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Was ist Wechselrichter?

Gerät, das elektrische Leistung aus Gleichstrom in Wechselstrom beliebiger Frequenz und Höhe umwandelt. Leistungsschalter (IGBTs oder MOSFETs) werden in Brückenform verschaltet und per PWM ein- und ausgeschaltet, um eine Wechselspannung zu erzeugen. Eingesetzt wird er zur Drehzahlsteuerung von Motoren, im Antrieb von Elektrofahrzeugen, in Photovoltaik-Wechselrichtern (Power Conditioner) und in unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV). Er ist nicht zu verwechseln mit dem Inverter (NOT-Gatter) der Digitaltechnik, der 0 und 1 vertauscht.

Japanische Bezeichnung: インバータ

„Wechselrichter“ kommt in 25 Übungsfragen aus 5 Themen vor, z. B. Leistungshalbleiter, Schaltungen der Leistungselektronik, Automobilhalbleiter und Funktionale Sicherheit.

Fachgebiet: Schaltungen der Leistungselektronik

Schaltungsaufbau

Eine einphasige Halbbrücke besteht aus zwei, eine Vollbrücke aus vier und ein dreiphasiger Wechselrichter aus sechs Schaltern, und zu jedem Schalter wird eine Diode antiparallel geschaltet, die den Rückstrom führt. Sind oberer und unterer Schalter gleichzeitig eingeschaltet, wird die Gleichspannungsquelle kurzgeschlossen; deshalb werden beim Umschalten beide für eine Totzeit ausgeschaltet. Das Gate des High-Side-Schalters wird über eine Bootstrap-Schaltung oder einen galvanisch getrennten Gate-Treiber angesteuert.

Steuerung des Ausgangs

Bei der Sinus-PWM wird die gewünschte Sinuskurve mit einem dreieckförmigen Trägersignal verglichen, um die Schalter umzuschalten; der Modulationsgrad bestimmt die Höhe der Ausgangsspannung und die Frequenz des Modulationssignals die Ausgangsfrequenz. Bei dreiphasiger Sinus-PWM mit Modulationsgrad 1 beträgt der Effektivwert der Grundschwingung der Leiterspannung etwa das 0,61-Fache der Gleichspannung (bei 600 V etwa 367 V). Für den Antrieb von Asynchronmotoren nutzt man die V/f-Steuerung, die das Verhältnis von Spannung und Frequenz konstant hält, oder die feldorientierte Regelung (Vektorregelung), die den Strom in eine Fluss- und eine Drehmomentkomponente zerlegt und getrennt regelt.

Spannungs- und stromgespeiste Wechselrichter

Wechselrichter, die die Gleichspannung mit einem Glättungskondensator konstant halten und mit den Schaltern Spannungspulse erzeugen, heißen spannungsgespeiste Wechselrichter (mit Spannungszwischenkreis); solche, die den Gleichstrom mit einer großen Spule konstant halten, stromgespeiste Wechselrichter (mit Stromzwischenkreis). Heutige Motorantriebe und Stromversorgungen arbeiten fast ausschließlich spannungsgespeist. Da auf der Gleichspannungsseite ein Kondensator liegt, ist zu beachten, dass die zurückfließende Energie die Gleichspannung erhöht, wenn der Motor als Generator arbeitet.

Jetzt üben: Fragen zu Wechselrichter

Welche Hauptaufgabe hat ein Wechselrichter (Inverter) in der Leistungselektronik?

  1. AGleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln
  2. BWechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln
  3. CLicht in Elektrizität umzuwandeln
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Antwort: A. Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln

Ein Wechselrichter ist ein Gerät, das Leistungshalbleiter mit einigen kHz bis einigen zehn kHz ein- und ausschaltet und durch Variation der Pulsbreite (PWM) aus Gleichstrom Wechselstrom beliebiger Frequenz und Spannung erzeugt. Er wird in der Drehzahlregelung von Motoren in Klimaanlagen und Waschmaschinen, im Antrieb von Elektrofahrzeugen, in Photovoltaik-Wechselrichtern und in Bahnen eingesetzt und spart viel Energie, indem der Motor nur so schnell wie nötig dreht. Wechselstrom in Gleichstrom wandelt ein Konverter (Gleichrichter) um.

Was ist der Hauptvorteil von SiC-Schottky-Barrier-Dioden als Freilaufdioden z. B. in Wechselrichtern?

  1. ASie sind deutlich billiger als Silizium-Dioden
  2. BSie leuchten, sodass der Betriebszustand erkennbar ist
  3. CEs gibt nahezu keinen Sperrerholstrom, und Schaltverluste lassen sich verringern
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Antwort: C. Es gibt nahezu keinen Sperrerholstrom, und Schaltverluste lassen sich verringern

Schottky-Barrier-Dioden arbeiten allein mit Majoritätsladungsträgern und haben daher nahezu keinen Sperrerholstrom durch die Speicherung von Minoritätsladungsträgern wie bei PN-Dioden. Während sich mit Si-Schottky-Übergängen schwer hohe Sperrspannungen erreichen lassen, sind mit SiC auch 600 bis 1700 V möglich. Als Freilaufdiode in Wechselrichtern oder PFC-Schaltungen verringern sie neben den Verlusten der Diode selbst auch die Einschaltverluste des gegenüberliegenden Schalters stark.

Häufige Fragen

Was macht die „Inverter-Steuerung“ bei Haushaltsgeräten?

Der Netzwechselstrom wird zunächst zu Gleichstrom gleichgerichtet und von einem Wechselrichter wieder in Wechselstrom veränderter Frequenz und Spannung umgewandelt, damit Verdichter von Klimaanlagen oder Motoren von Waschmaschinen genau mit der benötigten Drehzahl laufen. Im Vergleich zu einem Betrieb, der ständig ein- und ausschaltet, lässt sich so der Energieverbrauch senken und zugleich etwa die Temperatur stabil halten.

Worin unterscheidet er sich vom Inverter der Digitaltechnik?

Der Inverter der Digitaltechnik ist ein NOT-Gatter, eine Schaltung für kleine Signale, die die Eingangswerte 0 und 1 vertauscht. Der Wechselrichter der Leistungselektronik ist ein Gerät, das Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt und Leistung überträgt; die beiden haben nur den Namen gemeinsam. Im Englischen heißen beide inverter und werden anhand des Zusammenhangs unterschieden; im Deutschen trennen meist schon die Bezeichnungen Wechselrichter und Inverter.

„Wechselrichter“ in den Erläuterungen

Fragen mit „Wechselrichter“ (25)

  1. Welche Hauptaufgabe hat ein Wechselrichter (Inverter) in der Leistungselektronik?
  2. Was ist der Hauptvorteil von SiC-Schottky-Barrier-Dioden als Freilaufdioden z. B. in Wechselrichtern?
  3. Was ist der Hauptvorteil des Einsatzes von SiC-Leistungsbauelementen in Wechselrichtern von Elektrofahrzeugen?
  4. Welche Kenngröße gibt an, wie lange ein Leistungsbauelement bei einem Kurzschluss im Wechselrichter, etwa durch gleichzeitiges Einschalten von oberem und unterem Schalter, ohne Zerstörung durchhält?
  5. Was ist der Zweck einer kurzen Zeit (Totzeit, Dead Time), in der beim Umschalten der oberen und unteren Schalter des Wechselrichters beide ausgeschaltet bleiben?
  6. Wie viele Schaltelemente werden in einem üblichen dreiphasigen Wechselrichter zum Antrieb eines Drehstrommotors verwendet?
  7. Welche Verluste nehmen zu, wenn ein Schalter des Wechselrichters einschaltet und die Diode im gegenüberliegenden Zweig eine Sperrerholung durchläuft?
  8. Wie wird bei der Sinus-PWM eines Wechselrichters festgelegt, wann die Schalter ein- und ausgeschaltet werden?
  9. Welche Aussage vergleicht die Ausgangsspannungen von Halbbrücke (zwei Schalter) und Vollbrücke (vier Schalter) bei einem Wechselrichter, der aus der Gleichspannung E einphasigen Wechselstrom erzeugt, richtig?
  10. Ein Brückenzweig eines Wechselrichters mit 600 V Gleichspannung wird mit Sinus-PWM betrieben, der Modulationsgrad beträgt 0,8. Wie groß ist die Amplitude (der Scheitelwert) der Grundschwingung der Zweigausgangsspannung, bezogen auf den Mittelpunkt der Gleichspannungsquelle?
  11. Ein dreiphasiger Wechselrichter mit 400 V Gleichspannung wird mit Sinus-PWM und einem Modulationsgrad von 1 betrieben. Welcher Wert liegt dem Effektivwert der Grundschwingung der Leiterspannung am Ausgang am nächsten?
  12. Was geschieht, wenn bei einem Wechselrichter mit Sinus-PWM der Modulationsgrad größer als 1 gewählt wird (Übermodulation)?
  13. Welche Auswirkung hat eine höhere Trägerfrequenz bei einem PWM-Wechselrichter, der einen Motor antreibt?
  14. Welche Auswirkung hat die Totzeit auf die Ausgangsspannung eines spannungsgespeisten PWM-Wechselrichters?
  15. Was ist der Hauptgrund dafür, beim Verstellen der Drehzahl eines Asynchronmotors mit einem Wechselrichter das Verhältnis von Spannung und Frequenz (V/f) nahezu konstant zu halten?

Vergleiche mit diesem Begriff

Verwandte Begriffe

SiC (Siliziumkarbid) Leistungshalbleiter (Leistungsbauelement) PWM (Pulsweitenmodulation) Sinus-PWM IGBT Gleichrichterschaltung (Gleichrichter) Durchlasswiderstand (R_on) Schaltverluste Totzeit (Dead Time) GaN (Galliumnitrid)

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