Wechselrichter verstehen: Umfassender Leitfaden für Elektro- und Elektronikstudenten

Einführung:

In diesem Artikel erklären wir, was ein Wechselrichter (Inverter) ist, welche Funktion er hat und nach welchem Prinzip er arbeitet. Wechselrichter finden sich in Photovoltaikanlagen zur Erzeugung von Wechselstrom für Haushalte und Büros. Auch in „Frequenzumrichtern“ (Variable Frequency Drives) steuern sie Drehzahl, Drehmoment und Drehrichtung von Asynchronmotoren in Lüftern, Pumpen und Verdichtern.

Was ist ein Wechselrichter?

Zuerst die Grundlagen: Zwei Arten elektrischer Energie – Gleichstrom (DC) und Wechselstrom (AC). Gleichstrom nutzen Sie für Taschenlampen, Solarzellen, Batterien und kleine Elektronik mit Platinen. Bei größeren Haushaltsgeräten funktioniert Strom anders: Die Steckdose liefert Wechselstrom (AC) für den Haushalt. Beide Formen haben eigene Grenzen, daher muss man oft zwischen ihnen umwandeln, um sie optimal zu nutzen.

Ein Wechselrichter macht genau das: Er wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um. Mit einem Oszilloskop sieht man den Unterschied: DC zeigt eine konstante Linie (Strom fließt in eine Richtung mit Maximalspannung). AC zeigt ein sinusförmiges Muster, die Spannung wechselt zwischen positiver und negativer Spitze pro Zyklus – der Strom fließt quasi „hin und her“.

Funktionsweise eines Wechselrichters

Zum Verständnis betrachten wir eine Schaltung, wo eine Gleichstromquelle ein Wechselstromgerät speist. Zur Umwandlung dienen vier Schalter. Sie sind so paarweise geschaltet: Schließen Schalter 1 und 4, öffnen 2 und 3 – und umgekehrt. So erfährt die Last einen Wechselstrom, obwohl sie an einer Gleichstromquelle hängt.

Ist ein Schalterpaar geöffnet, fließt Strom durch die rechte Seite des AC-Geräts. Beim anderen Paar fließt er durch die linke Seite. Das Gerät erfährt also Wechselstrom.

Das Signal ist jedoch keine Sinuswelle; das schnelle Schalten erzeugt eine Rechteckwelle. Diese kann elektrische Geräte beschädigen und muss geglättet werden. Dafür nutzen Ingenieure Bauteile wie Dioden, IGBTs, MOSFETs etc.

Einsatz von IGBTs in Wechselrichtern:

Ein IGBT (Isoliert-Gate-Bipolar-Transistor) ist ein dreipoliges Halbleiterbauelement. Betrachten wir die Schaltung für einen Motor.

Es gibt eine DC-Quelle, eine AC-Last und mehrere IGBTs, die mit einem Controller verbunden sind. Jeder IGBT erhält ein Signal vom Controller, wann er öffnen/schließen soll. Die IGBTs sind paarweise geschaltet.

Beim Einschalten schaltet der Controller ein IGBT-Paar für eine begrenzte Zeit – der Motor erfährt Wechselstrom.

Wechselrichter zur Drehzahlregelung von Motoren:

IGBTs öffnen und schließen pulsierend mehrmals pro Zyklus – Pulsweitenmodulation (PWM). Der Zyklus wird in kleinere Segmente unterteilt; der Controller steuert, wie lange die IGBTs in jedem Segment geschlossen bleiben. So fließen variierende Strommengen durch den Motor.

Die mittlere Leistung pro Segment ergibt ein Sinuswellenmuster. Je feiner die Unterteilung, desto glatter die Sinuswelle. Der Motor erfährt so einen sinusförmigen Wechselstrom.

Der Controller kann die Öffnungszeit einzelner IGBTs steuern, um Frequenz und Wellenlänge des Signals zu regeln – damit werden Drehzahl, Drehmoment und Richtung des Motors kontrolliert.

Anwendungen von Wechselrichtern:

Wechselrichter haben vielfältige Einsatzgebiete:

• Von winzigen Kfz-Adaptern über Haushaltsgeräte bis zu Großnetzanlagen.
• Häufig in Photovoltaikanlagen.
• Integriert in Frequenzumrichter zur Steuerung von AC-Motoren (Drehzahl, Drehmoment, Richtung).
• In HLK-Anlagen (Heizung, Lüftung, Klima) für Industrie und Gewerbe.
• Als USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung).
• In Solarstromanlagen.
• In Radialventilatoren, Mischern, Pumpen, Förderern, Extrudern etc.