von Wechselrichtern:

• selbstgeführte Wechselrichter verwenden selbst abschaltbare Ventile (Transistoren, IGBT's(Inselwechselrichter). Sie dienen der Umwandlung von Gleichspannung in Gleichspannung oder von Gleichspannung zu Wechselspannung. Da die Ventile vom Wechselrichter selbst, an- und ausgeschaltet werden können wird keine Referenz vom Netz benötigt. Sie können damit zur Erzeugung einer Wechselspannung unabhängig vom Stromnetz dienen und ein sogenanntes Inselnetz aufbauen (führen - vgl. Netzführung).

• fremdgeführte Wechselrichter oder netzgeführte Wechselrichter verwenden meist nicht selbstabschaltbare Ventile (Dioden, Thyristoren, Triacs). Sie benötigen zur Funktion eine feste Wechselspannung im Netz und beziehen sogenannte Kommutierungsblindleistung. Sie dienen in erster Linie zur Bereitstellung von Energie auf die Gleichspannungsseite (sog. Gleichrichterschaltungen) können aber auch bei die Leistungsflussrichtung umkehren und so in das Wechselstromnetz einspeisen.

Zum Einspeisen in das öffentliche Stromnetz muss die Gleichspannung, beispielsweise aus einer Photovoltaikanlage, erst in eine netzsynchrone Wechselspannung umgewandelt werden. Hierzu dienen Wechselrichter. Sie passen Frequenz und Spannung an das Netz an. Darüber hinaus verfügen sie 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 auch: Einrichtung zur Netzüberwachung mit zugeordneten Schaltorganen).

Beispiele für Inselnetze (Netze ohne externen Leistungsaustausch)

• Berghütten, Wetterstationen ohne Netzanbindung, mobile Geräte, Wechselrichter in Wohnmobilen, Versorgung von ländlichen Regionen in Entwicklungsländern
• Unterbrechungsfreie Stromversorgungen in Krankenhäusern, Kraftwerken und Rechenzentren.

Beispiele zu Wechselrichtern

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

Form der Ausgangsspannung

Transformatoren oder Motoren können mit rechteckförmigen Spannungen, wie sie einfache Wechselrichter liefern, betrieben werden. Die steilen Spannungs- und Stromanstiege verursachen jedoch oft Probleme (Störemissionen, Stromspitzen). Eine etwas verbesserte Kurvenform bieten Trapez-Wechselrichter. Bestimmte Verbraucher wie Energiesparlampen oder andere Geräte mit Eingangsgleichrichter und Ladekondensator erfordern jedoch einen Wechselrichter mit sinusförmiger Ausgangsspannung (Sinus-Wechselrichter). Auch hierbei unterscheidet man zwei Varianten, nämlich Modelle, die eine "echte/ reine" Sinus-Kurve aufbauen oder mit einem "Quasi-Sinus" auch die allermeisten Verbraucher zum Laufen bringen. Hochsensible Geräte (einige Spezial-Monitore oder auch Kühlschränke mit Elektrothermostat) erkennen manchmal einen Unterschied und gehen in Störung. Monitore können ein nierenförmiges Bild zeigen.

Bei Motoren (Kühlschränke, Werkzeuge) muss aufgrund des Anlaufstromes die Spitzenleistung des Wechselrichters ausreichend hoch sein. Der Notwendigkeit, für Millisekunden einen ca. zehnmal so hohen Anlaufstrom zu benötigen, tragen höherwertige Modelle Rechnung. Sie "vertragen" kurzzeitig einen dreimal so hohen Überlast-Wert als ihre angegebene Dauer-Nennleistung.

Anwendungen

Photovoltaik

Es gibt drei Varianten von Wechselrichtern für netzgekoppelte Photovoltaikanlagen:

Modulwechselrichter

Modulwechselrichter werden am Solarmodul montiert und werden für Solarmodul-Leistungen von 100 Wp bis 1400 Wp angeboten. Durch die ausgangsseitige (AC-seitige) Parallelschaltung werden Verluste aufgrund unterschiedlicher Beleuchtungsstärke der Module verhindert. Ein Trenntransformator dient der Sicherheit.

Strangwechselrichter

Strangwechselrichter sind mit einem Kabel mit mehreren in Reihe geschalteten Solarmodulen verbunden. Sie sind die heute am weitesten verbreiteten Wechselrichter in der Photovoltaik. Nachteile sind die hohen zu übertragenden Gleichspannungen und Probleme bei Teilabschattungen einzelner Module z. B. aufgrund von Wolken.

Zentralwechselrichter

Zentralwechselrichter sind große Wechselrichter, die meistens in einem eigenen Raum untergebracht sind. Vorteile sind hohe Wirkungsgrade. Nachteil: Bei einer Störung ist der gesamte Anlagenteil außer Betrieb.

Es wird oft mit hohen Wirkungsgraden der Wechselrichter geworben. Der Wirkungsgrad des Wechselrichters entscheidet jedoch nicht allein über den Gesamtwirkungsgrad einer Photovoltaikanlage, sondern alle weiteren Komponenten ebenso wie Reihen- oder Parallelschaltung.

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV)

Eine USV enthält einen fremdgeführten 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 Verbrauchern toleriert. Der Wechselrichter arbeitet aus einem Akkumulator (meist ein Bleiakkumulator), der bei vorhandenem Netz mit einer Ladeschaltung geladen bzw auf der Ladeschlussspannung gehalten wird. Ältere USV arbeiteten mit einem netzfrequenten Transistor-Zerhacker und einem nachfolgenden netzfrequenten Transformator, heutige Geräte benutzen höherfrequente PWM-Wechselrichter und sind daher leichter.

Frequenzumrichter und Netzrückspeisung

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.

Wechselrichter in Kraftfahrzeugen

Wechselrichter für den Anschluss an den Zigarettenanzünder

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

Der erste Fahrzeughersteller, der in einem Serien-PKW einen Wechselrichter mit der Netzspannung 230 V anbot, war die Volkswagen AG. Mittlerweile sind für verschiedene PKW-Modelle Wechselrichter mit einer Steckdose für Eurostecker als Sonderausstattung zu haben, Wechselrichter mit Schuko-Steckdosen sind auch erhältlich.

Beim Betrieb von Wechselrichtern höherer Leistung über den Zigarettenanzünder an einem 12-Volt-Bordnetz ist zu beachten, dass bei der niedrigen Spannung von 12 V ein sehr hoher Strom geführt werden muss (Wärmeentwicklung, Kontaktbelastung). Der Zigarettenanzünder ist in der Regel mit 15 A abgesichert und sollte dauerhaft nicht mit mehr als 10 A belastet werden, um die Kontakterwärmung in Grenzen zu halten. Es können also nur Verbraucher mit bis etwa 100 bis 150 Watt Dauer-Leistungsaufnahme am Zigarettenanzünder betrieben werden. Zudem ist die starke Belastung der Bordbatterie und deren geringe Zyklenlebensdauer zu beachten. Eine Entladetiefe über 30 % sollte vermieden werden, somit lassen sich aus einer üblichen 50-Ah-Batterie sinnvoll max. 15 Ah entnehmen.

Bei laufendem Motor muss beachtet werden, dass die Lichtmaschine zwar einen Ladestrom im Bereich von 50 A liefern kann, ein beträchtlicher Teil aber durch Beleuchtung und andere Verbraucher aufgenommen wird, wodurch bereits bei einem Laststrom von 20 A eine Entladung der Batterie stattfinden kann.

Aufbau früher und heute

Mechanisch

Wechselrichter können mechanisch oder elektronisch realisiert werden. Bei den früher üblichen Zerhackern (Kontaktwechselrichter) polt ein mechanischer Kontakt periodisch die zugeführte Gleichspannung mit einem Wagnerschen Hammer um. Den dabei auftretenden Kontakt-Verschleiß verringerte der Turbowechselrichter. Bei ihm sind die periodisch schaltenden Kontakte durch einen Quecksilberstrahl ersetzt, der sich in einer geschlossenen Kammer von einem Motor betrieben im Kreis dreht.

Mit Elektronenröhren

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

Mit Halbleitern

Alle diese Frequenzumrichter arbeiteten im Takt der Frequenz der zu erzeugenden Wechselspannung und konnten keine Sinus-Ausgangsspannung erzeugen. Diese Wechselrichter sind in der Schaltfrequenz daher auf wenige hundert Hertz begrenzt, meist arbeiteten sie mit 50 Hz. Leistungstransistoren (Bipolartransistoren, MOSFET, IGBT) können das Zerhacken der Gleichspannung mit hoher Effizienz und ohne Verschleiß bewerkstelligen, sie arbeiteten u. a. in USV im Rechteckbetrieb mit 50 Hz und speisten wie auch früher die Zerhacker einen 50-Hz-Transformator. Eine solche Schaltung wäre z. B. ein Vierquadrantensteller. Transistoren ermöglichen jedoch auch Schaltfrequenzen bis zu einigen 10 kHz und arbeiten dann im Chopperbetrieb. Dies wird auch als Unterschwingungsverfahren bezeichnet:
Mit den als Schaltelemente verwendeten Transistoren (meist IGBT) wird durch Pulsweitenmodulation (PWM) im Chopperbetrieb eine Sinus-Wechselspanung aus kurzen Pulsen hoher Frequenz (einige bis über 20 kHz) nachgebildet (Sinus-Wechselrichter) Die Transistoren polen wie auch früher die Zerhacker die Gleichspannung periodisch um, jedoch mit höherer Frequenz. Der Mittelwert der hochfrequenten, pulsweitenmodulierten Schaltfrequenz ist die Ausgangs-Wechselspannung. Man setzt also die Ausgangswechselspannung aus kleinen, unterschiedlich breiten Impulsen zusammen und nähert so den netzüblichen sinusförmigen Spannungsverlauf an. Zur Glättung der PWM dienen Drosseln, die jedoch viel kleiner sind als solche, die für die Glättung der Ausgangs-Wechselspannung früherer Wechselrichter erforderlich waren. Bei Motoren kann auf eine Drossel ganz verzichtet werden.

Literatur

• Klaus Bystron: Leistungselektronik Technische Elektronik Band II. 1. Auflage, Carl Hanser Verlag, München/Wien 1979, ISBN 3-446-12131-5
• Gert Hagmann: Leistungselektronik. 3. Auflage, AULA-Verlag GmbH, Wiebelsheim 2006, ISBN 978-3-89104-700-2
• Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal 1989, ISBN 3-8085-3018-9

Einzelnachweise

1. ↑ Fraunhofer ISE (Hrsg.): Fraunhofer ISE stellt neuen Rekord für Wechselrichterwirkungsgrad auf – SiC Transistoren erhöhen Effizienz von Solarstromanlagen. 2008, 15. Januar 2008 (Presseinformation)

Siehe auch

• Umrichter
• Netzfilter

Weblinks

• Dimensionierung von Wechselrichtern - Artikel aus IHKS-Fachjournal (Ausgabe 2008)
• [1] - Artikel aus der Zeitschrift Joule über den Wirkungsgrad von Photovoltaik - Wechselrichtern (Ausgabe 2009)