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Wechselrichter
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Ein Wechselrichter (auch Inverter) ist ein elektrisches Gerät, das Gleichspannung in Wechselspannung bzw. Gleichstrom in einen Wechselstrom umwandelt.
Wechselrichter können je nach Schaltung sowohl für die Erzeugung von einphasigem Wechselstrom als auch für die Erzeugung von dreiphasigem Wechselstrom (Drehstrom) ausgelegt sein.
Die durchschnittlichen Wirkungsgrade bewegen sich zwischen 93 und 98 %. Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, ist auf eine optimale Auslegung des Wechselrichters für die benötigte Leistung zu achten. Ein Kernproblem bei nicht aktiv gekühlten Wechselrichtern hoher Leistung ist die Abführung der aus der Verlustleistung entstehenden Wärme.
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Anwendung
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 Energie einer Gleichspannungsquelle in das Wechsel- bzw. Drehstromnetz eingespeist werden soll.
Man unterscheidet grundsätzlich zwei Arten von Wechselrichtern:
- Inselwechselrichter zur Erzeugung einer konstanten Wechselspannung (selbstgeführter Wechselrichter)
- Netzeinspeisewechselrichter zur Erzeugung eines netzkonformen (gleiche Spannungshöhe, gleiche Frequenz und gleiche Phasenlage) Wechselstromes (fremdgeführter Wechselrichter)
Beispiele zu 1:
- Versorgung von Geräten, die auf Netzstrom angewiesen sind, in Fahrzeugen.
- Unterbrechungsfreie Stromversorgungen in Krankenhäusern, Kraftwerken und Rechenzentren.
Beispiele zu 2:
- Wechselrichter zur Netzkopplung von Fotovoltaikanlagen
- Wechselrichter zur Netzkopplung von Windenergieanlagen mit variabler Drehzahl und Gleichspannungszwischenkreis
- Wechselrichter zur Netzkopplung von Brennstoffzellen
Zum Einspeisen in das öffentliche Stromnetz muss Gleichstrom z.B. aus einer Fotovoltaikanlage erst in Wechselstrom umgewandelt werden. Hierfür werden spezielle Wechselrichter angeboten. Dabei ist eine perfekte Anpassung an Frequenz und Phase des Netzes erforderlich, um Störungen bis hin zur Zerstörung der Anlage zu verhindern. Darüber hinaus ist die Abschaltung der Anlage bei Netzstörungen nötig. Dies wird in der VDE0126 geregelt.
Es gibt drei Varianten von Wechselrichtern für Photovoltaikanlagen:
- Modulwechselrichter
- Modulwechselrichter werden modulnah montiert und werden in einer Leistung von 100Wp bis 1400Wp angeboten. Durch Parallelschaltung werden Mismatchverluste minimiert. Ein Trenntrafo dient der Sicherheit. Architektonisch sind hier keine Grenzen gesetzt.
- Stringwechselrichter
- Stringwechselrichter sind die heute am weitesten verbreiteten Wechselrichter in der Photovoltaik. Deshalb ist das Preis-Leistungsverhältnis gut. Nachteile sind allerdings hohe Spannungen auf der DC Seite, bei Wechselrichtern ohne Trafo sogar ein elektromagnetisches Feld, welches sowohl Menschen als auch Module gefährden kann. Ebenso ein Nachteil bei langen Strängen: Mismatchverluste durch die Reihenschaltung der Module.
- Zentralwechselrichter
- Zentralwechselrichter sind große Wechselrichter, die meistens in einem eigenen Raum untergebracht sind. Vorteile sind hohe Wirkungsgrade. Nachteil: Bei einer Störung ist die gesamte Anlage, oder ein großer Teil davon, außer Betrieb.
Es wird oft mit hohen Wirkungsgraden der Wechselrichter geworben. Der Wirkungsgrad des Wechselrichters entscheidet jedoch nicht allein über den Gesamtwirkungsgrad der Anlage, sondern alle weiteren Komponenten ebenso (Reihen- oder Parallelschaltung). Ganz abgesehen von der unterschiedlichen Lebensdauer der einzelnen Geräte. Denn Verluste hat jeder Wechselrichter. Kleinere Wechselrichter haben leistungsbezogen eine größere Fläche im Vergleich zu String-Wechselrichtern. Hierdurch wird klar, dass die Wärmeabgabe bei Modulwechselrichtern von Vorteil ist.
Eine weitere Anwendung findet der Wechselrichter als Komponente eines Frequenzumrichters. Hier wird aus einer Wechselspannung über einen Zwischenkreis eine Wechselspannung anderer Frequenz erzeugt. Damit kann ein Drehstromasynchronmotor in der Drehzahl geregelt werden. In vielen Gleichstrommotoren wird das gleiche Verfahren angewendet, wobei zuerst die Netzspannung in eine Gleichspannung umgewandelt werden muss. Der Vorteil gegenüber Asynchronmotoren liegt hier im niedrigeren Energiebedarf und der integrierten Drehzahlregelung, die auch über die Synchrondrehzahl (die abhängig von der Netzfrequenz ist) möglich ist.
Ausführungsformen
Wechselrichter können mechanisch oder elektronisch realisiert werden. Bei den zuerst üblichen Kontaktwechselrichtern unterbricht ein mechanischer Kontakt periodisch den zugeführten Gleichstrom (Wagnerscher Hammer). Den dabei unvermeidlichen Verschleiß minimiert ein Turbowechselrichter. Bei ihm ist der sich periodisch öffnende Kontakt durch einen Quecksilberstrahl ersetzt, der sich in einer geschlossenen Kammer von einem Motor betrieben im Kreis dreht.
Mit Vakuumröhren realisierte Wechselrichter sind nur für kleinere Leistungen geeignet. Wechselrichter größerer Leistung wurden mit steuerbaren Quecksilberventilen (Quecksilberdampfgleichrichter, Thyratrons) realisiert. Heute verwendet man für diesen Zweck Thyristoren, seit neuestem auch Transistoren, z. B. IGBT.
Diese Bauelelemente werden in der Leistungselektronik in der Regel im voll durchgesteuertem Bereich betrieben (Schalterbetrieb). Es gibt damit nur zwei Schaltzustände (Aus: Ventil ist gesperrt, Ein: Ventil ist leitfähig). Die Ventile werden somit binär, also mit Pulsen angesteuert. Daher auch der Name Pulswechselrichter.
Somit kann mittels einer hochfrequenten Trägerfrequenz (entspricht der Schaltfrequenz) über Pulsweitenmodulation eine niederfrequente Ausgangsfrequenz (entspricht in der Regel der Grundschwingung des Stroms) erzeugt werden.
Ältere Wechselrichter sind in der Schaltfrequenz auf wenige hundert Hertz begrenzt. Leistungstransistoren (Bipolar-T., MOSFETs, IGBTs) ermöglichen Schaltfrequenzen bis zu 75 kHz. Damit kann man eine Halbschwingung aus kleinen, unterschiedlich breiten Impulsen zusammensetzen und so dem netzüblichen sinusförmigen Spannungsverlauf annähern. Dies wird als Unterschwingungverfahren bezeichnet.
Wechselrichter im PKW
Wechselrichter für den Fahrzeugeinsatz sind schon lange im Zubehörhandel erhältlich, meist für den Anschluss an den Zigarettenanzünder oder für den Festanschluss in Wohnmobilen.
Der erste Fahrzeughersteller, der in einem Serien-PKW einen Wechselrichter mit der Netzspannung 230 V anbot, war Volkswagen. Mittlerweile sind für verschiedene PKW-Modelle Wechselrichter mit einer Steckdose für Eurostecker als Sonderausstattung zu haben, Wechselrichter mit Schuko-Steckdosen sind auch erhältlich.
Zu beachten ist beim Betrieb von Wechselrichtern höhrer Leistung über den Zigarettenanzünder an einem 12-Volt-Bordnetz hinsichtlich Wärmeentwicklung und Kontaktbelastung, dass bei der niedrigen Spannung von 12 V ein sehr hoher Strom geführt werden muss.
Beispiel:
- 230-V-Verbraucher mit 460 W: Verbraucherstrom = 2 A
- Strom auf der 12-V-Seite: 460 W / 12 V = 38,3 A (ohne Verluste auf Leitung und im Wechselrichter)
Siehe auch
Weblinks
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