Ein Wechselrichter „kehrt“ einen Gleichrichter nicht einfach um. Er schaltet eine Gleichstromquelle über Halbleiterbauelemente, steuert den Zeitpunkt dieser Schaltvorgänge und filtert das Ergebnis häufig, um eine für einen Motor, eine Netzanbindung, eine USV oder eine eigenständige Last geeignete Wechselstromwellenform zu erzeugen.

Die Architektur beginnt mit einem Gleichspannungszwischenkreis. Dessen Spannung, Kapazität, Quellenimpedanz und zulässige Restwelligkeit bestimmen, wie viel Energie bei Laständerungen verfügbar ist.

Die Gleichstromquelle und die Wechselstromlast stellen unterschiedliche Anforderungen; die Schaltstufe muss beiden gerecht werden.

Schalter erzeugen Polarität und Mittelwertspannung

Eine H-Brücke verwendet vier gesteuerte Schalter, um eine positive oder negative Gleichspannung an eine Last anzulegen. Das gleichzeitige Einschalten des falschen Schalterpaars erzeugt einen zerstörerischen Kurzschluss durch den Zwischenkreis. Deshalb fügen Gatetreiber eine Totzeit ein und erzwingen Verriegelungen.

Die Pulsweitenmodulation verändert die Mittelwertspannung, indem sie das Tastverhältnis der Schalter variiert. In einem Dreiphasen-Wechselrichter erzeugen koordinierte Brückenzweige Phasenspannungen, deren Grundfrequenz und Amplitude für einen Motor geregelt werden können.

Die Wellenform ist ein Spektrum

Die Last sieht nicht direkt eine mathematisch perfekte Sinuswelle vom Brückenzweig. Sie sieht Schaltimpulse, die eine gewünschte Grundschwingung sowie Oberschwingungen enthalten. Die Motorinduktivität filtert einen Teil der Wellenform; andere Lasten benötigen möglicherweise einen LC- oder Sinusfilter.

Abwechselnde Schaltzustände kehren den Strom um, während die PWM die effektive Ausgangswellenform regelt.

Anwendungsgrenzen zeigen sich außerhalb des Wechselrichters

Schnelle Spannungskanten können die Motorisolierung belasten, Lagerströme erzeugen und bei langen Kabeln Überspannungen durch rücklaufende Wellen verursachen. Filter, Kabeltyp, Erdung und Schaltfrequenz müssen auf den Motor und die Installation abgestimmt werden.

Generatorische Lasten können die Zwischenkreisspannung erhöhen. Das System benötigt möglicherweise einen Bremswiderstand, einen aktiven Netzgleichrichter oder einen Energiespeicherpfad. Eingangsschutz, Vorladung, Gleichstromsicherungen, Temperatursensoren und Fehlerisolierung sind ebenfalls wichtig.

Optionen für industrielle Antriebe sind unter Antriebe und Bewegungssteuerung zusammengestellt, während ergänzende Stromversorgungs-Hardware über Stromversorgungen geprüft werden kann.

Wirkungsgrad ist ein Betriebsbereich

Leitverluste, Schaltverluste, Magnetbauteile und Kühlung bestimmen den Wirkungsgrad und die verfügbare Leistung. Eine höhere Schaltfrequenz kann die Wellenformqualität verbessern, erhöht jedoch die Wärmeentwicklung. Eine Leistungsreduzierung kann bei großer Höhe, hoher Umgebungstemperatur, ungünstigen Gehäusebedingungen oder unzureichender Motorkühlung bei niedriger Drehzahl erforderlich sein.

Meinung des Autors: Die entscheidende Frage lautet nicht, ob ein Wechselrichter Wechselstrom erzeugt, sondern ob das vollständige System aus Quelle, Umrichter, Kabel und Last während des Starts, der Rückspeisung, bei Fehlern und im Dauerbetrieb elektrisch und thermisch beherrscht bleibt.